301332-modulo de aguas residuales-unad

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA

CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CURSO: 301332 – TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA


PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS

301332 – TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

OSVALDO GUEVARA VELANDIA

(Director Nacional)

DUITAMA

Febrero de 2012

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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El módulo fue diseñado en el año 1996 por Ingenero Jose Humberto Guerrero R. e

impreso en los talleres gráficos de Unisur, para la Universidad Nacional Abierta y a Distancia.

El presente módulo ha tenido una actualización, desarrollada por el Ingeniero Osvaldo

Guevara Velandia en el 2007 quien ha sido tutor de la UNAD en el CEAD DUITAMA,

acreditado su contenido por el Ing. Jose Humberto Guerrero.

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TABLA DE CONTENIDO

Pág.

Introducción

Unidad 1: conceptos fundamentales y sistemas de administracion del agua

Introducción 8

Justificación 9

Objetivos 10

Contenido de la unidad 11

Capitulo 1 . Origen e importancia del tratamiento de agua residual 12

Lección 1. Origen del agua residual 13

Lección 2. Caracteristicas de las aguas residuales 20

Lección 3. Importancia del tratamiento del agua residual 25

Lección 4. Muestreo y aforo de las aguas residuales 30

Lección 5. Medida de caudal 34

Autoevaluacion 1 40

Capitulo 2 . Gestión del recurso hidrico y normatividad ambiental 42

Lección 6.Tecnicas para reducir las aguas residuales dentro de la planta 45

Lección 7. Tecnicas para reciclar las aguas residuales no tratadas 46

Lección 8. Recuperación de subproductos 47

Lección 9. Técnicas para reutilizar el agua residual tratada 49

Lección 10. Normatividad Ambiental 53

Autoevalción 2 58

Capitulo 3 . Operaciones de pretratamiento y tratamiento primario del agua residual

59

Lección 11. Operaciones de pretratamiento 61

Lección 12. Operaciones de tratamiento primario 64

Lección 13. Flotación 68

Lección 14. Filtración 70

Lección 15. Transferencia de gases, coagulación, mezclado. 74

Autoevaluación 3 84

Unidad 2: Tratamiento secundario y terciario del agua residual

Introducción 85

Justificación 86

Objetivos 87

Contenido de la unidad 88

Capitulo 1 Tratamiento Biologico del agua residual 90

Leccion 16. Microorganismos presentes en el agua residual 93

Leccion 17. Otros tipos de microorganismos 93

Lección 18. Metabolismo microbiano 96

Leccion 19.Digesión Aerobia 99

Lección 20. Digestion anaerobia 107

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Capitulo 2. TECNOLOGIAS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO 109

Leccion 21. Procesos aerobios 109

Leccion 22 Filtro percolador 118

Lección 23. Procesos anaerobios 123

Leccion 24. Reactores de segunda generación 127

Lección 25. Limitaciones asociadas con la digestion anaerobia 129


Capitulo 3 Tratamiento Terciario 131

Leccion 26. Desinfeccion 132

Leccion 27. Eliminacion de sustancias inorganicas disueltas 139

Lección 28. Manejo y disposición de lodos 141

Leccion 29. Criterios para la selección de los procesos de tratamiento 148

Lección 30. Operaciones de la matriz de decisión 148


Bibliografia 151

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1 El Agua En La Industria De Alimentos 14

Figura 2 Posible Circuito De Empleo Del Agua En Una Planta Procesadora De Alimentos

17

Figura 3 Diagrama De Flujo De Una Planta De Procesamiento de Aves 18

Figura 4 Composición De Los Sólidos En Las Aguas Residuales 21

Figura 5 Sitios De Muestro 31

Figura 6 Descarga Periodica Irregular 32

Figura 7 Descarga Periodica Regular 32

Figura 8 Descarga Continua 33

Figura 9 Descarga Irregular 34

Figura 10 Método Volumétrico Manual 35

Figura 11 Vertederos 36

Figura 12 Canal Parshall 37

Figura 13 Medicion Electromagnetica 39

Figura 14 Medicion Por Ultrasonido 40

Figura 15 Modelo Tradicional 43

Figura 16 Modelo De Producción Limpia 43

Figura 17 Etapas En El Tratamiento Del Suero Líquido Para Su conservación 48

Figura 18 Estructura Del Derecho Ambiental Colombiano 54

Figura 19 Operaciones Y Procesos Unitarios Del Tratamiento de Agua Residual 61

Figura 20 Método Para Medir Velocidad De Sedimentación Floculante 67

Figura 21 Esquema De Las Zonas De Sedimentación Para Un Fango Activado 68

Figura 22 Representación Esquemática De La Transferencia Del Oxigeno En Cuatro Pasos Desde La Fase Vapor A La Fase Solución.

75

Figura 23 Etapas Del Desarrollo Microbiano 92

Figura 24 Representación Esquemática Del Metabolismo Bacteriano 94

Figura 25 Representacion De La Digestion Anaerobia 96

Figura 26 Trasformaciones Del Nitrogeno En Los Procesos De Tratamiento Biologico

97

Figura 27 Representacion De La Digestion Anaerobia 99

Figura 28 Balance Anaerobio De La Materia 100

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Figura 29 Balance Aerobio De La Materia Organica 102

Figura 30 Etapas De La Digestión Anaerobia 104

Figura 31 Reduccion Biologica Del Sulfato 105

Figura 32 Sulfato Reducción En La Degradación De La Materia Orgánica 106

Figura 33 Reacción De Desnitrificación 107

Figura 34 Acción De Bacterias Anaerobias Sobre El Tereftalato 110

Figura 35 Proceso De Lodos Activados 111

Figura 36 Esquema Proceso Convencional De Lodos Activados 115

Figura 37 Plantas De Tratamiento Con Lagunas Aireadas 117

Figura 38 Planta De Tratamiento Con Zanjón De Oxidación 119

Figura 39 Esquema De Película Biológica En Un Filtro Percolador 126

Figura 40 Tanque Septico Y Tanque Imhoff 127

Figura 41 Filtro Anaerobio Ascendente 128

Figura 42 Sistema Uasb 129

Figura 43 Reactor De Lecho Fluidizado 136

Figura 44 Curva Generalizada Obtenida Durante La Cloracion Al Breakpoint 143

Figura 45 Flujo Para Manejo De Sólidos

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LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1 Niveles Máximos Permitidos En La Calidad Del Agua Potable

15

Tabla 2 Características Del Agua Utilizada En Algunas Industrias Alimenticias 16

Tabla 3 Volúmenes De Agua Empleados En La Industria 19

Tabla 4 Consumos Unitarios De Agua 20

Tabla 5 Contaminantes De Importancia En El Tratamiento Del Agua Residual. 26

Tabla 6 Características Principales De Las Aguas Residuales Provenientes De Ciertas Industrias De Alimentos.

27

Tabla 7 Cargas Unitarias De Contaminación De Diferentes Empresas 28

Tabla 8 Beneficios Y Restricciones De La Politica De Produccion Limpia 44

Tabla 9 Posibles Aplicaciones Del Reciclado Del Agua Residual Industrial 47

Tabla 10 Composición Del Suero Dulce Y Del Suero Ácido 48

Tabla 11 Aplicación Para La Reutilización Del Agua Residual y Posibles Restricciones.

49

Tabla 12 Tecnologías De Tratamiento Aplicables Para La Reutilización Del Agua Residual.

50

Tabla 13 Mecanismos De Eliminación Y Retención De Partículas 73

Tabla 14 Solubilidades De Gases En El Agua Para Diferentes Temperaturas 77

Tabla 15 Tipos De Aireadores 78

Tabla 16 Productos Químicos Empleados En El Tratamiento Del Agua Residual 79

Tabla 17 Clasificaciones De Los Organismos 90

Tabla 18 Rangos Típicos De Temperatura Para Las Bacterias 91

Tabla 19 Relación Entre La Fracción De Organismos Nitrificantes Y La Relación De Dbo/Nkt De Las Aguas Residuales

98

Tabla 20 Reacciones Bioquímicas En La Digestión Anaerobia De La Materia Orgánica

103

Tabla 21 Características Principales De Los Filtros Percoladores 120

Tabla 22 Características Típicas De Los Discos Biológicos 123

Tabla 23 Características De Lodos 142

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UNIDAD 1: CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y SISTEMAS DE ADMINISTRACION DELAGUA

INTRODUCCION El Módulo TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES da a los estudiantes las herramientas

suficientes, los conceptos técnicos, tecnologías existentes y las tendencias actuales que le

permitan: comprender los efectos negativos ocasionados al medio por vertimientos líquidos;

actuar y tomar decisiones para evitar, controlar, compensar o mitigar estos efectos; en busca

de este objetivo el módulo se ha dividido en dos unidades.

La primera unidad establece la relación y origen del agua residual en una empresa de

alimentos, presenta técnicas de aforo, los parámetros físicos, químicos y biológicos que

permiten al estudiante caracterizar el agua residual y emitir un concepto de calidad de agua;

presenta adicionalmente, una recopilación de la normatividad ambiental vigente referente a

vertimientos líquidos y ejemplos de aplicación de la tasa retributiva, criterios de decisión y

herramientas con las cuales el estudiante estima el costo económico por contaminación

hídrica y plantea la necesidad de aplicar políticas de reducción, reuso y reciclaje de agua.

Describe conceptualmente las diferentes etapas que componen el sistema de tratamiento de

agua residual, en esta primera unidad profundiza en el pretratamiento y tratamiento primario.

La segunda unidad muestra los principios del tratamiento biológico o secundario del agua

residual; éstos incluyen descripción del tipo de microorganismos, mecanismos de digestión

aerobia y anaerobia y tecnologías desarrolladas.

Presenta las operaciones y procesos que conforman el tratamiento terciario o avanzado

enfatizando en la desinfección del efluente con compuestos clorados, por último incluye las

alternativas de disposición de los lodos generados en el tratamiento del agua residual.

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JUSTIFICACIÓN

El ingeniero de Alimentos es responsable de la transformación de materias primas, del control de los procesos y de la calidad de los productos, y por tanto de las emisiones, descargas y manejo de residuos líquidos, sólidos y gaseosos, y los efectos que estos provocan sobre el medio ambiente.

El curso TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES busca que el Estudiante Unadista valore los recursos naturales, plantee los efectos negativos del vertimiento de agua residual sobre el ambiente, justifique técnica ambiental, económicamente las acciones que permitan disminuir estos vertimientos, y tome decisiones para el tratamiento y disposición final del agua, para lo cual, aplica los conocimientos en una situación particular e incorpora políticas de prevención y emisión cero. Antes que plantear un sistema de tratamiento de aguas residuales, se requiere evaluar alternativas para emisión cero como son: reuso, reciclaje y reutilización del agua; éste nuevo concepto permite al Ingeniero de Alimentos, diseñar y evaluar métodos de aprovechamiento del agua, incorporar y adaptar equipos, optimizar sistemas de producción y mejorar de productividad.

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OBJETIVOS

GENERAL Justificar a través de criterios técnicos, ecológicos, jurídicos, económicos la necesidad de disminuir los efectos negativos producidos por las aguas residuales, implementando políticas de producción limpia y sistemas de tratamiento. Generar criterios en el futuro profesional que le ayuden en una correcta toma de decisiones para la disposición final del agua utilizada. ESPECIFICOS a. Determinar en un proceso industrial las operaciones que generan agua residual. b. Establecer los sitios y métodos de aforo de las descargas de agua residual. c. Describir los parámetros físicos, químicos y microbiológicos que determinan la calidad del

agua residual. d. Comparar la composición de las aguas residuales de diferentes empresas de alimentos. e. Presentar los efectos negativos que el agua residual produce en el medio ambiente. f. Dar criterios que permitan plantear alternativas de reducción de agua a través de

tecnologías limpias. g. Relacionar la normatividad ambiental vigente para el recurso agua.

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CONTENIDO DE LA UNIDAD

CAPÍTULO 1. ORIGEN E IMPORTANCIA DEL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

CAPÍTULO 2. GESTION DEL RECURSO HIDRICO Y NORMATIVIDAD AMBIENTAL

CAPITULO 3. OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO Y TRATAMIENTO PRIMARIO DEL AGUA RESIDUAL

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CAPITULO 1 : ORIGEN E IMPORTANCIA DEL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL INTRODUCCION El conocimiento del origen, volúmenes, características y los efectos de los residuos líquidos sobre las fuentes receptoras le permitirán al futuro profesional y específicamente al Ingeniero de Alimentos, tomar conciencia, replantear acciones y orientar esfuerzos encaminados a la solución o remediación de este problema. El capitulo esta dividido en cinco lecciones: Primera Lección. Origen de las aguas residuales: Es estudiante determina mediante el análisis de diferentes procesos industriales, las fuentes de agua residual, y a través de análisis de información y datos de estadísticas de vertimientos de diferentes empresas establece las industrias de mayor generación de desechos líquidos. Segunda lección: Características del agua residual: Los diferentes parámetros físico químicos, y microbiológicos del agua residual son los indicadores de calidad del agua, el conocimiento y correcta interpretación de estos, son elementos fundamentales para una acertada decisión sobre su tratamiento y disposición. Cada uno de los parámetros analizados trae consecuencias al entorno, el estudiante relacionara cada parámetro con el respectivo efecto, esto permitirá complementar el concepto emitido en la primera lección, de cual o cuales industrias son las que generan mas residuos líquidos, afirmando cual o cuales industrias son las mas contaminantes. Tercera lección: Técnicas de Muestreo y aforo: Una vez identificados los puntos de origen del agua residual se requiere conocer las condiciones y sistemas de aforo que se pueden emplear permitiéndole al estudiante seleccionar para cada caso en particular el mas adecuado. OBJETIVOS GENERAL Argumentar técnicamente la necesidad de implementar sistemas de reducción de agua y tratamiento de agua residual.

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ESPECIFICOS a. Determinar en un proceso industrial las operaciones que generan agua residual. b. Establecer los sitios y métodos de aforo de las descargas de agua residual. c. Describir los parámetros físicos, químicos y microbiológicos que determinan la calidad

del agua residual. d. Comparar la composición de las aguas residuales de diferentes empresas de alimentos. e. Relacionar los principales efectos de cada parámetro sobre el medio ambiente. LECCION 1. ORIGEN DEL AGUA RESIDUAL El agua es el recurso natural mas abundante, cubre mas de 3/5 de la superficie del mundo, esta se encuentra en continuo movimiento realizando el reciclo natural o ciclo hidrológico, este incluye la evaporación del agua de los océanos principalmente, ocasionada por el calor solar, su posterior condensación a gran altitud formando nubes de lluvia de las que llueve, nieva o graniza, esta agua se deposita en estanques o lagos, luego se filtra a la tierra, y corre por arroyos para finalmente volver al mar. El agua es considerado el mejor solvente, debido a esto el agua absolutamente pura no existe en estado natural, durante la precipitación el agua absorbe gases atmosféricos como dióxido de carbono, confiriéndole una característica ácida, posteriormente en el proceso de filtrado puede disolver materiales ácidos o alcalinos, cuando el agua pasa por el suelo y por rocas pueden disolver minerales, de esta forma entre mas profunda sea la filtración del agua, mayor cantidad de minerales en ella. Estos minerales están compuestos principalmente por calcio y magnesio, de los cuales la sal alcalina en forma de bicarbonato es su mayor elemento. En grandes cuerpos de agua superficial, tales como lagos, el agua no recoge minerales, sin embargo se lleva a cabo una gran actividad biológica. Suficiente material nutritivo se encuentra en el agua, el cual en conjunto con el dióxido de carbono y la luz solar permiten el desarrollo y crecimiento de varias formas de organismos microbiológicos y plantas, que a su vez constituyen en alimento a peces y otros animales. La disponibilidad del recurso, junto con su calidad se constituyen en parámetros críticos para el establecimiento y desarrollo de las empresas, características físicas, como pH, olor, sabor, color, turbiedad entre otros, y, químicas medidas en concentraciones de diferentes compuestos o elementos como calcio, magnesio, hierro, sulfatos cloruros, nitritos y microbiológicas que incluyen la determinación de hongos, bacterias protozoos y algas, determinan la calidad del agua. La figura 1 muestra las diferentes operaciones que involucran agua en la industria de alimentos, esta puede ser dividida en tres categorías: Agua de proceso, Agua de enfriamiento y agua de alimentación de las calderas.

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Entre los usos del agua de proceso están: el lavado de materias primas y del equipo de proceso; el transporte de productos de una a otra área de proceso; la disolución o la extracción; y la adición al producto terminado. El agua de enfriamiento puede usarse para operar equipo de refrigeración (intercambiadores de calor), para condensar vapor generado en evaporadores. El agua de alimentación a las calderas requiere un tratamiento especial para disminuir las concentraciones de carbonato de calcio, fosfato de calcio, hidróxido de magnesio, óxidos de hierro entre otros, los cuales precipitan sobre la superficie , causando incrustación, afectando notablemente la transferencia de calor, y el tiempo de vida útil de la caldera; se acostumbra a adicionar sustancias que solubilizan este tipo de sales, sin embargo si el vapor formado tiene contacto directo con el alimento (operaciones de escaldado) debe ser reevaluada la adición de este tipo de productos. De acuerdo al uso, el agua debe cumplir con unas condiciones mínimas de calidad, que garanticen la calidad del producto y el buen funcionamiento de equipos. En la tabla No 1 se relacionan las condiciones que debe cumplir el agua para ser considerada potable, de acuerdo con la reglamentación emitida por el Ministerio de salud, Decreto 475 /1998, en la tabla No. 2 se relaciona las características del agua para otro tipo de usos.

H2O

Deshidratación

Enfriamiento Limpieza

Ebullición Acondicionamiento

de materiales

Liofilización Conversión

materia prima

FIGURA No. 1 EL AGUA EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

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TABLA No. 1 NIVELES MÁXIMOS PERMITIDOS EN LA CALIDAD DEL AGUA POTABLE

CARACTERISTICAS VALORES

IDEAL MAXIMO

Físicas Color, unidades en la escala platino-cobalto Olor y sabor Turbiedad, (UNT) Sólidos totales (mg/L)

5 Inobjetable 1 200

20 5 500

Químicas Arsénico Bario Boro Cadmio Calcio Cianuro Cinc Cloruros Cobre Cromo hexavalente Dureza total Fenoles (Ar-OH) Flúor Hierro total Magnesio Manganeso

Mercurio

Nitratos Nitritos Plomo Sulfato de alcohilbenceno Selenio Sulfatos

Expresada como As Ba B Cd Ca CN Zn Cl Cu Cr CaCO3 Fenol F Fe Mg Mn Hg NO3

NO2 Pb ABS Se2 SO4

mg/dm3

0,01 1,00 1,00 0,005 75,00 0,20 10 250,00 1,00 0,05 30-150 0,001 * 0,3 36,00 0,1 0,001 45,0 0,1 0,05 0,5 0,01 250,00

Fuente: Ministerio de Salud, Decreto 475 de 1998. Las empresas de alimentos es quizás una de los sectores industriales mas exigentes en calidad de agua, ya se mencionó que este puede ser un insumo por tal motivo las características de la misma influyen directamente en el producto. En la industria de bebidas gasificadas (el agua constituye el 90 % del producto), los minerales del agua pueden neutralizar los ácidos en la bebida y producir un mal sabor; la presencia de turbidez, dureza y alcalinidad elevadas afectan la carbonatación (absorción de CO2), generando sobre costos de operación al ser necesario aumentar presión y disminuir temperatura de operación en el equipo de absorción.

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En la industria de frutas y verduras una excesiva dureza del agua, altera las características sensoriales de los productos endureciéndolos principalmente. Las condiciones del agua para las calderas y equipos de transferencia de calor exige un análisis independiente y unas condiciones especiales; no es aconsejable utilizar agua de consumo humano (potable) para la alimentación de estos equipos, debido a la presencia elevada de sales disueltas principalmente de fosfato de calcio, carbonato de calcio, silicato de magnesio, dióxido de magnesio entre otras. Cada sal tiene una solubilidad definida en agua, y se precipitará cuando esta sea excedida. Si el agua esta en contacto con una superficie caliente y la solubilidad es menor a mayores temperaturas para estas sales, se formará un precipitado sobre la superficie, causando incrustación, y disminuyendo notoriamente la transferencia de calor. TABLA No. 2 CARACTERÍSTICAS DEL AGUA UTILIZADA EN ALGUNAS INDUSTRIAS ALIMENTICIAS

CARACTERISTICAS CONSERVAS DE FRUTAS

BIBIDAS SUAVES

CALDERAS MEDIA POTENCIA

Color (ppm.) Alcalinidad (CaCO3) Cloruros (mg/L) Dureza (mg/L) Hierro (mg/L) Manganeso (mg/L) Nitratos (mg/L) pH Sulfatos (mg/L) Sólidos totales disueltos (mg/L) Sólidos suspendidos SiO2 (mg/L) Calcio (mg/L)

5,0 250 250 250 0,2 0,2

10,0 85

0,3 0,05 10

6,5 – 8,5 250 500 10 50

100

150 – 250

80

2 – 5

9,5 – 10,5 30 – 40

750 – 2000

50

Fuente: Guerrero Rodríguez, José Humberto, Tratamiento de Aguas Residuales, Santafé de Bogotá, 1996. Pág. 216 Es claro que a través del paso por los diferentes procesos, la calidad del agua es alterada, el conocimiento de las operaciones de proceso en una planta de alimentos permite comprender el uso del agua, las características requeridas en cada operación y los posibles cambios de la misma. La figura 2 se presenta el circuito general del agua en una empresa de alimentos, y la figura 3 aplicado a una empresa procesadora de aves.

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En el proceso de sacrificio se muestran las diferentes etapas donde se originan aguas residuales: Las operaciones de lavado son en términos generales las responsables en mayor medida de esta alteración, así en la industria de bebidas además de ser parte del producto el agua se emplea en el enjuague de equipos a los cuales previamente se han aplicado detergentes y biocidas, estas sustancias pueden ser fuertemente alcalinas o ácidas, solubles o insolubles en agua, y, para alimentar calderas cuyo vapor es usado para cocimiento, pasterización y calefacción de las soluciones de lavado de botellas. En la industria de frutas y verduras el agua es el medio tradicional de transporte, permitiendo adicionalmente el primer lavado y enfriamiento, posterior al lavado las frutas y verduras son peladas empleando vapor o soluciones cáusticas, desde luego estas soluciones y los residuos generados en cada proceso terminan formando parte del agua, inicialmente potable y en este punto residual.

Alcantarillado

VAPOR DESINFECCION

LAVADO DE MATERIA PRIMA

RECOLECCION

AGUA USADA

ENFRIAMIENTO

LIMPIEZA DE LA PLANTA

LIMPIEZA DE EQUIPOS

SERVICIOS PUBLICOS

PLANTA DE

TRATAMIENTO

Agua Residual

PROCESO

FIGURA No. 2 POSIBLE CIRCUITO DE EMPLEO DEL AGUA EN UNA PLANTA PROCESADORA DE ALIMENTOS

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DRENAJE

PLUMAS

PASO DE

SANGRE

JAULAS TRANSPORTADORAS

EN CAMION

JAULAS

VACIAS a. AREA DE

RECEPCION

b. ESTACION DE

MATANZA

d. ESCALDADO

e. DESPLUMADO

g. LAVADO DEL

AVE COMPLETA

h. REMOCION DE

VISCERAS

k. REFRIGERACION

l. CLASIFICACION,

PESADA, EMPAQUE

c. RECUPERACION

DE SANGRE

f. RECUPERACION

DE PLUMAS

j. RECUPERACION

DE MENUDENCIAS

RECOLECCION Y CONTROL

DEL AGUA DE DESECHO

FINAL

PLUMAS

ANGRE

MENUDENCIAS

CAMIONES REFRIGERADOS

DE ENTREGA

PRODUCTO

SUBPRODUCTO

AGUA POTABLE

AGUA DE PROCESO

AGUA DE DESECHO

FIGURA No. 3 DIAGRAMA DE FLUJO DE UNA PLANTA DE PROCESAMIENTO DE AVES

AGUA

POTABLE

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Hasta el momento se han mencionado las condiciones del agua, pero tan importante como su calidad es el consumo, medido en metros cúbicos de agua por tonelada de producto (m3/t), o metros cúbicos utilizados por día (m3/d), siendo estos, indicadores de productividad. En la tabla 3 y 4 se encuentran relacionados para diferentes tipos de empresas, de ellas se deduce que las industrias procesadoras de alimentos son unas de las mayores consumidoras de agua, después de la industria petroquímica, productoras de acero, papel y textiles. TABLA No. 3 VOLÚMENES DE AGUA EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA

AGRUPACIÓN VOLUMEN DE AGUA UTILIZADA (m3/d)

a. Bienes de consumo no duraderos Alimentos

Bebidas

Tabaco Textiles Vestuario Cueros Calzado Muebles Imprentas y editoriales Productos farmacéuticos Objetos barro, loza y porcelana Diversos

134,5 126,5 93,3 277,1 98,9 219,8 39,3 26,7 - 103,9 - -

b. Bienes intermedios Maderas y corcho Papel Industrias químicas Productos químicos Refinerías de petróleo Productos de petróleo Productos de caucho Productos plásticos Vidrio y sus productos Productos minerales no metálicos Industrias básicas de hierro y acero Industria básica no ferrosa

32,5 162,1 318,4 139,2 553,8 55,0 191,8 63,3 372,3 106,8 273,8 156,6

c. Industria metalmecánica Productos metálicos Maquinaría no eléctrica Maquinaria eléctrica Material de Transporte Fabricación equipo profesional

45,6 36,3 84,0 111,0 56,0

Fuente: Rizo, Guillermo. Sistemas Ecológicos y Medio Ambiente. Santafé de Bogotá, 1998. Pág. 238

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TABLA No. 4 CONSUMOS UNITARIOS DE AGUA

ACTIVIDAD m3/t

Producción de papeles varios 120,0

Producción de arrabio por reducción mineral de hierro por coquización y alto horno.

120,0

Producción de acero por proceso semi-integral u horno eléctrico con separación manual de chatarra.

77,4

Producción de artículos de acero, laminado en caliente con cizallamiento, horno eléctrico y proceso semi-integral

29,9

Producción de alcohol etílico por fermentación discontinua de melaza y destilación multietapa.

20,6

Matanza de aves con degüelle manual e insensibilización, evisceración y empaque mecánicos.

12,5

Producción de pulpa química al sulfato (Kraft) blanqueada con sistema de recuperación química.

100,0

Producción de cuero curtido al mineral, con depilado químico, secado al vacío y pintado mecánico.

48,4

Producción de Cerveza 9,0 – 11,5

Elaboración de Pan 2,0 – 3,5

Embalaje de la carne 13,5 – 18,0

Productos Lácteos 9,0 – 18,0

Producción de Whisky 54,5 – 7,3

Fuente. IDEAM El medio Ambiente en Colombia. Desempeño Ambiental de la Tecnología en la Industria Colombiana, 2000. Pág. 511 Si las aguas residuales de las diferentes empresas son vertidas a una fuente receptora (inicialmente fuente de abastecimiento de agua de proceso), las características físicas, químicas y biológicas de esta son drásticamente modificados (contaminación), y pueden provocar la muerte de las especies y alterar sustancialmente el ecosistema. LECCION 2. CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES Una vez identificado el origen de las aguas residuales, el siguiente paso es caracterizar cada corriente, entendiéndose caracterización como la operación de determinar tipo de contaminantes, flujo, frecuencia de vertimiento y sitio de descarga. A continuación se describen los principales parámetros físicos, químicos y biológicos que permiten valorar la calidad del agua y su efecto contaminante.

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2. PARAMETROS FISICOQUIMICOS 2.1. Sólidos: Los sólidos que se presentan en el agua residual pueden ser de tipo orgánico y/o inorgánico y provienen de las diferentes actividades industriales. Los sólidos se clasifican como: sólidos totales, sólidos en suspensión, sólidos totales disueltos, sólidos totales volátiles y sólidos volátiles en suspensión. En la figura 4 se relaciona esta clasificación.

Los sólidos totales se obtienen después de evaporar y secar una muestra de agua; se subdividen en sólidos disueltos y sólidos suspendidos; éstos últimos se obtienen por medio del proceso de filtración. El contenido de sólidos de un agua afecta directamente la cantidad de lodos que se produce en el sistema de tratamiento o disposición. Se considera como sólidos totales de un agua el residuo de la evaporación y secado a 103 – 105 ºC.

SÓLIDOS VOLATILES 50 %

SÓLIDOS FIJOS 10 %


SÓLIDOS FIJOS

20 %

SÓLIDOS SEDIMENTABLES Y SUSPENDIDOS

60 %

SÓLIDOS DISUELTOS 40 %

SÓLIDOS TOTALES 100 %


SÓLIDOS FIJOS 30 %


FIGURA No. 4 COMPOSICIÓN DE LOS SÓLIDOS EN LAS AGUAS RESIDUALES


SÓLIDOS FIJOS 10 %


SÓLIDOS FIJOS

20 %

SÓLIDOS SEDIMENTABLES Y SUSPENDIDOS

60 %

SÓLIDOS DISUELTOS 40 %



SÓLIDOS FIJOS 30 %


FIGURA No. 4 COMPOSICIÓN DE LOS SÓLIDOS EN LAS AGUAS RESIDUALES

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Los sólidos sedimentables son una medida del volumen de sólidos asentados al fondo de un cono imhoff, en un período de una hora, y representan la cantidad de lodo removible por sedimentación simple; se expresan comúnmente en mg/L. Los sólidos disueltos representan el material soluble y coloidal, el cual requiere usualmente para su remoción, oxidación biológica o coagulación y sedimentación. Los sólidos suspendidos o no disueltos constituyen la diferencia entre los sólidos totales de la muestra no filtrada y los sólidos de la muestra filtrada Los sólidos volátiles son, básicamente, la fracción orgánica de los sólidos o porción de los sólidos que se volatilizan a temperaturas de 550 - conoce como sólidos fijos y constituye la porción inorgánica o mineral de los sólidos. En el tratamiento biológico de las aguas residuales se recomienda un límite de sólidos disuelto de 16000 mg/L. 2.2. Temperatura. La temperatura constituye uno de los más frecuentes agentes contaminantes, ya que su efecto es inmediato sobre el punto de descarga del efluente y dependiendo de que tan extrema sea, su acción puede demorar mucho tiempo en minimizarse. Una descarga no contaminante térmicamente debe tener una temperatura no mayor de 25°C. 2.3 turbidez. Es la medida de la reducción de la intensidad de la luz que pasa a través de la muestra por efecto de la materia suspendida y coloidal. La turbidez puede ser causada por material finamente dividido en suspensión, como arcilla, sílice, materia orgánica, sustancia mineral y en general material causada por desechos industriales y domésticos. El control de la turbidez es importante porque esta ocasiona problemas para la filtración y para la desinfección del agua. 2.4. Color. Es producido por sustancias disueltas y por partículas coloidales. Es preciso establecer la diferencia entre dos tipos de color, como son el aparente y el real. El aparente involucra la turbiedad, no así el color real 2.5. DQO. La Demanda Química de Oxigeno es la medida del equivalente de oxigeno del contenido de materia orgánica susceptible de oxidación por medio de un agente químico oxidante fuerte. En otros términos, es la cantidad de oxigeno que requiere el agua para descomponer toda la materia orgánica que contiene. Se utiliza además como parámetros de referencia para las pruebas de DBO. Este parámetro requiere de unas condiciones de análisis específicas, un tiempo mínimo de reacción de dos horas y una serie de sustancias analíticas específicas, como: Dicromato de potasio y ácido sulfúrico, como agentes oxidantes. Ferroina, como sustancia indicadora Sulfato de plata/mercurio para destruir los compuestos alifáticos lineales

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Ácido sulfámico para eliminar la interferencia debida a los nitratos Amonio y hierro sulfato, solución valorante 2.6. DBO. A semejanza de su predecesor, la Demanda Bioquímica de Oxigeno es una prueba empírica que cuantifica la cantidad de oxigeno requerido para que las sustancias biodegradables presentes en el agua sean destruidas, durante un tiempo de incubación. Esta prueba requiere de pruebas de laboratorio, con tratamiento químico especial para cierto tipo de interferencias: Neutralización para eliminar interferencia de ácidos o bases. Aireación y reposo para eliminar presencia de cloro. Tratamiento específico para muestras tóxicas que contengan metales como plomo, plata o

cromo. Calentamiento y agitación para eliminar la sobresaturación de oxigeno. La DBO y la DQO constituyen las pruebas más representativas del análisis de aguas residuales. 2.7 Carbono Orgánico Total (C.O.T.): Es una medida más directa que la DBO en la determinación de la cantidad de materia orgánica carbonácea en el agua. Se basa en la oxidación de la materia orgánica a dióxido de carbono (CO2); éste es arrastrado por una corriente de oxígeno a un analizador de rayos infrarrojos donde se mide la cantidad de dióxido de carbono que existe en la muestra. Generalmente el nivel del C.O.T. está por debajo de la concentración real de contaminantes orgánicos. 2.8. Oxigeno Disuelto. Esta medida permite determinar la actividad físico-química y microbiológica de un sistema acuoso; su ausencia o bajo nivel se interpreta como un factor determinante del grado de contaminación del agua. Debido a que se trata de un valor que se transforma y modifica constantemente, solo tiene sentido si se reporta como prueba de campo, en el lugar mismo donde se toma la muestra. 2.9 pH. El valor de pH o potencial de Hidrógeno es una medida fundamental en prácticamente todas las etapas de un proceso de tratamiento de aguas (neutralización, suavización, coagulación, desinfección y control de corrosión). Es, como la anterior, una prueba de campo por excelencia, que se recomienda determinarla por medio de un pH-metro con escala mínima de 0,1 de graduación. Cuando se precisa medir niveles de pH inferiores a 1 es necesario utilizar un electrodo de membrana líquida, mientras que para niveles superiores a 10 se recomienda un electrodo con “bajo error de sodio”. 2.10 Amonio. El amonio, como los demás componentes del ciclo de Nitrógeno, sobre los que hablaremos a continuación, representa una medida de carga orgánica presente en el agua. Existen métodos convencionales de laboratorio para su cuantificación, pero cada día toman más fuerza métodos rápidos como el de electrodo selectivo o colorimetría de campo.

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2.11 Nitrito. Los nitritos son los principales indicadores de contaminación por descomposición orgánica en el agua. Su presencia constituye un factor de riesgo para la salud ya que inducen la enfermedad de hemoglobinemia, principalmente en la población infantil. 2.12. Nitrato. La presencia de cantidades excesivas de nitrato en el agua constituye un factor de riesgo para la salud debido a que éstos se reducen con facilidad a nitratos agentes tóxicos ya descritos. 2.13. Dureza. La dureza se entiende en el agua como el contenido de metales alcalinotérreos, especialmente Calcio y Magnesio. Su importancia está concentrada en el hecho de que estos metales inhiben la acción de algunos agentes de tratamiento, impidiendo que el proceso de depuración de las aguas se lleve a cabo de manera apropiada. 2.14 Cloruros. El ión cloruro es abundante en las aguas naturales y aún más en las residuales. Su presencia en cantidades altas conlleva a procesos de corrosión e inhibe el crecimiento vegetal. 2.15 Sulfatos. Los sulfatos se encuentran ampliamente diseminados en las aguas naturales. Su cuantificación es importante debido a que ejercen acción catalítica sobre los procesos de degradación de otras sustancias. 2.16 Manganeso. El manganeso, agente común de las aguas potables y residuales, provoca normalmente manchas indeseables en las instalaciones de tratamiento y constituye un agente oxidante fuerte en algunos de sus estados comunes de valencia. 2.17 Hierro. Como en el caso anterior, el hierro es un agente de manchado frecuente, responsable en gran medida de color de agua, Su estado común es como ión ferroso, que se mantiene en equilibrio y con gran facilidad pasa al estado férrico, en el cual normalmente se determina. 2.18 Grasas y Aceites. El contenido de grasas y aceites en los residuos domésticos, en algunos residuos industriales y en los lodos se debe considerar para su manipulación y tratamiento hasta la disposición final. Al aceite y la grasa se les concede especial atención por su escasa solubilidad en el agua y su tendencia a separarse de la fase acuosa. A pesar de que estas características son una ventaja para facilitar la separación del aceite y la grasa mediante el uso de trampas de grasa o unidades de flotación, su presencia complica el transporte de los residuos por las tuberías, su eliminación en unidades de tratamiento biológico y su disposición en las aguas receptoras. Los residuos de la industria del empaque de carnes, especialmente mataderos, disminuyen severamente la capacidad de transporte de las alcantarillas; estas situaciones han servido como base para establecer normas y reglamentos que controlan la descarga de los materiales grasos a los sistemas de alcantarillado o a las aguas receptoras, y han obligado a las instalaciones de equipo de tratamiento en muchas industrias para recuperar la grasa o el aceite antes de que se autorice el desagüe.

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Las grasas y aceites han generado muchos problemas en el tratamiento de residuos. Muy pocas plantas tienen la posibilidad de separar estos materiales para su disposición en los sistemas de recolección de grasa o en los incineradores; en consecuencia, el residuo que se separa en forma de nata en los tanques de sedimentación primaria, normalmente es transferido a las unidades de disposición junto con los sólidos sedimentados. En los tanques de digestión de lodos, los aceites y grasas tienden a separarse y a flotar en la superficie para formar densas capas de natas, debido a su escasa solubilidad en el agua y a su bajo peso específico. Los problemas de estas capas son especialmente graves cuando los residuos de alto contenido en grasa llegan al alcantarillado público, por ejemplo, los del empaque de carnes y los de las industrias de grasas y aceites. La filtración al vacío del lodo también se complica por su alto contenido graso. En términos generales el componente orgánico de las muestras de aguas residuales es estimado mediante las demandas de oxigeno como : la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la Demanda Total de Oxígeno (DTO), o con la determinación de Carbono Orgánico Total (COT). En la caracterización de las aguas residuales, de acuerdo con la industria es necesario el análisis de otros compuestos orgánicos como son ácidos orgánicos, alcoholes, aldehídos, fenoles y aceites específicamente en la industria petroquímica. La caracterización inorgánica debe incluir pruebas que suministren información sobre la toxicidad potencial del desecho (tales como metales pesados y amoníaco), los contaminantes que requieran un tratamiento específico (como acidez o alcalinidad, pH y sólidos en suspensión), la evaluación de nutrientes (nitrógeno o fósforo) y sustancias interferentes o inhibidoras (como cloruros o sulfatos) LECCION 3. PARAMETROS BACTERIOLOGICOS: Los organismos mas comúnmente empleados como indicadores son las bacterias coliformes e incluyen los géneros Escherichia y Aerobacter. Las concentraciones de bacterias coliformes suelen expresarse como Número más probable (NMP) por cada 100 mL; esto quiere decir que nos es la concentración absoluta, sino una estimación estadística de la misma. Es común encontrar análisis de agua relacionando Coliformes totales y coliformes fecales (E. coli), la determinación de E. coli es importante porque estas bacterias son patógenas y por tal motivo responsables de muertes y enfermedades principalmente del aparato intestinal, su origen son las heces de humanos y animales principalmente. 3.1. IMPORTANCIA DEL TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL Los parámetros anteriores de acuerdo a su concentración producen efectos negativos sobre el medio receptor, conocer las alteraciones y consecuencias, permite definir los principales parámetros a controlar y el diseño del sistema de tratamiento. En la tabla 5 se presenta un resumen de los efectos y la importancia de estos parámetros.

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TABLA No. 5. CONTAMINANTES DE IMPORTANCIA EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL.

CONTAMINANTES RAZÓN DE LA IMPORTANCIA

Sólidos en suspensión M. O. Biodegradable Patógenos Nutrientes M.O. Refractaria

Metales Pesados

Sólidos inorgánicos disueltos

Pueden conducir al desarrollo de depósitos de fango y de condiciones anaerobias cuando se vierte agua residual sin tratar al entorno acuático. Compuesta principalmente por proteínas, carbohidratos, grasas animales. La materia orgánica se mide, la mayoría de las veces, en términos de DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno) y DQO (Demanda Química de Oxígeno). Si se descargan al entorno sin tratar, su estabilización biológica puede llevar al agotamiento de los recursos naturales de oxígeno y al desarrollo de condiciones sépticas. Los presentes en el agua residual pueden transmitir enfermedades infecto contagiosas. Tanto el Nitrógeno como el Fósforo, junto con el carbono, son nutrientes esenciales para el crecimiento. Cuando se vierten en el entorno acuático, estos nutrientes pueden favorecer el crecimiento de una vida acuática no deseada (eutrofización). Cuando se vierten en el terreno en cantidades excesivas, también pueden ocasionar la contaminación del agua subterránea. Tiende a resistir los métodos convencionales de tratamiento. Ej: agentes termoáctivos, fenoles y pesticidas agrícolas. Son añadidos frecuentemente al agua residual en el curso de ciertas actividades comerciales e industriales, y puede que deban ser eliminados si se va a reutilizar el agua residual. Los constituyentes inorgánicos tales como el calcio, sodio y los sulfatos se añaden al agua de suministro como resultado del uso del agua y puede que deban eliminarse si se va a reutilizar el agua residual.

Fuente: Metcalf Eddy. Ingeniería de Aguas Residuales. Tratamiento vertido y reutilización. 1.996. Pág. 56

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3.2. CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES PROCEDENTES DE EMPRESAS DE ALIMENTOS La procedencia y uso del agua en la industria define las características del agua residual, en el primer capitulo se ha mencionado que las operaciones de lavado son las que mas generan agua residual, sin embargo no es la única operación. En la industria láctea el agua residual proviene, además de las operaciones de lavado, de equipos de esterilización y enfriamiento. Las características principales son una alta DBO, bajo contenido de sólidos Suspendidos Totales (SST), y pH ácido producto de las reacciones de fermentación de la lactosa presente en el suero, leche en proceso, mantequilla (derrames ocasionales). En la industria de conservas de frutas y hortalizas los vertidos contiene gran cantidad de sólidos suspendidos (operaciones de lavado de materia prima, trozos de fruta y hortaliza que caen al piso) y materia orgánica disuelta (agua de escaldado, de pelado). La tabla No. 6 relaciona el origen y características de aguas residuales de algunas empresas de alimentos. TABLA No. 6 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE CIERTAS INDUSTRIAS DE ALIMENTOS.

INDUSTRIA ORIGEN DE LOS VERTIDOS MAS IMPORTANTES

CARACTERISTICAS MAS IMPORTANTES

Alimentos enlatados

Preparación, selección, extracción del jugo y tratamiento de las frutas vegetales.

Gran contenido de sólidos suspendidos, materia orgánica disuelta y coloidal.

Productos de la leche

Dilución de la leche. Leche concentrada. Mantequilla y suero.

Alto contenido en materia orgánica disuelta, principalmente proteínas, grasas y lactosa.

Bebidas fermentadas y destiladas

Maceración y prensado de grano, residuo de la destilación del alcohol, condensado de la evaporación de restos.

Gran contenido de sólidos orgánicos disueltos que contienen nitrógeno y almidones fermentados o subproductos.

Productos de carne y pollo

Limpieza de Corrales, sacrificio de animales, aprovechamiento de huesos y grasas, residuos de los condensadores, grasas y agua de lavado, desperdicio de los pollos.

Gran contenido de materia orgánica disuelta y en suspensión, sangre, proteína y grasa.

Estabulación de animales

Excrementos Gran contenido de materia orgánica, DBO.

Azúcar de remolacha

Aguas de transporte, tamizado y extracción. Drenaje de los lodos cálcicos, condensado del evaporador, jugo y azúcar

Gran contenido de material disuelto y en suspensión. Azúcar y proteína.

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extraída.

Levaduras Residuos de filtración de levaduras.

Alto contenido de sólidos principalmente orgánicos y DBO.

Conservas en medio ácido

Agua con calcio, salmuera, alumbre y ácido turmérico, siropes. Semillas y trozos de pepino.

pH variable, alto contenido de sólidos suspendidos, color y materia orgánica.

Café Despulpado y fermentación del grano de café.

Alto DBO y de sólidos suspendidos.

Pesca Desechos de la centrífuga, pesca prensada, evaporación y otras aguas de lavado

Muy alto DBO, sólidos totales y orgánicos y olor.

Arroz Remojo, cocido y lavado de arroz. Alto DBO, sólidos totales y en suspensión, principalmente almidón.

Bebidas suaves

Lavado de botellas, limpieza del suelo y equipos, drenaje de los tanques de almacenamiento de los jarabes.

Alto pH, sólidos en suspensión y DBO.

Panadería Lavado y engrasado de depósitos, lavado de suelos.

DBO alto, grasas, lavados de suelos, azúcares, harina, detergentes.

Producción de agua

Lavado de filtros, lodos con calcio, carbonatos, salmueras, lodos con sulfatos.

Sólidos minerales y en suspensión.

Fuente: José Humberto Guerrero Rodríguez. Tratamiento de aguas Residuales. UNISUR, Santafé de Bogotá, 1996. Pág. 223-224 En términos generales si bien hay variaciones en la composición del agua residual de las industrias de alimentos, sus afluentes se caracterizan por una alta demanda bioquímica de oxígeno y de sólidos suspendidos totales. La tabla No 7 permite comparar los vertimientos de algunas empresas de alimentos con otro tipo de actividades, en ella se presenta la relación DQO / DBO, que es un indicador de gran importancia y permite: a. Identificar del total de la carga orgánica que porcentaje es biodegradable; si la relación

DQO/DBO es menor como en las industrias de alimentos comparado con industrias del cuero y papel, significa por tanto que el vertimiento es fácil de tratar biológicamente.

b. Estimar la Demanda Bioquímica de Oxígeno (D.B.O) a partir del análisis del D.Q.O. este último requiere un tiempo de 2 horas para su determinación, comparado con 5 días necesarios para el D.B.O.

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Ejemplo de Aplicación: Para la industria de bebidas no alcohólicas se determinó la DQO = 650 mg/L, con base en este dato, estimar la DBO y el porcentaje de materia orgánica biodegradable. Con la información de la tabla No 7 se encuentra, que para este tipo de industrias la relación DQO/DBO = 2,11, por tanto DBO = DQO / 2,11 DBO = 650 / 2,11 = 308,05 mg/L. El porcentaje de materia biodegradables será: (DBO/DQO) *100 = 308,05/650 *100 = 47,39 % TABLA No. 7 CARGAS UNITARIAS DE CONTAMINACIÓN DE DIFERENTES EMPRESAS

ACTIVIDAD DBO (kg/t)

DQO (kg/t)

KgDQO/kgDBO SST (kg/t)

Extracción de aceite vegetal por prensado con rectificación.

188,0 307,0 1,63 135,0

Producción de cuero curtido al mineral, con depilado químico secado al vacío y pintado mecánico.

60,0 175,0 2,91 90,0

Producción de caramelos por cocción instantánea, mezclado manual y cámara de enfriamiento rápido.

41,2 78,1 1,89 2,1

Matanza de ganado mayor con elevación mecánica, refrigeración, procesamiento de sangre y sin limpieza de vísceras.

23,2 48,5 2,09 15,7

Matanza de aves con degüelle manual, e insensibilización, evisceración y empaque mecánicos.

19,6 44,1 2,32 9,6

Producción de pulpa química al sulfato (kraft) sin blanquear con sistema de recuperación química.

19,0 70,0 3,68 26,0

Producción de confites de chocolate por moldeado con aire caliente, con producción intermedia de manteca de cacao.

7,1 14,8 2,08 2,4

Producción de leche líquida higienizada por pasterización.

2,8 5,3 1,89 1,9

Producción de bebidas no alcohólicas con adición de preservativos y gasificación.

6,7 14,2 2,11

Producción de cebada malteada por secado rotatorio y germinación en frío.

6,6 1,9

Fuente: IDEAM El medio Ambiente en Colombia. Desempeño Ambiental de la Tecnología en la Industria Colombiana, 2000. Pág. 511

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LECCION 4. MUESTREO Y AFORO DE AGUAS RESIDUALES 4.1 GENERALIDADES Las técnicas de muestreo utilizadas deben garantizar la obtención de muestras representativas, ya que los datos que se deriven de ellas son las que definen el sistema de tratamiento. Estas técnicas están encaminadas a conocer los componentes del agua residual, la determinación del flujo, frecuencia y sitio de vertido. Las características del agua residual por lo general no son constantes, si no que presentan grandes fluctuaciones a través del tiempo así: Una empresa de alimentos al inicio de la jornada puede verter gran cantidad de agua con pH alto, fruto de desinfectante empleado, posteriormente agua con características muy diferentes producto de derrames ocasionales y lavado de pisos y al final de la jornada verter agua con pH bajo proveniente de sistemas de vaciado de equipos, lo anterior hace que se establezca un buen plan de muestreo y aforo, que permita el diseño de sistemas de tratamiento adecuados y ajustados al comportamiento general del vertimiento y no en un análisis puntual o circunstancial. La determinación de los sitios de muestreo, el conocimiento del caudal y tipo de descarga son fundamentales para el éxito del plan de muestreo y aforo. 4.2 SITIOS DE MUESTREO La identificación de los posibles sitios de muestreo se facilita por información básica de la empresa, diagrama general de los procesos industriales, información sobre servicios públicos, consumos de agua, sistemas de alcantarillado, manejo de aguas lluvias entre otros. Para que la caracterización sea representativa en el caso de una industria, se debe asegurar que cada uno de los sitios de muestreo recojan todos los vertimientos de los diferentes procesos industriales y domésticos, además se garantiza una mayor confiabilidad de los datos si ésta se realiza durante todo el turno de trabajo, (tiempo de generación de agua residual); esto es válido para cualquier empresa o entidad que requiera hacer el estudio de caracterización de agua residuales, en caso de no poderse realizar el aforo y muestro en todo el turno de trabajo, dicha caracterización permite dar una idea del comportamiento del agua residual en el tiempo muestreado. Como se puede observar en la figura 5 para la caracterización de agua residuales de la Industria X la muestra se debe tomar en el punto 6, en el cual se concentran las aguas residuales de todos los procesos industriales. Si en la Industria X se dan cinco procesos diferentes, y en uno de ellos, en este caso el proceso 1, se quiere conocer las concentraciones de los contaminantes que se está emitiendo (bien sea para optimización del proceso o mirar el efecto que causa el vertido sobre el agua residual de dicha empresa), se podrá tomar la muestra en el punto 1, antes de unirse a las aguas residuales provenientes del proceso 2.

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Si los procesos 4 y 5 tienen las mismas características en cuanto a uso de materias primas, producción de aguas residuales, y se quiere analizar la concentración de contaminantes, se podrá realizar el muestro en el punto 5, etc.

FIGURA No. 5 SITIOS DE MUESTRO

INDUSTRIA X

PROCESO 1

PROCESO 2

PROCESO 3

PROCESO 4

PROCESO 5

PROCESO 6

CAUCE RECEPTOR O ALCANTARILLADO

6

1

5

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4.3 TIPO DE DESCARGAS 4.3.1. Descarga periódica irregular: Es aquella en la que el tiempo entre descarga es el mismo pero el caudal y la concentración de los contaminantes de las aguas residuales varia.

FIGURA No 6. DESCARGA PERIODICA IRREGULAR

0

50

100

150

200

250

3 6 9 12

Tiempo (h)

Vo

lum

en

(L

)

4.3.2. Descarga periódica regular: Aquella en la que el tiempo entre las descargas es el mismo y el caudal y la concentración de los contaminantes es prácticamente constante.

FIGURA No 7. DESCARGA PERIODICA REGULAR

0

10

20

30

40

50

60

3 6 9 12

Tiempo (h)

Vo

lum

en

(L

)

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4.3.3. Descarga continua: Las características fisicoquímicas del agua varía o presenta cambios no representativos en el tiempo.

FIGURA No 8. DESCARGA CONTINUA

0

50

100

150

200

250

12

Tiempo (h)

Volu

men (

L)

4.3.4. Descarga Irregular: Aquellas en las que el tiempo de descarga y producción no es constante, creando así una variación continúa tanto en caudal como de carga de contaminantes.

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FIGURA No 9. DESCARGA IRREGULAR

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

2 4 5 7 10 15

Tiempo (h)

Vo

lum

en

(L

)

En este punto el estudiante tiene claro que en las empresas se pueden presentar mezclas de los diferentes tipos de descargas, aquí radica la experiencia e importancia de un buen plan de muestreo y aforo, que garantiza que los resultados obtenidos son representativos. LECCION 5. MEDIDA DE CAUDAL Determinar el caudal de agua residual generado en la empresa, es fundamental para el dimensionamiento del sistema de tratamiento y la determinación de los efectos sobre el medio ambiente; debe adoptarse la forma más sencilla de aforar; claro sin olvidar que los datos obtenidos deben ser confiables. Los métodos mas empleados son: 1. Medición volumétrica manual. 2. Vertederos 3. Velocidad área. 5.1. MEDICIÓN VOLUMÉTRICA MANUAL. La medición del caudal se realiza de forma manual utilizando un cronómetro y un recipiente aforado. El procedimiento a seguir es tomar un volumen de muestra y medir el tiempo transcurrido desde que se introduce el recipiente a la descarga hasta que se retira de ella, la relación de estos dos valores nos permite conocer el caudal en ese instante de tiempo. Se debe tener un especial cuidado en el momento de la toma de la muestra y la medición del tiempo, ya que es un proceso simultáneo donde el tiempo comienza a tomarse en el instante

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que el recipiente se introduce a la descarga, y se detiene en el momento que este se retira de ella. El caudal se estima por la relación volumen / Tiempo (Ecuación 1) V Q = -------------- (1) t Q = Caudal (L/s) V = Volumen (L) t = Tiempo (s) Ventajas: Es el método más sencillo y confiable siempre y cuando el lugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen de agua que sale por la descarga. Desventajas: La mayoría de las veces es necesario adecuar el sito de aforo y toma de muestras evitando pérdidas de muestra en el momento de aforar, también se deben evitar represamientos que permitan la acumulación de sólidos y grasas.

5.2. VERTEDEROS. El agua se obliga a circular por un canal en cuyo extremo hay un rebosadero que puede adoptar distintas formas, el líquido represado alcanzará distinta altura en función del caudal:

FIGURA No. 10 MÉTODO VOLUMÉTRICO MANUAL

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a mayor caudal, mayor altura, la altura está relacionada con el caudal por ecuaciones que dependen del tipo de vertedero así:

a. Vertedero rectangular de pared delgada Q = 1,83 H(3/2) b. Vertedero triangular Q = 1,4 H(5/2) (90°) Q = 0,775 H2.47 (60°) c. Vertedero Cipolleti (forma trapezoidal) Q = 1,859 H3/2

En las cuales Q es el caudal se expresa en m3/s y H, cabeza o altura de cresta expresada en m.

Ventajas: Fácil construcción, bajo costo y posee un buen rango de precisión en líquidos que no contengan sólidos. Desventajas: Cuando la cabeza sobre un vertedero triangular es menor de 10 cm., hay posibilidad de que se formen vacíos y por lo tanto no se recomienda su uso.

En los vertederos hay que tener especial cuidado debido a que éstos al represar el agua van acumulando sólidos y sustancias como grasas que van a interferir en la calidad de la muestra y por lo tanto en su representatividad. FIGURA No. 11 VERTEDEROS

5.3. MEDICIÓN POR VELOCIDAD Se utilizan las canaletas más que los canales abiertos debido a:

La rata de flujo no puede medirse adecuadamente por un vertedero.

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Hay una significante cantidad de partículas y otro material que podrían llenar un vertedero.

La capacidad de la cabeza hidráulica es insuficiente para usar el vertedero.

La velocidad de flujo por una canaleta puede ser establecida tal que, sedimentos y otros sólidos pueden ser lavados a través de ella.

La instalación de una canaleta puede ser relativamente más cara que un vertedero. El diseño típico de una canaleta debe tener lo siguiente:

Las secciones rectas del canal deben estar corriente arriba de la entrada de la canaleta.

El flujo debe ser bien distribuido a través del canal.

La canaleta no esta sumergida y tiene una descarga libre aguas abajo. Entre las más utilizadas se tiene: 5.3.1 Canal De Parshall. Este medidor es una especie de tubo venturi abierto, dispone de una garganta que produce una elevación de nivel en función del caudal. Esta formado por una sección de entrada de paredes verticales convergentes y fondo a nivel, una garganta o estrechamiento de paredes paralelas y fondo descendente y una sección de salida con paredes divergentes y fondo ascendente, los canales Parshall se definen por el ancho de la garganta. La canaleta debe ser construida rigurosamente con las dimensiones dadas, o su relación cabeza descarga de agua residual será poco confiable. FIGURA No. 12 CANAL PARSHALL

Para determinar el caudal se requiere medir la altura del líquido directamente utilizando un instrumento que mida longitud. Se puede hacer de manera continua empleando un sensor de caudal que va midiendo y almacenando los datos en función del tiempo siendo posible obtener posteriormente un registro gráfico.

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En estas canaletas se pueden acoplar otros tipos de sensores que permiten registrar otros parámetros diferentes al caudal, como son pH y temperatura. Ecuación: Q = 4 WHn

a

Ha = Altura del agua sobre la garganta en pié. W = Ancho de la canaleta en la sección de la garganta n = 1,522 W 0.026

Q = Caudal en pie3/s

Ventajas: La canaleta Parshall es auto-lavable. El aumento de velocidad en la garganta impide la sedimentación de partículas. Tiene la habilidad de operar de forma aproximada sobre un rango amplio de descarga. Resistencia a los productos químicos ya que se pueden construir de diferentes materiales y en el caso de instalaciones permanentes se puede construir en concreto vaciado.

Desventajas: Para la construcción de esta canaleta se precisa de la adecuación de un sitio de descarga, dado que este debe poseer una inclinación que permita la formación un flujo crítico en la garganta de la canaleta.

Los costos de construcción dependen de las características de la descarga, dado que estas influyen en el tipo de material de construcción como en las dimensiones del diseño. 5.3.2. Canal Palmer Bowlus. Es un tipo de venturi caracterizado por la estrangulación de la sección transversal uniforme y una longitud aproximadamente igual a un diámetro del tubo o conducto en el cual esta siendo instalada, esta diseñada para producir un flujo crítico de mayor velocidad en el estrangulamiento. Es casi siempre usado en manholes o en canales abiertos o rectangulares para medir variaciones de flujo, la configuración transversal puede asumir cualquier forma: rectangular, trapezoidal (varios declives, alturas y anchos de base), con o sin tapa. Para la determinación del caudal, se necesita medir la altura del líquido, ésta se puede realizar rápidamente midiendo la altura. También existen otros instrumentos que facilitan estas medidas de manera continua, obteniendo mediciones continuas y precisas, incluso conectando un registrador gráfico favoreciendo el almacenamiento de esta información. . En estas canaletas se pueden acoplar diferentes tipos de sensores que permiten registrar otros tipos de parámetros diferentes al caudal, como son pH y temperatura. Ventajas: La principal ventaja es la fácil instalación, debido a que puede ser colocada en conductos ya existentes donde no se requieren caídas en el conducto, como es requerido en

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el canal Parshall, la pérdida de energía es baja, detecta cambios sensibles de cabeza y provee una mínima restricción al flujo. Desventajas: Tiene un rango en la rata de flujo más pequeño que la Parshall. La resolución de la Palmer-Bowlus no es tan buena como la de la Parshall. 5.4. MEDICIÓN ELECTROMAGNÉTICA. Consiste en un carrete de tubería, de material no magnético que lleva adosado una serie de bobinas, las cuales, una vez conectadas a un circuito eléctrico, crean un campo magnético trasversal al tubo. El fluido al atravesar este campo hace el papel de conductor eléctrico. La fuerza electromotriz incluida en el flujo cuyo valor es proporcional a la velocidad media del flujo y en consecuencia al caudal, es detectada por dos sensores instalados en las paredes opuestas al tubo. Un circuito electrónico auxiliar recibe las señales de los sensores y después de procesar esta información determina el caudal que está circulando. FIGURA No. 13 MEDICION ELECTROMAGNETICA

Ventajas: No presenta ninguna obstrucción al paso del fluido, su pared interna se puede recubrir con revestimientos adecuados para evitar el ataque de fluidos corrosivos. Desventajas: No funciona con fluidos que no sean conductores de electricidad, su alto precio que es función del tamaño de la tubería, el deterioro de los sensores ya que tienen que estar mojados por el fluido. 5.5. MEDICIÓN POR ULTRASONIDO. Existen distintos dispositivos que se basan en el efecto Doppler o en la recepción de los ecos. En ambos métodos se utiliza un elemento emisor que envía impulsos de ultrasonidos a través del fluido en distintas direcciones. Los impulsos que viajan en el mismo sentido que el fluido, lo hacen a mayor velocidad que aquellos otros que viajan en sentido contrario. Una serie de sensores recogen estos impulsos y un circuito electrónico auxiliar procesa la información calculando el tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción del impulso,

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como las distancias entre el emisor y los sensores son fijas y conocidas, se puede obtener la velocidad a la que viaje el impulso que a su vez es función de la velocidad del fluido. Ventajas: Pueden ser instalados en cualquier momento sin necesidad de desmontar los conductos ni parar la producción. Desventajas: Costoso, voluminoso y pesado en tamaños grandes, no funciona con fluidos no conductores, necesita calibración y potencia eléctrica. FIGURA No. 14 MEDICION POR ULTRASONIDO

AUTOEVALUACION 1 ACTIVIDAD 1 1. Seleccione uno de los procesos en cualquiera de la industria de alimentos que usted

conozca. Elabore el correspondiente diagrama de flujo y señale las etapas que requiera agua como insumo o como materia prima, lo mismo las que generan residuos líquidos o el agua usada. Identifique en cuáles de ellos existe la mayor cantidad producida. ¿Qué recomendaciones haría para disminuir a lo estrictamente necesario tanto el consumo como la producción de residuos líquidos?. Elabore un pequeño ensayo, discútalo en su grupo de trabajo académico, construyan un nuevo documento y preséntelo al tutor para su revisión.

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ACTIVIDAD 2 En pequeños grupos de trabajo, en las oficinas del IDEAM o de la Corporación Autónoma de su jurisdicción consulte las características fisicoquímicas del principal río o quebrada que abastezca el acueducto municipal y/ o las principales industrias de su región. Registre esta información en lo posible para diferentes puntos en el río o quebrada así: Punto 1 cerca del nacimiento, punto 2. Antes de sectores industriales que viertan sus aguas en el cauce (aguas arriba). Punto 3: Después de vertidas las aguas por las diferentes empresas (aguas abajo). Liste y clasifique las empresas ubicadas en el sector de referencia de acuerdo a su actividad industrial (siderúrgicas, cementeras, alimentos etc.), indague sobre el volumen de producción de estas empresas y con base en la información suministrada en las tablas anteriores o a través de consulta en Internet (Desempeño ambiental de la tecnología en la industria colombiana. www.ideam.gov.co/publica/medioamb/cap12.pdf). Estime las cargas contaminantes vertidas. A través del análisis de la información diseñe y establezca indicadores de contaminación ejemplo: Disminución de oxigeno disuelto, alteración de pH etc. Los indicadores deberán ser acompañados con efectos o consecuencias que provocan en el ecosistema. (Disminución fauna acuática, enfermedades respiratorias entre otras.). A través de esta información de respuestas a los siguientes interrogantes: 1. ¿Qué tipo de empresas son las que contribuyen en mayor medida a la contaminación? 2. ¿Cuáles son los parámetros de mayor significancia o variabilidad por los diversos afluentes? 3. ¿Cuáles son los principales efectos que estos vertimientos pueden producir a corto, mediano y largo plazo? 4. ¿Qué acciones han tomado las autoridades ambientales? 5. ¿Que acciones han desarrollado las empresas? 6. ¿Qué actitud ha tomado la comunidad? 7. ¿Son suficientes estas acciones para disminuir los efectos negativos en un gran porcentaje? 8. Plantee o sugiera otro tipo de medidas que puedan contribuir a disminuir estos efectos ACTIVIDAD 3 Para la empresa seleccionada en la actividad (1), Diseñe el plan de muestreo y aforo, este plan debe contener: 1. Objetivos. 2. Recursos necesarios (técnicos, humanos, equipos) 3. Sitios de muestreo. 4. Técnicas empleadas para medir caudal en cada punto. 5. Parámetros físicos, químicos y biológicos a determinar de cada sitio (indicar cuáles parámetros se han de medir en sitio y cuáles en laboratorio). 6. Frecuencia de muestreo. Elabore un formato o guía que facilite la toma de datos y análisis de la información.

http://www.ideam.gov.co/publica/medioamb/cap12.pdf

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CAPITULO 2. GESTION DEL RECURSO HIDRICO Y NORMATIVIDAD AMBIENTAL

INTRODUCCION

Es mejor prevenir que curar, es quizás la frase que mas identifica este capítulo. El término prevención implica diseñar estrategias, aplicar técnicas y tecnologías que den como resultado la eliminación o disminución de los residuos líquidos, antes que diseñar, construir y operar un sistema de tratamiento, hay que encaminar esfuerzos a evitar que estos se generen. El capítulo esta dividido en tres lecciones: La primera lección Técnica para reducir y reciclar aguas residuales implican la disminución de agua que se usa en diversas aplicaciones, y / o la utilización del agua generada, en una aplicación compatible con su calidad. La segunda lección Técnicas de recuperación de subproductos y reutilización de agua describe diferentes opciones para reutilizar el agua residual tratada (no se vierte al medio receptor) y alternativas de aprovechamiento de subproductos que el agua contenga, siempre y cuando la sustancia recuperada tenga un valor agregado que justifique sus separación. La tercera Lección Normatividad Ambiental relaciona el marco jurídico, las normas, leyes, decretos, entes de control e instrumentos económicos vigentes en Colombia. OBJETIVOS GENERAL Plantear alternativas conducentes a disminuir el caudal de agua residual a verter al medio receptor. Relacionar la normatividad ambiental vigente para el recurso agua. ESPECIFICOS Comparar el modelo de producción limpia y el modelo tradicional aplicado en una empresa de alimentos. Describir y sugerir técnicas de reducción, reutilización y reciclaje de agua residual en diferentes empresas alimenticias. Plantear alternativas de aprovechamiento de subproductos extraídos del agua residual.

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Explicar la política ambiental colombiana, sus principios, decretos y resoluciones referentes al recurso agua. Relacionar los instrumentos económicos consagrados en la Constitución Colombiana para prevenir y controlar la contaminación hídrica. GENERALIDADES. Las tecnologías que tienen como objetivo minimizar la producción de cualquier efluente y, por tanto, prevenir la contaminación se encuadran en lo que se ha llamado "tecnologías limpias", o de "emisión cero". En las figuras 15 y 16 se muestran el modelo tradicional de producción caracterizado por una alta generación de residuos (líquidos, sólidos y gaseosos), sin ningún tipo de reciclaje o aprovechamiento de estos residuos, contrastado con el modelo de producción limpia más eficiente en el uso de los recursos y menos contaminante del medio receptor (aire, suelo, agua).

Procesos

de

Producción

Materia

Prima

Energía

Productos al Mercado

Residuos

Aire Suelo Agua

FIGURA No. 15 MODELO TRADICIONAL

Procesos

de

Producción

Materia

Prima

Energía

Productos al

Mercado

Residuos

Aire Suelo Agua

Recuperación

Tratamiento

FIGURA No. 16 MODELO DE PRODUCCIÓN LIMPIA

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Las acciones y actividades desarrolladas con el modelo de producción limpia son el fundamento de la gestión del recurso hídrico, o el uso eficiente del agua; el éxito o fracaso de la misma depende de: El conocimiento cualitativo y cuantitativo de las corrientes de agua producidas. La posibilidad de agrupación o segregación de efluentes La elección de los sistemas de tratamiento y aprovechamiento más adecuados. Es preciso, realizar un estudio minucioso de la planta industrial a la hora de planificar el aprovechamiento del agua en la misma ya que cualquier elemento peligroso que no se tenga en cuenta puede perturbar seriamente los tratamientos propuestos. La implementación de la política debe ser analizada considerando aspectos técnicos, económicos y jurídicos, el ingeniero de alimentos es el responsable de este análisis, así, sí el director de la planta está interesado en la recuperación de subproductos, el debe valorar los beneficios obtenidos con el valor agregado, frente a la inversión para el tratamiento y su control. En la tabla No 8 se resumen los beneficios y restricciones de la política de producción limpia: TABLA No 8. BENEFICIOS Y RESTRICCIONES DE LA POLITICA DE PRODUCCION LIMPIA

AREA BENEFICIOS RESTRICCIONES

Técnica Recuperación de subproductos comercializables

Necesidad adicional de control o tratamiento para cumplir con los requisitos de reutilización.

Uso benéfico del agua (en particular donde existe escasez de agua)

Ubicación del agua reutilizable.

Minimización del efecto en el medio ambiente.

Económica Reducción de capital en futuros proyectos de agua.

Mayor costo de operación y mantenimiento

Mejor imagen pública Disposición de los residuos.

Disminución de tasa retributiva

Jurídica Posible simplificación del proceso para obtención de concesiones, permiso de vertimiento.

Descargas mínimas y menor riesgo de conflictos con autoridades ambientales

Fuente: FREEMAN, Harry M. Manual de Prevención de la Contaminación Industrial. 1988, Pág. 594.

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Los siguientes pasos permiten tomar decisiones correctamente: 1. Realizar una evaluación en toda la planta, de la forma en que se utiliza el agua y de la

generación de aguas residuales. Revisar registros históricos si los hubiera, de lo contrario realizar un trabajo de campo que incluya muestreo y aforos.

2. Evaluar las áreas potenciales para conservar, reciclar y reutilizar agua: esta incluye:

Identificar las fuentes que puedan utilizarse para conservación, reciclaje y reutilización de agua.

Determinar los requisitos de calidad para el agua destinada a los procesos de reutilización/ reciclado seleccionado.

Comparar los requisitos de calidad del agua con los valores que se tenía en la actividad o que podría obtenerse mediante diversos grados de tratamiento.

Estudiar las ubicaciones y los flujos de desecho existentes.

Estimar los costos actuales del agua y del agua residual tratada. A continuación se presentan varias técnicas que pueden reducir el uso de agua potable y la generación de agua residual. 1. Técnicas de reducción de agua y de aguas residuales. 2. Reciclaje del agua 3. Recuperación de subproductos. 4. Reutización del agua. LECCION 6. TECNICAS PARA REDUCIR LAS AGUAS RESIDUALES DENTRO DE LA PLANTA. En términos generales estás técnicas implican la minimización de la cantidad de agua que se usa en diversas aplicaciones e incluyen: 1. Minimización del uso del agua en la planta de producción. 2. Minimización del consumo de agua para usos sanitario. 3. Capacitación del personal 6.1. MINIMIZACIÓN DEL USO DEL AGUA EN LA PLANTA DE PRODUCCIÓN. Esto se puede lograr si se modifica el proceso y/o se cambian algunas operaciones de la planta. a. Modificación en el proceso: Estos deben ser evaluados desde el punto de vista de

beneficios/costos, algunos ejemplos específicos:

Usar enjuagues de rocío a alta presión en lugar de tanques de inmersión.

Intercambiadores de calor enfriado por agua, por un sistema enfriado por aire.

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b. Cambio de las operaciones.

Mejorar las operaciones de limpieza de equipo mediante dispositivos adecuados de limpieza, chorros de aspersión de alta presión, coordinación del calendario de limpieza, métodos de limpieza y aseo.

Dispositivos mecánicos de limpieza (cauchos, limpiadores)

Maximizar la vida efectiva del agua de producción: se requiere análisis de las características del agua y tener un conocimiento claro de los intervalos de trabajo en la operación particular.

Optimizar el uso del agua: son actividades propias que permiten es uso más racional del agua:

Mejores sellos en bombas, tubos y válvulas. Automatización del control de flujo. Controles de nivel de agua apropiada Tapas y cubiertas sobre tanques. 6.2. MINIMIZACIÓN DEL USO DE AGUA PARA USO SANITARIO En nuestro medio es muy común encontrar servicio de agua potable para los sanitarios, es necesario plantear alternativas para emplear agua proveniente de otros procesos, adicionalmente la implementación de aparatos economizadores de agua. 6.3. CAPACITACIÓN DEL PERSONAL El éxito o fracaso de la administración correcta del agua depende en gran medida del recurso humano, de hay la importancia de un programa de capacitación, no solo para que el personal tome conciencia del buen uso del agua sino porque aplica y aporta ideas para la reducción y minimización de agua residual. Esta capacitación debe: Concienciar a todo el personal sobre el buen uso del agua. Capacitar al personal en las técnicas de reducción del agua residual y en los métodos para

minimizar el uso del agua. Establecer metas cuantificables para reducción. Definir las funciones y responsabilidades de los empleados. Alcanzar las metas de reducción de aguas residuales. LECCION 7. TECNICAS PARA RECICLAR LAS AGUAS RESIDUALES NO TRATADAS El reciclado implica el uso de Aguas Residuales no tratadas en una aplicación compatible con su calidad, acá esta la diferencia entre reciclado y reutilización, por lo general esta ultima implica o se somete a tratamiento antes de utilizarla en cualquier aplicación, con el reciclado del agua se esta ampliando de manera eficaz la vida útil del agua. El reciclado de aguas residuales varia de una industria a otra, ya que dependen de los requisitos de calidad del proceso que recibirá dichas aguas, debido a que el reciclado de las

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aguas residuales no implica tratamiento alguno, la cantidad de oportunidades es menor que en el caso de reutilización. En la tabla No 9 se presentan algunas alternativas de reciclado: TABLA NO. 9 POSIBLES APLICACIONES DEL RECICLADO DEL AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL

FUENTE AGUA RESIDUAL APLICACIÓN PARA EL RECICLADO

Purga de la torre de enfriamiento Purga de la caldera Agua de enjuague Agua de enfriamiento de un solo uso Condensado de tanques o procesos

Agua de lavado Agua de servicio público Agua del sello de tambor abocinado Refrigerante de la bomba Desecho del tanque de campo Relleno de Agua para el depurador Agua de relleno para calderas de baja presión Enjuague a contracorriente Estanque de enfriamiento Agua de enfriamiento para el compresor Agua de enfriamiento sin contacto Agua de proceso Agua de relleno para la caldera

Fuente: FREEMAN Harry M. Manual de la prevención de la contaminación Industrial.1.998. Pág. 604 Con frecuencia las aguas residuales de duchas y lavamanos pueden utilizarse para la irrigación, dependiendo de las características del suelo. LECCION 8. RECUPERACION DE SUBPRODUCTOS Esta se hace con el fin de regular la descarga contaminante hacia el medio ambiente, esto sugiere el diseño de una nueva línea de producción, con todos los análisis y nivel de detalle que esta sugiere. La decisión de recuperar subproductos obedece al análisis de criterios técnicos, económicos de normatividad. Entre los que se incluyen:

El valor del subproducto recuperado.

La factibilidad de recuperarlo a un costo razonable.

Tecnología apropiada.

Exigencias normativas vigentes. Para comprender mejor esta técnica veamos un ejemplo: La producción en gran volumen de suero es uno de los principales problemas medioambientales de las industrias lácteas, por cada litro de leche se genera aproximadamente 0,75 litros de suero. El suero es rico en vitamina C, complejo B y proteínas como la lacto albúmina y la lacto globulina, En la tabla 10 se muestra su composición.

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TABLA No. 10 COMPOSICIÓN DEL SUERO DULCE Y DEL SUERO ÁCIDO

COMPOSICION DEL SUERO DULCE Y DEL SUERO ACIDO (%)

Componentes Suero Dulce Suero Ácido

Humedad Grasa Proteínas Lactosa Sales Minerales

93 – 94 0,2 – 0,7 0,8 – 0,1 4,5 – 5,0 0,05

94 – 95 00,4 0,8 – 1,0 4,5 – 5,0 0,04

Fuente: Guía Ambiental para el Sector de la Industria Láctea. Corpochivor. 2001. Pág. 22. Aprovechando este valor nutricional, se presentan diferentes alternativas para su manejo. Sin embargo, debido a que tiene un alto contenido de lactosa, una humedad del 93 -94 % y un elevado número de microorganismos, rápidamente se originan fermentaciones indeseables, lo que hace necesario la aplicación de tratamientos previos:

Algunas alternativas de aprovechamiento del suero son:

Obtención de suero en polvo, mediante la concentración de los sólidos por evaporación y secado.

Obtención de suero en polvo desmineralizado, donde se eliminan previamente las sales minerales por intercambio iónico o por electro- diálisis.

Recuperación de la lactosa, obtenida por concentración, cristalización y separación.

Obtención de concentrados proteínicos, obtenidos por ultrafiltración del suero.

SEPARACION DE FINOS

SEPARACION DE GRASAS

ENFRIAMIENTO

ALMACENAMIENTO

Recuperación de caseína y la grasa

que aún contiene el suero

El suero es sometido a

enfriamiento a 4°C.

FIGURA No. 17 ETAPAS EN EL TRATAMIENTO DEL SUERO LÍQUIDO PARA SU CONSERVACIÓN

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Obtención de alcohol, vitamina B12, jarabes de glucosa y galactosa, lactosil, urea, amoniaco, lactatos y otros.

Producción de bebidas a partir del suero, que se combina con grasa de origen lácteo o vegetal.

Utilización del suero en la fabricación de helados.

Producción de quesos de suero

Conversión biológica del suero, mediante la fermentación por microorganismos convirtiendo la lactosa en ácido láctico.

LECCION 9. TECNICAS PARA REUTILIZAR EL AGUA RESIDUAL TRATADA La reutilización del agua residual depende de dos factores: 1. Calidad del agua residual reutilizada y la aplicación a la que esta se destine. 2. Tecnología de tratamiento empleada. En la tabla 11 se presentan algunas aplicaciones y posibles limitaciones par reutilizar el agua residual tratada. TABLA No. 11 APLICACIÓN PARA LA REUTILIZACIÓN DEL AGUA RESIDUAL Y POSIBLES RESTRICCIONES.

Aplicaciones para la reutilización de las aguas residuales

Posibles Restricciones

Irrigación agrícola Riego de cultivos Viveros comerciales

Contaminación del agua freática y superficial si no

se realiza en forma adecuada

Irrigación de jardines Parques Patios escolares Camellones en las avenidas Campos de golf Cementerios Zonas sembradas Residenciales

Comercialización de las cosechas y aceptación del público.

Efecto en la calidad del agua, en particular de las sales, sobre los sólidos y los cultivos.

Inquietud en la opinión pública en relación con lo elementos patógenos (bacterias, virus y parásitos)

Tal vez se necesiten controles para el área en que se use, entre ellos, zonas de amortiguamiento, lo cual eleva los costos para el usuario.

Reutilización en la Industria Agua de relleno para la torre de enfriamiento Agua de enfriamiento de un solo uso Agua de alimentación para calderas Agua en proceso

Constituyentes en el agua recuperadas que se

relacionan con la desincrustación, corrosión, crecimiento biológico y acumulación de depósitos.

Inquietudes respecto de la salud pública, en particular la transmisión por rocío de elementos patógenos en el agua de enfriamiento.

Recarga del manto freático Reabastecimiento del manto freático Control de la entrada de agua Salada Control de hundimientos

Sustancias químicas orgánicas en el agua residual

recuperada y sus efectos tóxicos; TDS, nitratos y elementos patógenos en el agua residual recuperada.

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Usos recreativos/ambientales Lagos y estanques Mejoramiento de pantanos Aumento del flujo de corrientes Zonas pesqueras

Inquietud acerca de las bacterias y virus Eutrofización debida al nitrógeno y fósforo

contenidos en las aguas receptoras. Toxicidad para la vida acuática.

Usos urbanos no potables Protección contra incendios Aire acondicionado Chorros de descarga para retretes

Preocupación por la salud pública debido a los

patógenos que se transmiten por los aerosoles. Efectos de la calidad de agua sobre la

desincrustación, corrosión, crecimiento biológico y acumulación de depósitos.

Conexiones cruzadas

Reutilización Potable Mezclado en el suministro de agua Depósito Suministro de agua por tuberías

Los componentes de agua residual recuperada, en

particular los residuos de sustancias químicas y sus efectos tóxicos.

Estética y aceptación del público Preocupación por la salud debido a la transmisión

de agentes patógenos, en particular de virus.

Fuente: FREEMAN, Harry M. Manual de Prevención de la Contaminación Industrial. 1988. Pág. 611 Las posibilidades de reutilización del agua residual son numerosas, sin embargo entre más contaminantes mas inversión en tratamiento y menos posibilidad de reutilización, en la tabla 12 se presentan diferentes tecnologías aplicables a la reutilización, generalmente estas se relacionan como tratamientos avanzados o terciarios del agua residual. TABLA No. 12 TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO APLICABLES PARA LA REUTILIZACIÓN DEL AGUA RESIDUAL.

Tecnología de tratamiento

Descripción Aplicaciones Limitaciones

Osmosis Inversa Emplea los principios de la ósmosis y las diferencias de presión para separar del agua las sales disueltas en una solución al filtrar el agua residual a través de una membrana semipermeable.

Remoción de DBO Sólidos Suspendidos Totales (SST), compuesto nitrogenados, y fósforo

Costo Desincrustación Sensibilidad al pH y a la temperatura. Tal vez se necesita un tratamiento previo. El concentrado tal vez necesite tratamiento o eliminarse.

Electrodiálisis La electrodiálisis concentra o separa las especies iónicas contenidas en una solución al hacerla pasar por membranas semipermeables que seleccionan iones.

Remoción del Sólidos Disueltos Totales (SDT) y recuperación de sales metálicas.

Precipitación química en la membrana. Tal vez se necesite un tratamiento previo. Costo

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Ultrafiltración Al igual que la ósmosis inversa, la ultrafiltración emplea membranas porosas que eliminan los materiales disueltos y coloídes de las soluciones; no obstante, la ultrafiltración trabaja a presiones menores y, por lo general, se limita a eliminar moléculas grandes.

Remoción de sólidos disueltos totales (SDT), turbidez y aceite.

Costo Desincrustación Sensibilidad al pH y a la temperatura. Tal vez se necesita un tratamiento previo.

Intercambio de iones

El intercambio de iones elimina iones específicos de una solución al intercambiarlos con los iones ligados a una resina de fórmula específica. La resina necesita retrolavado y regeneración una vez que ha alcanzado su capacidad.

Remoción de SDT, iones metálicos tóxicos; y reducción de la dureza al eliminar los iones de calcio y de magnesio.

Deben eliminarse las resinas y regeneradores agotados (es decir, ácidos, cáusticos o salinos). Altas concentraciones de sólidos suspendidos pueden disminuir la eficiencia de la resina.

Carbón activado El proceso de carbón activado utiliza carbón, ya sea granular o pulverizado, para tratar el agua residual y absorber muchos compuestos orgánicos e inorgánicos. Una vez alcanzada la capacidad del carbón, éste debe regenerarse.

Remoción de varios compuestos orgánicos e inorgánicos. Trata los desechos orgánicos (con altos puntos de ebullición, baja solubilidad y polaridad), hidrocarburos clorados y aromáticos. Captura los compuestos orgánicos volátiles en las mezclas de gas.

El costo como una función de la frecuencia de regeneración del carbón. La concentración del contaminante debe ser inferior a 10.000 ppm. Sólidos suspendidos: menos que 50 ppm. Sustancias inorgánicas disueltas, y aceites y grasa menos que 10 ppm.

Sedimentación La sedimentación es un proceso de asentamiento que permite que los sólidos más pesados se separen de una solución por gravedad.

Remoción de los sólidos más densos que el agua.

No es adecuado para aguas residuales constituidas por aceites emulsificados.

Filtración La filtración separa y elimina los sólidos suspendidos de una solución al hacerla pasar a través de un medio poroso (por ejemplo, tela, malla, material granular)

Deshidratación de sedimentos y pastas aguadas. Remoción de los sólidos suspendidos de los líquidos.

No es adecuado para reducir la toxicidad del agua residual. No es adecuado para sólidos gelatinosos. Limitaciones en la

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Tratamiento previo a la remoción de sólidos a fin de evitar la obstrucción de los siguientes dispositivos para el tratamiento (por ejemplo, intercambio de iones, ósmosis inversa, adsorción con carbón).

concentración de sólidos suspendidos de los líquidos.

Evaporación La evaporación es un proceso de separación física en el que se aplica energía para volatilizar una solución a fin de separar un líquido de los sólidos disueltos o suspendidos.

Tratamiento de los desechos de solventes que no tienen componentes volátiles (por ejemplo, aceite, grasa, resinas poliméricas, sólidos de pintura). Separación de los sólidos suspendidos y disueltos.

La eficacia depende de la volatilidad de la solución. Costo

Deshidratación La deshidratación incluye una serie de procesos físicos (por ejemplo, filtración al vacío, secado del sedimento, filtro de prensabanda) utilizados para reducir la humedad contenida en los sedimentos.

Reducción de la humedad contenida en los sedimentos.

Las limitaciones dependen del proceso de deshidratación que se utilice para el tipo particular de sedimento.

Fuente: FREEMAN, Harry M. Manual de Prevención de la Contaminación Industrial. 1988. Pág. 618-619 LECCION 10. NORMATIVIDAD AMBIENTAL La Constitución y la ley colombiana consagran los propósitos, derechos y procedimientos para proteger la vida y el ambiente, sin embargo la existencia de los mismos no garantiza su cumplimiento; así a diario se observa atentados contra la vida, contra el medio ambiente (emisiones atmosféricas, residuos líquidos y sólidos con presencia de elementos tóxicos), ríos convertidos en cloacas donde la única fauna son roedores insectos portadores de enfermedades patógenas.

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Los principios fundamentales de la legislación ambiental colombiana son. 1. Declaración de Estocolmo del 5 de junio de 1.972: se constituye en el origen de la política global de protección del medio humano, contenida en una proclamación de 7 puntos y 26 principios generales, por medio los cuales la ONU alerta sobre la necesidad de desarrollar una verdadera política de bienestar social. 2. Declaración de Río de Janeiro (1.992): La Declaración de Estocolmo fue retomada y mejorada. En ella se destacaron dos posiciones frente al medio ambiente: Unos proponían seguir desarrollando los países sin importar los daños ambientales que se suscitaron, otros decían que no se debían desarrollar los países a costa del aprovechamiento y deterioro del medio ambiente natural, para concluir en una posición que se denomina Desarrollo sostenible: Crecimiento económico con equidad social y ambiental. Principios constitucionales y Legales. La Constitución Política de 1991 consagró derechos y obligaciones relacionados con el deber de los ciudadanos de proteger los recursos naturales y creó las acciones correspondientes para lograrlo. Adicionalmente, se asignaron competencias a diferentes entes estatales para adelantar las tareas de planeación, prevención y defensa del medio ambiente. La reglamentación relacionada con la protección y el manejo de los recursos naturales se expidió con la promulgación en 1974 del Código de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente. Posteriormente se expidió la Ley 99 de 1993 por la cual se creó el Ministerio del Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, se organizó el Sistema Nacional Ambiental, SINA, y se establecieron los principios que rigen el ejercicio de las funciones ambientales de las entidades territoriales. En la Figura 18 se relaciona esta estructura.

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FIGURA No. 18 ESTRUCTURA DEL DERECHO AMBIENTAL COLOMBIANO

De acuerdo con la constitución las autoridades ambientales jerárquicamente son: 10.1. MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL El Ministerio del Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial es el organismo rector de la gestión del medio ambiente y de los recursos naturales renovables, y como tal, el encargado de definir las políticas y regulaciones para la recuperación, conservación, ordenamiento, manejo, uso y aprovechamiento de los recursos naturales renovables y el medio ambiente.

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10.2. CORPORACIONES AUTÓNOMAS REGIONALES Y UNIDADES AMBIENTALES URBANAS Las Corporaciones Autónomas Regionales son entes públicos, integradas por las entidades territoriales de áreas que constituyen un mismo ecosistema o que conforman una unidad geopolítica, biogeográfica o hidrogeográfica. Están dotadas de autonomía financiera y administrativa y cuentan con patrimonio propio. Las Unidades Ambientales Urbanas de los municipios, distritos o áreas metropolitanas con población mayor a 1’000.000 de habitantes ejercen las mismas funciones de las corporaciones autónomas regionales dentro del perímetro urbano. La misión prevista para las Corporaciones Autónomas Regionales, CAR, y para las Unidades Ambientales Urbanas, es la de ejercer como autoridades ambientales en sus respectivas áreas de jurisdicción, ejecutando dentro de un régimen de autonomía, las directrices generales establecidas por el Ministerio del Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial y cumplen las funciones de evaluación, control y seguimiento del uso de los recursos naturales. Sin embargo, las Corporaciones autónomas regionales podrán ser auditadas por la Contraloría General de la República, entidad que podrá realizar los ajustes estructurales necesarios para su correcto funcionamiento. Actividad Complementaria: Investigue Cuales son la corporaciones Autónomas, áreas de jurisdicción. Puede consultar la página del Ministerio de Medio Ambiente (www.minambiente.gov.co), o de alguna Corporación ej: www.corporinoquia.gov.co Algunas disposiciones legales referentes al recurso agua son:

Decreto 1594 de 1984, en el cual también se reglamentan los permisos de vertimiento y los criterios de calidad para la destinación del recurso.

Decreto 1541 de 1978: Las normas aplicables al régimen de aguas y al derecho a usarlas. Los ríos y todas las aguas que corren por cauces naturales son de uso público y su aprovechamiento, cualquiera sea el fin, requiere de una concesión que se sujeta a las disponibilidades del recurso.

Decreto 901 por el cual se reglamentan las tasas retributivas por utilización directa o indirecta del agua como receptor de los vertimientos puntuales y se establecen las tarifas de esta.

Resolución 0081 por la cual se adopta un formulario de información de tasas retributivas.

Resolución 273: Por la cual se fijan las tarifas mínimas de las tasas retributivas por vertimientos líquidos para los parámetros de DBO y SST.

Las diferentes leyes, decretos y resoluciones pueden ser consultadas en: www.minambiente.gov.co, www.ideam.gov.co. 10.3 INSTRUMENTOS ECONOMICOS La legislación colombiana provee de instrumentos económicos a las autoridades ambientales, a través del cobro de tasas retributivas, tasas compensatorias y tasas por uso

http://www.minambiente.gov.co/

http://www.ideam.gov.co/

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por ello es importante conocer el significado de cada una de ellas, que se deben tener en cuenta para liquidar los costos por el uso del agua en un proceso industrial en la transformación de alimentos. Tasa: Remuneración que deben pagar los particulares por cierto servicio que presta el estado. Diferencia entre Tasa e Impuesto: La tasa es una contraprestación por usar un servicio público, es voluntaria siempre y cuando se acceda al servicio. El impuesto es de obligatorio cumplimiento y no se está pagando un servicio específico ó retribuyendo una prestación determinada. Las tasas que contempla la legislación Colombiana son:

TASAS RETRIBUTIVAS Las tasas retributivas buscan una contraprestación por el efecto nocivo que se causa a los recursos como consecuencia de su utilización.

TASAS COMPENSATORIAS, por su parte, pretenden que el usuario del recurso pague los gastos de hacer renovable el mismo.

TASAS POR USO: El usuario paga por utilizar el recurso. En este sentido el gobierno nacional ha presentado a la consideración del Congreso de la República el proyecto de ley No. 365, “Ley del agua”, por el cual se establecen medidas para orientar la planificación y administración del recurso hídrico en el territorio nacional”.

El alcance de este módulo solo se dará información mas detallada de las tasas retributivas, queda a iniciativa del estudiante complementar información referente a los otros dos tipos de tasas. 10.3.1. Tasas Retributivas. La tasa retributiva tiene por objeto disminuir el nivel de contaminación. Por lo tanto se busca igualar la Tasa Retributiva con el Costo Marginal de Descontaminación este costo es el valor que habría que pagar para que el medio receptor después de recibido un agente contaminante retornará sus condiciones iniciales. Se basa en el principio “EL QUE CONTAMINA PAGA” Las Tasas Retributivas se entienden como el costo marginal que representa el utilizar un cuerpo de agua como “basurero” y su valor depende del usuario, quien decide si vierte más y paga más o disminuye sus vertimientos con base en un análisis costo-efectivo. La primera vez que se mencionan las tasas retributivas en la legislación ambiental Colombiana es en el Decreto 2811 de 1974, las cuales se podían cobrar a las “actividades lucrativas”. El Decreto 1594 de 1984 estableció una formula para el cobro de la tasa retributiva, cobrando la DBO5, DQO y SS a las entidades con animo de lucro. La Ley 99 de 1993 modifica la concepción de las tasas, ya que ellas deben reflejar el costo social causado

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por la contaminación, incluyendo el impacto negativo que generan las actividades productivas y no productivas sobre el bienestar de la comunidad y los recursos naturales. Cálculo de la Tarifa de las Tasas Retributivas (Según Decreto 901/97) El monto de la tasa retributiva se calcula así: TRj = Trj x Ccj x T j = Sustancia contaminante motivo del cobro (DBO5 y SST) TRj = Monto a cobrar por concepto de tasa retributiva por vertimiento Trj = Tarifa regional correspondiente a (j) en cada cuerpo de agua por parámetro Ccj = Carga contaminante diaria de las sustancias (kg/día) T = Período de descarga (mensual, trimestral, semestral) Trj = Tmj x Fr Tmj=Tarifa mínima Fr: Factor regional La tarifa mínima que fija el Ministerio (Tmi) se multiplica por el factor regional que es igual a 1 para la primera declaración de vertimientos (autodeclaración) y se incrementa 0,5 cada semestre si no se alcanza la meta de reducción (concertada entre empresa y corporación autónoma de la jurisdicción). Con esta política de incrementar semestralmente el valor a pagar por tasa retributiva el gobierno busca que para las empresas sea mas atractivo invertir en sistemas de tratamiento o depuración de aguas, que en pago semestral de la tasa. Calculo de la Tarifa de las Tasas Retributivas Las cargas contaminantes se calculan mediante el siguiente algoritmo: Ccj = Q x Cj x F Ccj = Carga contaminante diaria por sustancia (kg/día) Q = Caudal (L/s) Cj = Concentración de la sustancia contaminante mg/L. F = factor de conversión Ejemplo de cálculo de la carga contaminante: El análisis del agua residual vertida por una empresa X reportó los siguientes datos:

PARAMETRO CONCENTRACION (mg/L)

DQO 3,020

DBO 1,840

SOLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES (SST) 76

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El caudal promedio resultado del aforo volumétrico manual fue de 3,4 L/s. Con base en estas concentraciones estimar la carga contaminante mensual. Carga contaminante diaria (CCj) = Ci * Q; Para la DBO (kg/mes) CC = 1,840 (mg/L) *3,4 (L/s)*86,400 (s/día)*10-6 kg/mg* 30día/mes DBO (kg/mes) = 4,769.28. Para los otros contaminantes:

CONTAMINANTE CARGA (kg/mes)

DQO 26,614.65

DBO 16,215.55

Sólidos Suspendidos Totales (SST) 669.76

La legislación Colombiana prevee el cobro de la tasa retributiva por DBO y SST. (Resolución 273/97) Se han presentado varias discusiones sobre la efectividad de estas tasas para disminuir la contaminación, la comisión económica para América Latina CEPAL en su serie Medio Ambiente y Desarrollo No 47. “Evaluación del impacto de la tasa retributiva en el sector industrial colombiano” ilustra al respecto; invito a los estudiantes a analizar este documento. (Anexo) AUTOEVALUACION 2 ACTIVIDAD 4. Realice la lectura documento anexo “Guía Buenas Prácticas para el sector alimentos “ Haga un resumen del documento. Elabore un ensayo mínimo tres páginas en el cual trate los siguientes temas. 1. Componentes del sistema de gestión ambiental en la industria de alimentos. 2. Ventajas y desventajas para la implementación de sistemas de Gestión ambiental (recurso agua). 3. Indicadores de gestión hídrica Comparta con su pequeño grupo de trabajo el ensayo, elaboren un documento grupal en el que relacionen las diferentes reflexiones y preséntenlo a su tutor para su evaluación y retroalimentación.

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ACTIVIDAD 5. En pequeños grupos colaborativos, consulten con industriales, en la corporación de su jurisdicción, ONGs, a través de Internet las experiencias en el cobro y pago de la tasa retributiva. Exponga los diferentes puntos de vista de empresarios y autoridad ambiental, y plantee su propio punto de vista. Participe en un debate organizado por el tutor sobre el tema. Una ayuda para el desarrollo de esta actividad es el documento anexo.”Tasas Retributivas”

CAPITULO 3 OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO Y TRATAMIENTO PRIMARIO DEL AGUA RESIDUAL

INTRODUCCION En los capítulos anteriores se relacionaron los parámetros que permiten caracterizar el agua residual procedentes de las empresas, la diferencia en ellos supone por tanto distintas formas y métodos para depurarla; La selección del tratamiento dependerá del destino final dado al efluente tratado, la naturaleza del agua residual, la compatibilidad de las distintas operaciones y procesos, los medios disponibles de evacuación de los contaminantes finales y la posibilidad económica de las distintas combinaciones. El tratamiento del agua residual al igual que la transformación de una materia prima implica la combinación de operaciones unitarias y procesos unitarios, por lo cual se debe recordar la diferencia entre los dos. Las operaciones unitarias son aquellas etapas del proceso de tratamiento del agua que se realizan mediante la aplicación de fuerzas físicas, por lo tanto no hay cambios en su estructura química, mientras que un proceso unitario será aquel en el cual se presentan reacciones químicas obteniendo productos de características muy diferentes a la sustancia de origen. El capítulo a través de sus diferentes lecciones presenta los conceptos fisicoquímicos de las diferentes operaciones y procesos unitarios que constituyen el tratamiento primario y preliminar del agua residual. OBJETIVOS GENERAL Describir los fundamentos y conceptos fisicoquímicos de las operaciones y proceso unitarios mas empleados en el tratamiento del agua residual

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ESPECIFICOS.

Identificar las operaciones y procesos que hacen parte del pretratamiento y el tratamiento primario.

Explicar los principios y el funcionamiento de los diferentes equipos que conforman el tratamiento primario.

Determinar las características finales del agua después de ser sometida a tratamiento primario.

GENERALIDADES. La identificación de las etapas que componen un sistema de tratamiento de agua residual depende de las condiciones del agua, del nivel de tratamiento al que se quiera llegar y de factores como disponibilidad de área y equipos entre otros; esto quiere decir que no existe una única forma de hacer las cosas, todo lo contrario hay diversas combinaciones de operaciones y procesos unitarios que permiten obtener un efluente de buena calidad. Para facilitar la definición y diseño del diagrama de flujo del sistema de tratamiento, este se divide en tres fases cada una con un objetivo específico:

Pretratamiento y tratamiento primario, implica las operaciones y procesos que se realizan de forma previa y al inicio del tratamiento y buscan por lo general la separación y eliminación de elementos de gran tamaño, de materia orgánica fácilmente sedimentable; estos procesos tienen un efecto limitado de eliminación de la mayoría de especies biológicas presentes en el agua residual, sin llegar a reducir de forma eficaz la concentración de bacterias o virus contenidos en ella.

Tratamiento secundario, también llamado biológico consiste en la eliminación de la materia orgánica biodegradable soluble y coloidal y es llevado a cabo por procesos biológicos en presencia o ausencia de oxígeno.

Tratamiento terciario permite disminuir algunos de los componentes del agua residual que no es posible reducir mediante el tratamiento secundario. Puede llegar a eliminar una fracción elevada de los virus y las bacterias presentes en el afluente.

La figura No 19 presenta el diagrama general del tratamiento y en ella se pueden establecer las diferentes operaciones y proceso unitarios que conforman cada una de las etapas.

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De acuerdo con el tipo de afluente un sistema de tratamiento de aguas residuales puede estar constituido únicamente por unidades de pretratamiento y tratamiento primario. LECCION 11. OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO La etapa preliminar está destinada a la preparación o acondicionamiento de las aguas residuales con el objetivo específico de proteger las instalaciones, el funcionamiento de las obras de tratamiento y eliminar o reducir sensiblemente las condiciones indeseables relacionadas principalmente con la apariencia estética de las plantas de tratamiento. Dentro de las diferentes operaciones y procesos que hacen parte están: 11.1. DILACERACION: Es la trituración de sólidos gruesos en tamaños menores y más homogéneos. Esta operación se realiza para mejorar los procesos posteriores y evitar problemas que pueden causar los sólidos de diferente tamaño; los trituradores empleados constan básicamente de un tambor con ranura a través de las cuales pasan las aguas residuales, simultáneamente un conjunto de dientes cortadores va atravesando las ranuras y trituran el material partículado.

Sólidos suspensión Materia Orgánica Sales disueltas Coloides Biodegradable Microcontaminantes Aceites y grasas

Homogenización Neutralización Ajuste de pH Coagulación- floculación Sedimentación Flotación Desarenado Desaceitado

Tratamientos Biológicos Lodos activados Filtros biológicos Lagunaje Digestión Anaerobia Digestión aerobia

Procesos membrana Microfiltración Ultrafiltración Osmosis inversa Electrodiálisis Evaporación Interc. Iónico Adsorción C.A. Procesos Redox Precipitación química Arrastre aire/vapor Incineración

FIGURA No. 19 OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS DEL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

PRETRATAMIENTO TRATAMIENTO TRATAMIENTO Y TRATAMIENTO SECUNDARIO TERCIARIO PRIMARIO

Sólidos suspensión Materia Orgánica Sales disueltas Coloides Biodegradable Microcontaminantes Aceites y grasas

Homogenización Neutralización Ajuste de pH Coagulación- floculación Sedimentación Flotación Desarenado Desaceitado

Procesos membrana Microfiltración Ultrafiltración Osmosis inversa Electrodiálisis Evaporación Interc. Iónico Adsorción C.A. Procesos Redox Precipitación química Arrastre aire/vapor Incineración

FIGURA No. 19 OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS DEL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

PRETRATAMIENTO TRATAMIENTO TRATAMIENTO Y TRATAMIENTO SECUNDARIO TERCIARIO PRIMARIO

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11.2. HOMOGENIZACION DE CAUDALES: Cumple el objetivo de tener caudales de tratamiento iguales y concentración de contaminantes mucho más homogéneos. En la unidad uno del módulo se referencia las diferentes fluctuaciones que el caudal puede presentar, la homogenización permite disminuir ese problema.

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

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

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

3. Reducción de las superficies necesarias para la filtración del efluente, mejora de los rendimientos de los filtros y posibilidad de conseguir ciclos de lavado más uniformes.

4. En el tratamiento químico, el amortiguamiento de las cargas aplicadas mejora el control de la dosificación de los reactivos y la fiabilidad del proceso.

Aparte de la mejora de la mayoría de las operaciones y procesos de tratamiento, la homogeneización del caudal es una alternativa para incrementar el rendimiento de las plantas de tratamiento que se encuentran sobrecargadas.

Por lo anterior la localización del sistema de homogenización es clave y para cada empresa particular puede variar dependiendo del sistema de conducción de las aguas y de las características de las mismas. En ocasiones, se recomienda situar la homogeneización después del tratamiento primario y antes del biológico, pues así se reducen los problemas originados por el fango y las espumas. Si las instalaciones de homogeneización se sitúan por delante de la sedimentación primaria y del tratamiento biológico, el proyecto debe tener en cuenta la provisión de un grado de mezclado suficiente para prevenir la sedimentación de sólidos y las variaciones de concentración y dispositivos de aireación suficientes para evitar los problemas de olores.

El sistema de homogenización o igualación esta compuesto por un tanque impermeabilizado provisto de un sistema de mezcla para asegurar un igualamiento adecuado y para prevenir el asentamiento de sólidos.

11.3 DESBASTE: Consiste en la eliminación de sólidos gruesos y sedimentables por retención en las superficies, como son las rejas y los tamices. Una reja consiste básicamente de un sistema de barras paralelas inclinada o vertical, igualmente espaciadas y colocadas en la sección transversal del canal que conduce las aguas residuales. La rejilla siempre deberá estar antes de los sistemas de bombeo,

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sedimentador, desarenador para evitar que troncos de madera, sólidos suspendidos gruesos afecten el funcionamiento de estos sistemas. En algunas ocasiones, posterior al sistema de rejilla se utilizan tamices con aberturas más pequeñas para remover un porcentaje más alto de sólidos. Los tamices rotatorios consisten de tambores cilíndricos con una malla ajustada al área de circunferencia. El Agua Residual puede ir desde el interior hasta el exterior o viceversa. 11.4. DESARENADOR: Permite la retención y eliminación de arena, tierra, sólidos o partículas con gravedad especifica muy superiores a los del agua (cerca de 2,6). La remoción de estas partículas tiene como finalidad evitar obstrucciones en tubería, abrasión en bombas y formación de lodos, la separación se efectúa gracias a la fuerza de la gravedad, las unidades en las que se lleva acabo esta operación son los desarenadores. Los desarenadores pueden localizarse antes de todas las demás unidades de tratamiento y después del sistema de dilaceración y desbaste. El tipo de desarenador mas usado es el de flujo horizontal, en el cual el agua pasa a lo largo del tanque en dirección longitudinal. Este tipo de desarenador se diseña para una velocidad horizontal de flujo que permita el transporte de la mayor parte de las partículas orgánicas, pero permitiendo el asentamiento de material pesado inorgánico., así por lo general se diseñan para remover todas las partículas de diámetro mayor de 0,21 mm; si se toma como referencia la arena con una densidad relativa de 2,65, la velocidad de asentamiento es 1,15m / min. 11.5 NEUTRALIZACIÓN: Un sin número de descargas industriales ocurren en condiciones de acidez o alcalinidad que son incompatibles con las normas de descarga o con los procesos biológicos o físico químicos posteriores. La neutralización es un proceso unitario y puede utilizarse para los siguientes fines:

Ajuste final del pH del efluente último antes de la descarga al medio receptor: 5,5 - 9,0.

Antes del tratamiento biológico: pH entre 6,5 - 8,5 para una actividad biológica óptima.

Precipitación de metales pesados. Se debe buscar producir un efluente neutro para lo cual se realiza una reacción con ácidos o bases, los procedimientos más comunes son:

11.5.1. Neutralizar ácidos en lechos de caliza. La caliza se da en forma natural como piedras y tal nombre se refiere al carbonato de calcio. Los lechos pueden ser tanto de flujo ascendente como descendente.

Si hay ácido sulfúrico, la concentración de ácido no debiera exceder un 0,6% de H2SO4 para no formar una capa excesiva de CaSO4 (no reactiva) y se debe vigilar que la evolución de CO2 no sea excesiva (pues produce un efecto tampón)

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11.5.2. Mezcla de ácidos con lodos de cal. Se suele llamar "cal" al hidróxido de calcio, también citado como "cal viva" (cuando la "cal apagada" es el óxido de calcio). El grado de neutralización dependerá del tipo de cal utilizada. Si hay una fracción magnésica, la reacción de neutralización es muy rápida y llega a pH menor que 4,2.

La reacción de la cal se acelera -como muchas otras- por calor y por agitación física. En sistemas altamente reactivos, se requieren unos diez minutos. La cal se utiliza en lodos del 8 a 15 %.

Otros agentes neutralizantes (alcalinos) típicos son el NaOH, el Na2CO3 o el NH4OH.

11.5.3. Neutralización de Residuos alcalinos, también llamados básicos. Se puede utilizar cualquier ácido fuerte. Por consideraciones prácticas, la elección se limita a considerar el ácido sulfúrico (en la máxima dosis tolerable sin exceder la norma de descarga de sulfatos) y el ácido clorhídrico (para completar la neutralización). La reacción es prácticamente instantánea.

Si se dispone de gases de combustión con CO2 en el orden del 14%, se puede burbujear este gas en la solución alcalina. El CO2 establece un equilibrio con gas carbónico, HCO3

- cuya capacidad ácida se utiliza para neutralizar la carga alcalina. La reacción es -naturalmente- más lenta que la de los ácidos fuertes en fase líquida pero suele ser de mucho menor costo y aporta al abatimiento de la carga atmosférica de gases invernadero.

En una planta de aguas residuales el control de pH puede ser crítico, sin embargo esto no es fácil debido a:

Grandes fluctuaciones de caudal y pH en el afluente, lo que no permite un flujo uniforme de neutralizante.

El pH de un afluente industrial puede variar con cinéticas tan altas como 1 unidad de pH por minuto

Una pequeña dosis de neutralizante debe mezclarse con una cantidad relativamente enorme de líquido en un lapso breve.

LECCION 12. OPERACIONES DEL TRATAMIENTO PRIMARIO El tratamiento primario tiene como objetivo la remoción por medios físicos o mecánicos de una parte sustancial del material sedimentable o flotante, es capaz de remover no solamente la materia suspendida, sino también una fracción importante de la carga orgánica y que puede representar entre el 25% y el 40% de la DBO y entre el 50% y el 65% de los sólidos suspendidos. Las principales operaciones que conforman esta parte del tratamiento se tienen: 12.1. SEDIMENTACIÓN Es la separación por medio de asentamiento gravitacional, de las partículas en suspensión más pesadas que el agua.

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La sedimentación se utiliza como operación en varias etapas de la depuración de aguas residuales como en los desarenadores, decantación primaria luego de los procesos biológicos y en la precipitación química entre otras. La sedimentación puede ser muy diferente según el tamaño, peso y concentración de las partículas del agua residual. Se pueden considerar cuatro tipos diferentes de sedimentación: 1. Sedimentación Discreta 2. Sedimentación floculante 3. Sedimentación Zonal 4. Sedimentación por compresión Veamos los principios y diferencias de cada una de ellas. 12.1.1. Sedimentación Discreta. Aquí, las partículas sedimentan como entes individuales y no hay interacciones entre ellas (no chocan); no cambian de tamaño, forma o densidad. Este tipo de sedimentación se produce de una forma única en los desarenadores. En este caso la velocidad terminal de la partícula es:

(1)

donde v es la velocidad terminal; g la aceleración de gravedad; la densidad de la

partícula; la densidad del líquido; D el diámetro de la partícula y Cd el coeficiente de arrastre sobre la partícula. El coeficiente de arrastre se relaciona con las condiciones de flujo (mediante el número de Reynolds) pues puede ser resultado de las fuerzas viscosas o las inerciales.

Así: Re < 1 Cd = 24/Re

Re > 1000 Cd = 0,4

1 < Re < 1000 Cd = 24/Re + 3/Re1/2 + 0,34

Para las condiciones de flujo Re < 1, Cd = 24/Re, recordando Re = ( * v* D) / , Remplazando en (1) se obtiene:

(2),

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que constituye la ecuación que representa la ley de Stokes, y permite dimensionar el tanque de sedimentación.

La velocidad de caída de las partículas, se referencia contra una tasa de carga v0 o tasa de rebalse definida por la ecuación (3)

(3)

donde, Q es el flujo volumétrico a través del tanque, mientras que A es el área del mismo.

Todas las partículas cuya velocidad de sedimentación, v, exceda v0 serán completamente removidas del caudal. Aquellas partículas cuya velocidad de sedimentación sea menor, serán parcialmente removidas en la razón de v/v0.

En general, en un residuo industrial que exceda la norma legal de sólidos suspendidos se encontrará una diversidad de tamaños de partículas y el diseñador debe seleccionar aquella velocidad de diseño que permite remover sólidos en el grado necesario, o buscar medios para homogenizar un poco, por ejemplo, mediante desbaste o una filtración.

La profundidad de un sedimentador, por otra parte, se debe obtener de otras consideraciones, asociadas a:

Tiempo de residencia hidráulico que se puede sostener para el agua residual (por ejemplo, en algunos casos se podría producir putrefacción);

Costos de construcción (la profundidad significa costos); con la capacidad de retención del sólido separado (a mayor volumen de estanque, mayor será la capacidad de retener el sedimento dentro del estanque, disminuyendo la frecuencia de retiro de ese material).

12.1.2. Sedimentación floculante. En ésta, los sólidos en suspensión se deben flocular, mediante una unión entre las partículas para que adquieran suficiente peso para sedimentar. Son sustancias mucho mas pequeñas que en el caso de sedimentación discreta La gran mayoría de los sólidos presentes en las aguas residuales caen dentro de este tipo de sedimentación, su carácter orgánico les da la posibilidad de adherirse entre sí, de esta forma la velocidad de sedimentación aumenta a medida que descienden

Dada la naturaleza de las asociaciones entre partículas, no es posible calcular las velocidades de sedimentación con la ecuación de Stokes, y es necesario medirlas en un laboratorio.

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FIGURA No 20 MÉTODO PARA MEDIR VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN

FLOCULANTE

La medición se realiza en una columna estándar, de unos 15 cm de diámetro y unos 2,5 m de altura. La columna debe disponer, cada 50 cm, de salidas laterales para la toma de muestras a las que se les determina el contenido de sólidos suspendidos. La figura de la derecha contiene una reseña de este tipo de columnas (dimensiones en centímetros). En cada uno de los puntos de toma de muestras se colecta un pequeño volumen, a una frecuencia dada (cada 10 minutos, por ejemplo), durante unas 2 horas (si fuese necesario). A estas muestras se les determina el contenido de sólidos suspendidos, a fin de organizar los puntos en una gráfica (o para alimentar un modelo matemático, que es lo mismo).

Los puntos de dicha gráfica permiten diseñar un conjunto de curvas suaves que muestran los porcentajes de remoción en cada punto de muestra en función del tiempo. Estas curvas suaves indican las velocidades de sedimentación (para diversos tamaños de flóculos que no se especifican) que se utilizan para diseño (es decir, en el diseño se debe elegir a que velocidad de rebalse operar para remover un porcentaje de sólidos proyectado

Las tazas de rebalse pueden alcanzar valores entre 20 y 50 m3/d/m2 (unidades que, de simplificar por m2, serían m/d; pero, se suelen usar en m3/d/m2 a fin de enfatizar que se trata de la razón de caudal volumétrico a área de sedimentación).

12.1.3. Sedimentación Zonal. En este tipo de sedimentación las partículas que precipitan interactúan entre sí, de tal forma que una porción de ellas lo hacen con otra porción, sedimentando en conjunto como una unidad o zona espacial. Este tipo de sedimentación se produce generalmente en los tanques de decantación secundaria, posteriormente al tratamiento biológico, así como en los tanques de sedimentación de la precipitación química.

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12.1.4. Sedimentación por compresión. La comprensión implica la formación de una estructura de partículas sedimentadas que precipitan al comprimirse adquiriendo una mayor estructura. La compresión ocurre por el peso de las partículas que sedimentan desde la superficie hacia los lodos. Este tipo de sedimentación se produce poco en los tanques de tratamiento primario pero es más importante en los de sedimentación secundaria y en los de precipitación química. Conforme avanza la sedimentación, crece la densidad de sólidos en la parte inferior de la columna de líquido y este aumento de densidad dificulta la sedimentación. Además, en el fondo de la columna los sólidos se comprimen y forman una masa más bien espesa. No es fácil encontrar los anteriores fenómenos de precipitación completamente puros; suelen ocurrir algunos simultáneamente, como se evidencian en la figura 21.

LECCION 13. FLOTAClON

La flotación es una operación unitaria que se emplea para la separación de partículas sólidas o líquidas de una fase líquida, mediante la introducción de pequeñas burbujas, 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

FIGURA No. 21 ESQUEMA DE LAS ZONAS DE SEDIMENTACIÓN PARA UN FANGO ACTIVADO.

Pr

of

u

n

d

i

da

d

Zona de Agua clarificada

Zona sedimentación discreta (tipo 1)

Zona sedimentación discreta (tipo 2)

Zona compresión

(Tipo 4)

Zona sedimentación

Retardada (Tipo 3)

Tiempo Cilindro

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líquido. De esta forma, es posible llevar a la superficie partículas cuya densidad es mayor que la del líquido, de aquellas partículas con menor densidad como el caso de las de aceite.

En el tratamiento de aguas residuales, la flotación se emplea para la eliminación de la materia suspendida y para la concentración de los fangos 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 deposición es lenta. Una vez las partículas se hallan en superficie, pueden recogerse mediante rascado superficial.

La aplicación práctica de la flotación en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales 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:

1. 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 FAD).

2. Aireación a presión atmosférica (flotación por aireación).

3. Saturación con aire a la presión atmosférica, seguido de la aplicación del vacío al líquido (flotación por vacío).

En todos estos sistemas, es posible mejorar el grado de eliminación y rendimiento mediante la introducción de aditivos químicos.

13.1. FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO FAD.

En los sistemas FAD (Flotación por Aire Disuelto), el aire se disuelve en el agua residual a una presión de varias atmósferas, y a continuación se libera la presión hasta alcanzar la atmosférica. En las instalaciones de pequeño tamaño, se puede presurizar a 275-230 kPa mediante una bomba la totalidad del caudal a tratar, añadiéndose el 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, enseguida el líquido 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 de 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. 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 flotación por aire disuelto se centran en el tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de fangos.

13.2. 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

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cortos periodos 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.

13.3. FLOTACIÓN POR VACÍO.

La flotación por vacío consiste en saturar de aire el agua residual (1) directamente en el tanque de aireación, o (2) 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 a la superficie formando una capa de espuma que se elimina mediante un mecanismo de rascado superficial. La arena y demás sólidos pesados, que se depositan en el fondo, se transportan hacia una zona central de fangos para su extracción por bombeo. En el caso de que la instalación esté prevista para la eliminación de las arenas y si el fango ha de ser digerido, es necesario separar la arena del fango en un clasificador de arena antes del bombeo a los digestores.

LECCION 14. FILTRACION

La filtración se emplea, de modo generalizado, para conseguir una mayor eliminación de sólidos en suspensión (incluida la DBO partículada) de los efluentes de los procesos de tratamiento biológicos y químicos, y también se emplea para la eliminación del fósforo precipitado por vía química.

La operación 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, la fase de lavado es bastante diferente en función de sí el filtro es de funcionamiento continuo o semicontinuo. Tal como expresan sus nombres, en los filtros de funcionamiento semicontinuo la filtración y el lavado son fases que se dan una a continuación de la otra, mientras que en los filtros de funcionamiento continuo ambas fases se producen de forma simultánea.

En los filtros semicontinuos la filtración en la que se elimina la materia particulada, se lleva a cabo haciendo circular el agua través de un lecho granular, con o sin la adición de reactivos químicos. Dentro del estrato granular, la eliminación de los sólidos en suspensión contenidos en el agua residual se realiza mediante un proceso en el que intervienen uno o más mecanismos de separación como el tamizado, interceptación, impacto, sedimentación y adsorción.

El final del ciclo de filtrado (fase de filtración), se alcanza cuando empieza a aumentar el contenido de sólidos en suspensión en el efluente hasta alcanzar un nivel máximo aceptable, o cuando se produce una pérdida de carga prefijada en la circulación a través del lecho filtrante. Idealmente, ambas circunstancias se producen simultáneamente. Una vez se ha

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alcanzado cualquiera de estas condiciones, se termina la fase de filtración, y se debe lavar el filtro a contracorriente para eliminar la materia (sólidos en suspensión) que se ha acumulado en el seno del lecho granular filtrante. Para ello, se aplica un caudal de agua de lavado suficiente para fluidificar (expandir) el medio filtrante granular y arrastrar el material acumulado en el lecho. Para mejorar y favorecer la operación de lavado del filtro, suele emplearse una combinación de agua y aire. En la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales, el agua de lavado, que contiene los sólidos en suspensión que se eliminan en el proceso de filtración, se retorna a las instalaciones de sedimentación primaria o al proceso de tratamiento biológico.

14.1. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE FILTRACIÓN.

Los principales tipos de filtros de medio granular se clasifican atendiendo a:

(1) tipo de funcionamiento;

(2) tipo de medio filtrante empleado;

(3) sentido de flujo durante la fase de filtración;

(4) procedimiento de lavado a contracorriente

(5) método de control del flujo.

14.1.1. Según Tipo de funcionamiento. En relación con el tipo de funcionamiento, los filtros se pueden clasificar en continuos y semicontinuos. Los filtros semicontinuos se mantienen en funcionamiento hasta que se empieza a deteriorar la calidad del efluente o hasta que se produce una pérdida de carga excesiva en el filtro .Cuando se alcanza este punto, se detiene el filtro y se procede a su lavado para eliminar los sólidos acumulados. En los filtros continuos, los procesos de filtración y lavado se llevan a cabo de manera simultánea.

14.1.2. Según el Sentido del flujo durante la filtración. Los principales tipos de filtros empleados para la filtración de efluentes de aguas residuales se pueden clasificar en filtros de flujo ascendente y filtros de flujo descendente. El más común es el filtro de flujo descendente.

14.1.3. Según Tipos de materiales filtrantes y configuración de los lechos filtrantes. Los principales tipos de configuración de los lechos filtrantes empleados actualmente para la filtración de aguas residuales se pueden clasificar en función del número de capas de material filtrante, lo cual da lugar a los filtros de una única capa, los de doble capa y los filtros multicapa. En filtros de flujo descendente convencionales, los tamaños de los granos de cada capa se distribuyen, de menor a mayor, después del lavado a contracorriente. En los filtros que cuentan con más de una capa, el grado en que se mezclan los materiales de las diferentes capas depende de la densidad y de la diferencia de tamaños entre los granos del material que compone cada una de las capas.

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Los lechos filtrantes de doble y triple capa, así como los de capa única profundos, se desarrollaron para permitir que los sólidos en suspensión presentes en el líquido a filtrar puedan penetrar a mayor profundidad dentro del lecho filtrante, con lo cual se aprovecha más la capacidad de almacenamiento de sólidos dentro del filtro. En cambio, en los filtros de capa única poco profundos, se ha podido comprobar que gran parte de la eliminación de sólidos en suspensión se produce en los primeros milímetros de la capa filtrante. El hecho de que los sólidos penetren a mayor profundidad, también permite ciclos de filtración más largos, puesto que se reduce el ritmo de aumento de las pérdidas de carga producidas

14.1.4. Según Presión actuante en la filtración. Tanto la fuerza de la gravedad, como la creada por una presión aplicada, se pueden emplear para vencer la resistencia por fricción creada por el flujo que circula a través del lecho filtrante. Los filtros de gravedad del tipo indicado son los más comúnmente empleados en la filtración de efluentes tratados en plantas de tratamiento de gran tamaño. Los filtros a presión funcionan igual que los de gravedad y se emplean en plantas pequeñas .La única diferencia entre ambos consiste en que, en los filtros a presión, la operación de filtrado se lleva a cabo en un depósito cerrado, bajo condiciones de presión conseguidas mediante bombeo. Los filtros a presión suelen funcionar con mayores pérdidas de carga máximas admisibles, lo cual conduce a ciclos de filtración más largos y a menores necesidades de lavado.

14.1.5. Según variaciones de caudal: Se dividen en filtración a caudal constante y a caudal variable.

Filtración a caudal constante. En el proceso de filtración a caudal constante el control del caudal de entrada se realiza mediante vertederos o bombeo, mientras que el control del caudal efluente se lleva a cabo mediante la instalación de una válvula de accionamiento manual o automático. Al inicio del ciclo, gran parte de la fuerza actuante disponible se disipa en la válvula, que se encuentra casi cerrada. Al irse incrementando la pérdida de carga en el paso por el filtro, la válvula se va abriendo progresivamente. Dado que las válvulas de control necesarias son elementos caros y que se han producido diversos problemas de funcionamiento con estos elementos, se han desarrollado sistemas alternativos de control del caudal cuyo uso está más extendido, como los vertederos y los sistemas de bombeo

Filtración a caudal variable. En el proceso de filtración a caudal variable, el caudal que pasa a través del filtro va disminuyendo conforme aumenta la pérdida de carga. El control del caudal que circula por el filtro también se puede llevar a cabo, tanto a la entrada del filtro como a la salida. Cuando el caudal alcanza el valor del caudal mínimo de proyecto, se detiene el filtro y se procede a su lavado.

14.2. VARIABLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN.

En la aplicación de la filtración para la eliminación de sólidos en suspensión remanentes, se ha comprobado que las variables más importantes del proceso de diseño son, la naturaleza de las partículas presentes en el agua a filtrar, el tamaño del material o materiales que componen el filtro, y el caudal de filtración.

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14.2.1. Características del agua a filtrar. Las características más importantes del agua a filtrar son la concentración de sólidos en suspensión, el tamaño y la distribución de tamaños de las partículas, y la consistencia de los flóculos. Generalmente, la concentración de sólidos en suspensión en el efluente de plantas de fangos activados y de filtros percoladores varía entre 6 y 30 mg/L. Debido a que esta concentración suele ser el parámetro de mayor interés, para el control práctico del proceso de filtrado se suele emplear el valor de la turbidez. Se ha podido comprobar que, dentro de ciertos límites, existe una correlación entre la concentración de sólidos en suspensión en las aguas residuales tratadas y los valores medidos de la turbidez.

14.2.2. Características del medio filtrante. La característica del medio filtrante que más afecta al proceso de filtración es el tamaño del grano. El tamaño del grano afecta tanto a la pérdida de carga en la circulación del agua a través del filtro como a la tasa de variación de dicho aumento durante el ciclo de filtración .Si el tamaño de grano efectivo del medio filtrante es demasiado pequeño, la mayor parte de la fuerza actuante se empleará para vencer la resistencia de fricción provocada por el lecho filtrante, mientras que si el tamaño efectivo es demasiado grande, muchas de las partículas de menor tamaño presentes en el agua a filtrar pasarán directamente a través del filtro sin ser eliminadas.

14.2.3. Velocidad de filtración. La velocidad de filtración es un parámetro importante por cuanto afecta a la superficie necesaria del filtro. Para una aplicación dada del filtro, la velocidad de filtración dependerá de la consistencia de los flóculos y del tamaño medio de grano del lecho filtrante. Por ejemplo, si los flóculos son de débil consistencia, las velocidades de filtración elevadas tenderán a romper los flóculos y a arrastrar gran parte de los mismos a través del filtro. Se ha observado que las velocidades de filtración dentro del intervalo de 4,8 a 19,2 m3 /m2. h, no afectan la calidad del efluente del filtro, debido a la propia resistencia del floculo biológico.

14.2.4. Mecanismos de eliminación de las partículas. Los principales mecanismos de eliminación y retención de partículas se resumen a continuación:

TABLA No. 13 MECANISMOS DE ELIMINACIÓN Y RETENCIÓN DE PARTÍCULAS

MECANISMO DESCRIPCION

RETENCION

MECANICA

Las partículas de mayor tamaño que el poro del medio son retenidas mecánicamente

CONTACTO ALEATORIO

Las partículas de tamaño menor que los poros del medio filtrante quedan atrapadas dentro del filtro por contacto aleatorio

SEDIMENTACIÓN Las partículas sedimentan sobre el medio filtrante

IMPACTO Las partículas pesadas no seguirán las líneas de corriente del medio filtrante

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INTERCEPCIÓN Muchas de las partículas que se mueven según las líneas de corriente se eliminan cuando entran en contacto con la superficie del medio filtrante

ADHESION Las partículas floculentas llegan a adherirse a la superficie del medio filtrante al pasar por el. Dada la fuerza creada por el agua que fluye, parte de la materia es arrastrada antes de quedar firmemente adherida y es transportada a zonas mas profundas dentro del lecho. Al obturarse el lecho, la fuerza de arrastre superficial aumenta hasta un punto en el que no se puede eliminar mas materia. Es posible que una cierta cantidad de material atraviese el fondo del filtro, causando la aparición de turbidez en el efluente.

ADSORCIÓN Una vez una partícula ha entrado en contacto con la superficie del medio filtrante o con otras partículas, estas pueden ser adsorbidas por fuerzas químicas, electrostáticas, electrocinéticas.

FLOCULACION Las partículas mayores alcanzan a las menores, se juntan con ellas y forman partículas de tamaños aún mayores. Estas partículas son posteriormente separadas por algunos de los mecanismos de eliminación indicados anteriormente.

CRECIMIENTO BIOLOGICO

El crecimiento biológico dentro del filtro reducirá el volumen del poro y puede mejorar la eliminación de partículas mediante alguno de los mecanismos de eliminación antes mencionados.

Fuente: Metcalf & Eddy. Ingeniería de Agua Residuales. Tomo 1, México 1996. Pág. 298.

LECCION 15 TRANSFERENCIA DE GASES - AIREACION

Otro de los procesos importantes es la transferencia de gases; ésta se puede definir como el fenómeno mediante el cual se transfiere gas de una fase a otra, normalmente de la fase gaseosa a la líquida. Es una componente esencial de gran número de los procesos de tratamiento del agua residual. Por ejemplo, el funcionamiento de los procesos aerobios, tales como la filtración biológica, los fangos activados y la digestión aerobia, depende de la disponibilidad de cantidades suficientes de oxígeno. Para alcanzar los objetivos de desinfección se transfiere cloro en forma gaseosa a una disolución en agua. Es frecuente añadir oxígeno al efluente tratado después de la cloración (postaireación). Uno de los procesos de eliminación de los compuestos del nitrógeno consiste en la conversión del nitrógeno en amoníaco y la posterior transferencia del amoníaco al aire

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A continuación se presentan los conceptos fundamentales de transferencia de gas desde la fase vapor a la fase disolución, estos aplican a un gran número de procesos fisicoquímicos, y biológicos: El proceso de la disolución de un gas en el agua se trata generalmente como una transferencia de materia que ocurre en cuatro pasos: El primero implica el paso del gas a través de la fase vapor hacia la interfase gas- liquido. El segundo corresponde a el paso del gas a través del vapor que forma la interfase gas- liquido, el tercero es la transferencia a través de la película liquida situado en el liquido de la interfase, en el cuarto el gas debe dispersarse en la masa principal de la solución. En la figura 22 se esquematiza este proceso.

Desde luego estos cuatro pasos se dan a velocidad diferente, por tanto la velocidad de transferencia estará controlada por el paso mas lento así: Cuando la masa principal de la disolución en la cual el gas se esta disolviendo esta suficientemente agitada, la etapa que controla la velocidad en el proceso de transferencia global será posiblemente el paso del gas a través de la interfase gas-liquido, lo contrario ocurre si las condiciones son de estanqueidad o muy poco agitados, en este caso el controlador de velocidad será el paso de gas a la solución. La aplicación más común de la transferencia de gases consiste en la transferencia de oxígeno, acá se relacionan diversas operaciones en las cuales se requiere:

FASE

VAPOR

CONCENTRACION DE

OXIGENO

PELICULA GAS

PELICULA LIQU

FASE

SOLUCION

x c

c

p

o

FIGURA No. 22 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LA TRANSFERENCIA DEL OXIGENO EN CUATRO PASOS DESDE LA FASE VAPOR A LA FASE SOLUCIÓN.

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1. Durante un corto tiempo como pretratamiento para aumentar la eficacia de los tratamientos posteriores como oxidación biológica y sedimentación. La preaireación es particularmente útil en caso que el agua de entrada carezca de oxigeno disuelto y exista elevada concentración de sulfuros disueltos.

2. La flotación con aire es otra aplicación, y se usa para eliminar grasa, sólidos y concentrar

fangos. 3. En los procesos de tratamiento biológico el aire se utiliza con dos fines: primero

suministrar el oxigeno metabólico necesario en el tratamiento de los organismos, y segundo procurar mezclado dentro de las cámaras. Algún tipo de aireación forzada se utiliza para tanques de aireación de fangos activados, lagunas de aireación y en fosas de oxidación, con estos propósitos.

El aire es una mezcla de gases, compuesto principalmente por nitrógeno (79 %) y oxigeno (21 %) con menores porcentajes de anhídrido carbónico, agua y gases nobles. La solubilidad del mismo en el agua se puede definir por la ley de Henry, la cual establece que para soluciones diluidas en equilibrio, la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas en equilibrio con la solución. Matemáticamente se expresa: Pi = K” * Xi; Pi = Presión parcial del gas. Xi = Fracción molar del gas disuelto en el Líquido. K” = es la constante de proporcionalidad, depende de la naturaleza del gas y la temperatura. La ley de Henry solo se cumple para soluciones diluidas, y su aplicación se extiende a gas como O2, N2, H2 y He en agua. Es más común expresar la solubilidad de un gas en un líquido, en función de la concentración en mol/L, en este caso la ley de Henry se puede escribir como: S = Kh * Pi, Donde S es la concentración del gas en la solución, Pi la presión parcial del gas y Kh, la constante de proporcionalidad o coeficiente de absorción. La solubilidad es función de la presión parcial del gas presente en la atmósfera que esta en contacto con el agua, de la temperatura del agua y de la concentración de impurezas. La solubilidad de un gas disminuye al aumentar la temperatura y la concentración de impurezas iónicas. La tabla No. 14 se ilustra el efecto de la temperatura sobre la solubilidad, los coeficientes de absorción Kh, de los diferentes componentes del aire.

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TABLA No. 14 SOLUBILIDADES DE GASES EN EL AGUA PARA DIFERENTES TEMPERATURAS

Temperatura Coeficiente de absorción (ml/L)

°C °F Aireb Oxigeno Nitrógeno Dióxido de carbono

0 5 10 15 20 25 30 35 40

32 41 50 59 68 77 86 95 104

29,2 25,7 22,8 20,6 18,7 17,1 15,6 - -

48,9 42,9 38,0 34,2 31,0 28,3 26,1 24,4 23,1

23,5 20,9 18,6 16,9 15,5 14,3 13,4 12,6 11,8

1713 1424 1194 1019 878 759 665 592 530

a Handbook of Chemistry and Physics b Sin dióxido de carbono y amoníaco Fuente: Walter J. Weber. Control de la Calidad del Agua. Procesos fisicoquímicos. Pág. 527

Dada la reducida solubilidad del oxígeno y por tanto la baja velocidad de transferencia, en muchas ocasiones la cantidad de oxígeno que penetra en el agua a través de la interfase aire-superficie del líquido no es suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno del tratamiento aerobio, es preciso generar condiciones adicionales para aumentar la transferencia de oxigeno, inyectando burbujas de oxígeno puro, o atomizando el agua permitiendo mayor área de contacto entre aire – agua.

En la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales, la aireación se lleva a cabo mediante la dispersión de burbujas sumergidas a profundidades de hasta 10 m. En algunos diseños se han llegado a introducir las burbujas a profundidades superiores a los 30 m. Los diferentes sistemas de aireación incluyen placas y tubos porosos, tubos perforados, y diferentes configuraciones de difusores metálicos y de plástico. También se pueden emplear aparatos de cizalladura hidráulica, que rompen las burbujas en burbujas de menor tamaño al hacer circular el fluido a través de un orificio. Los mezcladores de turbina se pueden emplear para dispersar burbujas de aire introducidas en el tanque bajo el centro del elemento impulsor.

Los aireadores de superficie, método alternativo para la introducción de grandes cantidades de oxígeno, consisten en turbinas de alta o de baja velocidad o en unidades flotantes de alta velocidad que giran en la superficie del líquido parcialmente sumergidas. Estos aireadores se proyectan, tanto para mezclar el contenido del tanque, como para exponer el líquido a la acción de la atmósfera en forma de pequeñas gotas. En la tabla 15 se relacionan estos sistemas:

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TABLA No. 15 TIPOS DE AIREADORES

Clasificación Descripción Uso o aplicación

Sumergido

Poroso (burbujas Finas)

Burbujas Generadas por tubos y placas de cerámica porosos, fabricados con productos cerámicos vitrificados y resinas

Todos los procesos de fango activado

Poroso (burbujas Medianas)

Burbujas generadas con membranas elásticas o tubos de plástico perforados


No poroso (burbujas gruesas)

Burbujas generadas con orificios inyectores y toberas


Mezclador estático Tubos cortos con deflectores interiores diseñados para retener el aire inyectado por la parte inferior del tubo en contacto con el agua.

Laguna de aireación y procesos de fango activado

Turbina sumergida Consiste en una turbina de baja velocidad y sistema de inyección de aire comprimido


Tobera a chorro Aire comprimido inyectado en el liquido mezcla al ser bombeado bajo presión a través de una tobera


Turbina de baja velocidad

Turbina de gran diámetro utilizada para promover la exposición de las gotas de liquido a la atmósfera

Laguna de aireación y procesos de fango activado

Aireador flotante de alta velocidad

Hélice de pequeño diámetro que se usa para promover la exposición de las gotas de agua a la atmósfera

Lagunas aireadas

Aireador de rotor horizontal

Las paletas montadas sobre un eje central giran en el seno líquido. El oxigeno se introduce en un liquido por la acción de salpicadura creada por las paletas y por la exposición de las gotas del liquido a la atmósfera

Zanja de oxidación canales de aireación y lagunas aireadas

Cascada El agua residual fluye por encima de una lámina, en cascada a baja altura.

Post-aireación

Fuente: Metcalf & Eddy. Ingeniería de Aguas Residuales. Tomo 1. 1996. Pág. 316

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15.1. COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN

La Coagulación consiste en la desestabilización de las partículas coloidales, empleando productos químicos (coagulantes) que neutralizan la carga eléctrica de los coloides; la Floculación consiste en la agrupación de las partículas coloidales desestabilizadas, formando agregados de mayor tamaño denominados “flóculos”, los cuales sedimentan por gravedad. Para favorecer la formación de flóculos más voluminosos y mejorar su sedimentación, se suelen utilizar determinados productos químicos (floculantes), generalmente de naturaleza polimérica. Estos floculantes establecen puentes de unión entre los flóculos inicialmente formados. La coagulación es un proceso químico mientras la floculación es una operación unitaria. Los principales compuestos químicos usados como coagulantes se relacionan en la tabla No. 16

TABLA No. 16 PRODUCTOS QUÍMICOS EMPLEADOS EN EL TRATAMIENTO DEL

AGUA RESIDUAL

Producto químico Fórmula

Sulfato de alúmina Al2(S04)3 18H2O

Al2(S04)3. l4H2O

Cloruro férrico FeCI3

Sulfato férrico Fe2(S04)3

Fe2(S0)3 3H20

Sulfato ferroso (caparrosa)

FeS04. 7 H20

Cal Ca(OH)2

Fuente: Metcalf & Eddy Ingeniería de Aguas Residuales. Tomo 1. 1996. Pág. 346.

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Sulfato de alúmina. Sí el agua contiene alcalinidad en forma de bicarbonatos de calcio o magnesio la reacción es la siguiente:

El hidróxido de aluminio insoluble es un floculo gelatinoso que sedimenta lentamente en el agua residual, arrastrando materia suspendida.

Cal. Las reacciones son las siguientes:

Sulfato de hierro y cal.

La reacción del sulfato en ausencia de cal es:

Si es agregada cal en forma de hidróxido:

Posteriormente ocurre una oxidación del hierro gracias al oxigeno disuelto en el agua:

Al2(S04)3. 18 H20 + 3 Ca(HCO3)2 3 CaSO4 + 2 Al(OH)3 + 6 CO2 + 18 H20

Ca(OH)2 + H2C03 CaCO3 + 2 H2O

Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 2 CaCO3 + 2 H20

FeSO4 .7 H2O + Ca(HCO3)2 Fe(HCO3)2 + CaSO4 + 7 H2O

Fe(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 Fe(OH)2 + 2 CaCO3 + 7H20

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El hidróxido férrico es insoluble, forma un floculo que precipita.

Cloruro de hierro:

Cloruro de hierro y cal

Lo anterior permite concluir que la precipitación química es una consecuencia de los procesos de floculación y coagulación, busca la eliminación de la materia en suspensión o floculos, es básicamente una operación de sedimentación floculenta.

El grado de clarificación resultante depende tanto de la cantidad de productos químicos que se añade como del nivel de control de los procesos. Mediante precipitación química, es posible conseguir efluentes clarificados básicamente libres de materia en suspensión o en estado coloidal y se puede llegar a eliminar del 80 al 90 % de la materia total suspendida, entre el 40 y el 70 % de la DBO5, del 30 al 60 % de la DQO y entre el 80 y el 90 % de las bacterias. Estas cifras contrastan con los rendimientos de eliminación de los procesos de sedimentación simple, en los que la eliminación de la materia suspendida sólo alcanza valores del 50 al 70 % y en la eliminación de la materia orgánica sólo se consigue entre el 30 y el 40 %.

La eficiencia de los procesos de coagulación floculación y precipitación dependen en gran medida de las condiciones de reacción, y la facilidad de contacto entre reactivos, esto se logra mediante un buen mezclado, siendo esta otra operación de gran importancia en el tratamiento de aguas residuales.

FeCI3 + 3H20 Fe(OH)3 + 3H+ + 3 Cl-

3H+ + 3HCO3- 3H2CO3

Fe(OH)2 + O2 4 Fe(OH)2 + 2H20

2 FeCI3 + 3 Ca(OH)2 3 CaCl2 + 2Fe(OH)3

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15.2. MEZCLADO

La mayoría de las operaciones de mezclado relacionadas con el tratamiento de las aguas residuales puede clasificarse en mezcla rápida (30 segundos o menos) y mezcla continua. La primera suele emplearse la coagulación para producir la precipitación química (reacción del coagulante con las impurezas del agua), mientras que el segundo tipo de mezclado se aplica en aquellos casos en los que debe mantenerse en suspensión el contenido del reactor o del depósito. En los siguientes apartados se analiza cada uno de estos tipos de mezclado.

15.2.1. Mezcla rápida de productos químicos. En el proceso de mezcla rápida, el principal objetivo consiste en homogenizar completamente una sustancia con otra. Puede durar desde una fracción de segundo hasta 30 segundos, mediante el uso de diversos sistemas, entre ellos:

1. Resaltos hidráulicos en canales 2. Dispositivos Venturi 3. Conducciones 4. Por bombeo 5. Mediante mezcladores estáticos 6. Mediante mezcladores mecánicos

En los cuatro primeros, el mezclado se consigue como consecuencia de las turbulencias que se crean en el régimen de flujo. En los mezcladores estáticos, se producen como consecuencia de la disipación de energía, mientras que en los mezcladores mecánicos se consiguen mediante la aportación de energía con impulsores giratorios como las paletas, hélices y turbinas.

15.2.2. Mezcla continua en reactores y tanques de retención. En el proceso de mezcla continua, el principal objetivo consiste en mantener en un estado de suspensión total dentro del tanque de retención. El mezclado continuo puede llevarse a cabo mediante sistemas como:

1. Los mezcladores mecánicos 2. Mecanismos neumáticos 3. Mezcladores estáticos 4. Por bombeo.

Entre los mas usados están: canales con pantallas deflectoras, agitadores de paletas, estos giran lentamente puesto que tienen una superficie grande de acción sobre el fluido. Los agitadores de paletas se emplean como elementos de floculación cuando se añaden al agua residual, o a los fangos, coagulantes como el sulfato férrico o de aluminio, o adyuvantes a la coagulación como los polielectrolitos y la cal.

La coagulación se promueve, mecánicamente, con una agitación moderada con palas girando a velocidades bajas. Esta acción se complementa, en ocasiones, con la disposición de unas hojas o láminas estáticas entre las palas giratorias para reducir el movimiento circular de la masa de agua y favorecer así el mezclado. El aumento del contacto entre partículas permiten incrementar el tamaño del floculo, pero una agitación demasiado vigorosa puede producir tensiones que destruyan los flóculos formando partículas de menor tamaño. Es importante controlar adecuadamente la agitación, de modo que los tamaños de los

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flóculos sean los adecuados y sedimenten rápidamente, requiriendo generalmente de un tiempo de retención entre 10 y 30 minutos.

Los fabricantes de equipos han llevado a cabo numerosos estudios para obtener las configuraciones idóneas de las dimensiones de las paletas, separación entre ellas y velocidad de rotación. Se ha podido constatar que una velocidad lineal de aproximadamente, 0,6 a 0,9 m/s en los extremos de las paletas crea suficiente turbulencia sin romper los flóculos.

AUTOEVALUACION 3

1. En la siguiente tabla se encuentran diferentes operaciones y procesos unitarios, usted deberá hacer una pequeña descripción, y clasificarlo como operación o proceso en la siguiente columna; inicialmente no emplee ninguna ayuda bibliográfica, compare con su equipo de trabajo sus respuestas y con ayuda del tutor revise y complemente la actividad.

NOMBRE DESCRIPCION CLASIFICACION (OPERACIÓN O PROCESO)

FILTRACION

SEDIMENTACION

COAGULACION

NEUTRALIZACION

HOMOGENIZACION

RESPIRACION

CRIBADO

COMBUSTION

INOCULACION

DESBASTE

OZONIZACION

FERMENTACION

MEZCLADO

FLOCULACION

FLOTACION

TAMIZADO

CLORACION

NITRIFICACION

ADSORCION

ABSORCION

EVAPORACION

OXIDACION

EUTROFIZACION

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2. Con ayuda de consulta bibliográfica (textos de fisicoquímica, Internet), en pequeños grupos colaborativos diligencie el siguiente cuadro:

OPERACION PRINCIPIO DE OPERACION

CRITERIOS DE DISEÑO

EJEMPLO DE APLICACIÓN

SEDIMENTACION

FLOTACION

FLOCULACION

FILTRACION

Preséntelo a su tutor para evaluación y retroalimentación. Es importante anotar las fuentes bibliográficas en el documento.

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UNIDAD DOS : TRATAMIENTO SECUNDARIO Y

TERCIARIO DEL AGUA RESIDUAL

CONTENIDO DE LA UNIDAD

CAPÍTULO 1. TRATAMIENTO BIOLOGICO DEL AGUA RESDUAL

CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO

CAPITULO 3. TRATAMIENTO TERCIARIO

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CAPITULO I : TRATAMIENTO BIOLOGICO DEL AGUA RESIDUAL

INTRODUCCION

La comprensión y aplicación de los procesos biológicos al tratamiento de aguas residuales, requiere conocer los principios y fundamentos que nos ofrecen la bioquímica y la biotecnología, en este capitulo solo se esbozarán algunas generalidades por lo cual usted deberá reforzar estos conceptos en los módulos respectivos. El objetivo principal del tratamiento biológico del agua residual es la eliminación de materia orgánica así como de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo, mediante la acción de diferentes microorganismos presentes en el agua, principalmente bacterias y hongos. Para facilitar el estudio, éste capítulo se ha dividido en tres secciones: 1. Características de los principales microorganismos presentes en el agua residual. 2. Metabolismo microbiano: Digestión aerobia 3. Metabolismo microbiano: Digestión anaerobia. OBJETIVOS GENERAL Comprender y explicar la forma en que los microorganismos presentes en el agua residual degradan la materia orgánica. Describir y aplicar las diferentes operaciones relacionadas con los procesos biológicos utilizados en el tratamiento de aguas residuales. ESPECIFICOS

Caracterizar los principales microorganismos presentes en el agua residual.

Describir los procesos metabólicos de los microorganismos.

Identificar las diferencias entre procesos aerobios y anaerobios.

Identificar las diferentes reacciones, productos de la descomposición biológica

Describir las tecnologías aplicadas al tratamiento de aguas residuales empleando procesos biológicos.

Analizar las ventajas y desventajas de las diferente tecnologías.

Proponer sistemas de tratamiento biológico para un afluente de una industria de alimentos.

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LECCION 16. MICROORGANISMOS PRESENTES EN EL AGUA RESIDUAL. Los seres vivos se dividen en tres reinos: animal, vegetal y protisto, este último es el de nuestro interés. Ver Tabla No.17, a su vez el reino protisto contiene micro-organismos subdivididos en: Procariótidos o micro-organismos unicelulares sin verdadero núcleo, comprenden las bacterias y las algas verde-azules y los eucarióticos o micro-organismos de células con “verdadero” núcleo, como son las algas, los hongos y los protozoos. TABLA No. 17 CLASIFICACIONES DE LOS ORGANISMOS

GRUPO ESTRUCTURA CELULAR

CARACTERISTICAS MIEMBROS REPRESENTATIVOS

EUCARIOTAS EUBACTERIAS ARQUEBACTERIAS

EUCARIOTICA (Contiene núcleo verdadero encerrado dentro de una membrana nuclear) PROCARIOTICA (Sin membrana nuclear) PROCARIOTICA (Sin membrana nuclear)

Multicelulares con diferenciación amplia de células y tejido. Unicelulares o miceliales con poca o ninguna diferenciación de tejido. Química celular similar a los eucariotas. Química celular característica.

Plantas Animales Protistas (algas, hongos, protozoos). Bacterias Metanógenas Halófilas Termacidófilas

Fuente: ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales. 2002. Pág. 189. Desde el punto de vista del modo de obtención de energía para las reacciones metabólicas y la síntesis de nuevo material celular, los organismos vivos se dividen en autótrofos y heterótrofos. Los organismos autótrofos obtienen su energía directamente de la luz solar o por reacciones inorgánicas. Los organismos autótrofos tienen la propiedad de convertir compuestos inorgánicos oxidados en compuestos orgánicos que almacenan la energía de la luz solar o de las reacciones de oxido-reducción en enlaces químicos de alta energía. El CO2 es para ellos, la fuente del carbono orgánico y en general, de toda la biomasa existente en la tierra. Así mismo son los que fijan la energía solar e inician el ciclo de transmisión de energía a través de la cadena alimentaría o cadena trófica, que da vida al resto de organismos. Los organismos heterótrofos sólo pueden obtener energía a través de la oxidación de materia orgánica, es decir, requieren compuestos sintetizados por organismos autótrofos. Estos organismos obtienen el carbono orgánico de compuestos orgánicos al degradarlos obtienen la energía para sobrevivir. Los micro-organismos, tanto eucarióticos como procarióticos, pueden obtener energía de manera autótrofa o heterótrofa como sus diferencias taxonómicas son mas importantes que

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el modo de alimentación, no se pueden clasificar como animales o vegetales sino en el reino protisto. En el agua residual se encuentran diferentes tipos de microorganismos, bacterias, hongos, algas, protozoos, siendo las bacterias las que en mayor porcentaje actúan y degradan la materia orgánica. 16.1. BACTERIAS 16.1.1. Características Generales. Las bacterias son organismos procariotas unicelulares, de forma esférica, cilíndrica o helicoidal. Las esféricas pueden estar individualmente (cocos), por pares (diplococos) o formando cadenas (estreptococos) y ramilletes (estafilococos). Las cilíndricas pueden venir individualmente (bacilos) o en cadenas (estreptobacilos); las espirales (espirilos) se mantienen desunidas de otras compañeras generalmente. En general, las bacterias tienen una membrana celular (citoplasma) y contiene una suspensión coloidal de proteínas, carbohidratos, y otros compuestos orgánicos. La concentración interna de sales del citoplasma es mucho mayor que la del medio que la rodea, esto hace que la presión osmótica hacia el exterior sea grande, por lo cual son necesarias la pared celular y la cápsula para conservar la forma. Dentro del citoplasma se encuentran los ribosomas, cuerpos que contienen ácido ribonucléico ARN, parte principal de la maquinaria de síntesis de proteínas. También en su interior se encuentra la zona del núcleo, no completamente definida, y muy rica en ácido desoxiribonucléico ADN. El ADN contiene toda la información genética para la reproducción y se considera como la clave fundamental de la vida. Las bacterias están compuestas en un 75-80% de H2O y un 20% de material seco, del cual el 80-90% es orgánico y el resto inorgánico. La composición química aproximada es C5H7 NO2, lo que significa que aproximadamente la mitad de la parte orgánica es carbono. Los compuestos inorgánicos principales son: P2O5, SO3, Na2O , CaO , MgO , K2O y Fe2O3 El medio ambiente de las bacterias es muy importante para su supervivencia. El pH debe estar preferiblemente entre 6,5 y 7,5. La temperatura puede fluctuar entre -2°C y 75°C de acuerdo con la subdivisión mostrada en la Tabla No. 18, según el rango de temperatura para la supervivencia. Las tasas de reacción metabólicas, en general, se duplican con un incremento de 10°C dentro de los rangos presentados. TABLA No. 18 Rangos típicos de temperatura para las bacterias

TIPO DE BACTERIA RANGO DE TEMPERATURA (°C)

GENERAL OPTIMO

Criofílicas Mesofílicas Termofílicas

2 – 20 20 – 45 45 – 75

12 – 18 25 – 40 55 – 65

Fuente: OROZCO JARAMILLO, Alvaro. Tratamiento Biológico de las Aguas Residuales. Universidad de Antioquia. Pág. 183

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Las bacterias son principalmente heterótrofas, o también autótrofas. Las más comunes entre las autótrofas son quimiosintéticas, pero algunas son fotosintéticas (bacteria Púrpura del Azufre y la bacteria Verde del Azufre). 16.1.2. Crecimiento Bacteriano. El número de microorganismos presentes en el agua residual (principalmente bacterias), resulta fundamental en el porcentaje de remoción de materia orgánica, estos organismos requieren unas condiciones especiales para su reproducción y alimentación, como todo ser vivo nacen, crecen, se reproducen y mueren. Desde el punto de vista de población microbiana y disponibilidad de alimento se diferencian cuatro fases: figura 23

1. Fase de Retardo: Tiempo requerido por las bacterias para aclimatarse al nuevo medio. 2. Fase de crecimiento exponencial: En esta fase existe una cantidad excesiva de alimento alrededor de los microorganismos, el único limitante en su crecimiento es su propia capacidad de metabolizar el alimento (substrato). 3. Fase Decreciente: La masa de bacterias disminuye como consecuencia de la limitada disponibilidad de alimento. 4. Fase endógena: Los microorganismos se ven forzados a metabolizar su propio protoplasma sin reposición del mismo debido a la escasez de alimento. En esta etapa los nutrientes que quedan en las células muertas se difunden proporcionando alimento a las células vivas.

Tiempo

Fase de Muerte

Fase de Crecimiento

exponencial

Fase estacionaria

Num

ero r

elat

ivo d

e m

icro

org

anis

mos

Fas

e de

reta

rdo

FIGURA No. 23 ETAPAS DEL DESARROLLO MICROBIANO

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LECCION 17. OTROS TIPOS DE MICRO-ORGANISMOS Existen otros micro-organismos del reino protisto de interés para el Tratamiento de aguas residuales, las consideraciones generales en cuanto a composición celular, métodos de obtención de energía y respiración, etc., son bastante similares a las explicadas para las bacterias, pero otras características difieren fundamentalmente, por lo que conviene darles un vistazo por separado. Así: 17.1 HONGOS. Los hongos pueden ser considerados como microorganismos multicelulares y heterótrofos. La mayoría de los hongos son estrictamente aerobios y pueden tolerar ambientes de bajo pH, con rango general de 9,0 - 2,0 y un valor óptimo del pH de 5,6. Además son de bajos requerimientos de nitrógeno, por lo que pueden competir favorablemente con las bacterias en ambientes ácidos con bajo contenido de nutrientes. Tienden a crecer en formas filamentosas llamadas micelios, que se componen de unidades microscópicas llamadas hopas. No sedimentan bien y por ser filamentosos tienen una relación área de absorción a volumen de micro-organismos baja, aunque son eficientes para la remoción de materia orgánica. 17.2. ALGAS Son micro-organismos multi o unicelulares, autótrofos y fotosintéticos. Son indeseables para el suministro de agua potable, pero esenciales en los sistemas de tratamiento por lagunas de oxidación, para la producción de O2 que requerirán las bacterias en lagunas aerobias y facultativas. LECCION 18. METABOLISMO MICROBIANO Las bacterias son las grandes responsables de la descomposición o estabilización de la materia orgánica, la cual es medida a través de la DBO y/o DQO. El metabolismo consiste en la utilización por parte de las bacterias, de la materia orgánica como fuente de energía y carbono para generar nueva biomasa. Cuando la materia orgánica es metabolizada, parte de ella es transformada químicamente a productos finales, en un proceso que es acompañado por la liberación de energía llamado “Catabolismo”. Otro proceso denominado “Anabolismo ó Síntesis” ocurre simultáneamente, donde parte de la materia orgánica se transforma en nuevo material celular (ver Figura 24).

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El anabolismo es un proceso que consume energía y solamente es viable si el catabolismo está ocurriendo para proporcionarle la energía necesaria para la síntesis celular. Por otro lado, el catabolismo solo es posible si existe la presencia de una población bacteriana viva. El catabolismo se divide en dos procesos fundamentalmente diferentes: (1) Catabolismo Oxidativo y (2) Catabolismo Fermentativo. El catabolismo oxidativo es una reacción redox, donde la materia orgánica es el reductor que es oxidada por el oxígeno, nitrato o sulfato, pero si es el nitrógeno la reacción es anóxica. El catabolismo fermentativo se caracteriza por no haber presencia de un oxidante: el proceso resulta en un reordenamiento de los electrones de la molécula fermentada de un modo tal que se forman como mínimo dos productos. Generalmente son necesarias varias fermentaciones para que se formen productos estables. Para comprender mejor estos fenómenos recuerde, la sustancia que se oxida pierde un electrón, que debe ser recibido por el aceptor, que a su vez se reduce. Generalmente la materia orgánica cede el electrón a través de la cesión de hidrógeno, por lo cual el proceso de oxidación también se llama deshidrogenación. Cuando el aceptor de hidrógeno es oxígeno molecular, se dice que hay respiración aerobia, la cual es llevada a cabo por las bacterias aeróbicas. Por ejemplo en el proceso de nitrificación de NH3 por las nitrosomonas el O2 recibe H2 para formar H2O, como sigue:

ANABOLISMO

CATABOLISMO

CELULAS NUEVAS

PRODUCTOS + ENERGIA

ENERGIA PARA EL

AMBIENTE

DECAIMIENTO

BACTERIANO

RESIDUO

METABOLISMO

MATERIA OGANICA

FIGURA No. 24 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DEL METABOLISMO

BACTERIANO (VAN HAANDEL, 1994)

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Cuando el aceptor de H2, no es oxígeno molecular, se dice que el proceso de oxidación es anaerobio y realizado por las bacterias anaerobias. Si no existe aceptor de H2 externo, sino que un compuesto orgánico se divide en dos, uno más oxidado y otro más reducido, se dice que hay fermentación como en el caso de la glucólisis que se puede resumir como sigue:

Si hay un compuesto aceptor de hidrógeno, distinto del O2 se dice que hay respiración anaerobia, como en el caso de la desnitrificación:

El ión nitrato se comporta como un aceptor de hidrógenos.

Las bacterias anaerobias llevan a cabo la fermentación y la respiración anaeróbica. Ciertas bacterias pueden sobrevivir en ambiente aerobio y anaerobio y entonces son llamadas bacterias facultativas. Este último tipo de bacterias es el más importante para el Tratamiento biológico, pues en él se desarrollan ambos ambientes sucesivamente, por lo que bacterias facultativas son las que prosperan principalmente.

LECCION 19. DIGESTIÓN AEROBIA En este tipo de tratamiento se llevan a cabo procesos catabólicos oxidativos. Como el catabolismo oxidativo requiere de la presencia de un oxidante de la materia orgánica, el cual no se encuentra en las aguas residuales, siendo suministrado. La forma más conveniente de hacerlo es disolviendo oxígeno del aire mediante la aireación mecánica, lo que implica altos costos operacionales del sistema de tratamiento. Adicionalmente la mayor parte de la DQO

Nitrosomonas 2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + energía

C6H12O6 CH3CH2OH + 2CO2 + 57kcal

Glucosa etanol dióxido de Carbono energía (Oxidación intermedia) (producto reducido) (producto oxidado)

6NO-3 + 5 CH3OH 5 CO2 + 3N2 + H2O

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de la materia orgánica es convertida en lodo, que cuenta con un alto contenido de material vivo que debe ser estabilizado.

La composición química de la materia orgánica se puede expresar como CxHyOzN (sustrato) por lo que se puede expresar la reacción de remoción así:

Por las características de la materia orgánica, en el laboratorio esta es medida a través de sólidos suspendidos volátiles (SSV), si se considera la composición C5 H7 N O2 se puede estimar la demanda de oxigeno estequiometricámente como sigue:

El factor gravimétrico correspondiente es:

5 x 32 g O2 g O2 ---------------- = 1,42 ------------------; 113 g SSV g SSV esto quiere decir que por cada gramo de sólidos suspendidos volátiles se requieren 1,14 gramos de oxígeno, por ello, para que el proceso se de en forma aerobia, es necesario el suministro continuo suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno, esto se puede hacer con agitadores o difusores (proceso de lodos activados). También puede ser llevado a cabo en reactores de medio fijo, efectuando aireación por contacto con el aire (filtros biológicos), el proceso microbiológico en sí es similar en todos los casos y puede ser explicado con los mismos fenómenos.

C5 H7 N O2 + 5 O2 5CO2 + 2H2O + NH3

MATERIA

ORGANICA Microorganismos

Aerobios

CO2 + H2O +

microorganismos + O2

FIGURA No. 25 REPRESENTACION DE LA DIGESTION ANAEROBIA.

CxHyOzN + n O2 C5 H7 N O2 + CO2 + H2O

Sustrato + oxígeno micro-organismos

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19.1. APLICACIONES DE LA DIGESTIÓN AEROBIA

NITRIFICACION: El nitrógeno puede encontrarse en las aguas como nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal, nitritos y nitratos. En aguas residuales no tratadas la mayor parte del nitrógeno se encuentra como nitrógeno orgánico y como nitrógeno amoniacal. En aguas residuales tratadas básicamente aparece como nitrógeno amoniacal.

En la naturaleza, el nitrógeno amoniacal y el orgánico se transforman primero en nitritos y posteriormente en nitratos; estas reacciones se producen con consumo de oxígeno. Si el agua residual, antes o después de un tratamiento, se vierte al medio ambiente, con contenidos elevados de nitrógeno en forma orgánica, amoniacal o nitritos, existirá una fuerte

Lisis y autooxidación

Nitrógeno orgánico (proteínas y urea)

Descomposición

Bacteriana

e hidrólisis

Nitrógeno amoniacal Nitrógeno orgánico

(células bacterianas)

Nitrógeno orgánico

(Crecimiento neto)

Nitrito (NO-2)

Nitrato (NO-3)

Nitrógeno gas (N2) Desnitrificación

Carbono Orgánico dación

O2

O2

N

I

T

R

I

F

I

C

A

C

I

Ó

N

FIGURA No. 26 TRASFORMACIONES DEL NITROGENO EN LOS PROCESOS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO

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demanda de oxigeno. En aguas residuales de este tipo el problema puede evitarse mediante la transformación de los distintos compuestos de nitrógeno en nitratos o eliminando el nitrógeno del agua. El sistema de nitrificación en cultivos en suspensión consiste en un tratamiento biológico mediante microorganismos (bacterias nitrificantes autótrofas aerobias), estos microorganismos están presentes en casi todos los procesos aerobios de tratamiento biológico, pero con un número limitado. El grado de nitrificación dependerá del mantenimiento de las condiciones adecuadas para el crecimiento de las bacterias nitrificantes; por ejemplo, en climas cálidos se consigue aumentando el tiempo de retención celular y el suministro de aire. El proceso de nitrificación depende principalmente de las siguientes variables: relación DBO/NKT (nitrógeno Kjeldahl total), concentración de oxigeno disuelto, temperatura y pH. La fracción de microorganismos nitrificantes depende de la relación de DBO/NKT, de tal forma que para valores comprendidos entre 1 y 3, la fracción de microorganismos nitrificantes se encuentra entre 0,210 y 0,083. Para relaciones de DBO/NKT mayores que 5, la fracción de microorganismos nitrificantes decrece a partir de un valor aproximado de 0,054, En la tabla No. 19 se relaciona. TABLA No. 19 RELACIÓN ENTRE LA FRACCIÓN DE ORGANISMOS NITRIFICANTES Y LA RELACIÓN DE DBO/NKT DE LAS AGUAS RESIDUALES

Relación

DBO/NKT

Fracción de

nitrificantes

Relación

DBO/NKT

Fracción de

nitrificantes

0,5

1,0

2,0

3,0

4,0

0,5

0,1

0,12

0,083

0,.064

5

6

7

8

9

0,054

0,043

0,037

0,033

0,029

Fuente: Metcalf & Eddy. Ingeniería de Aguas Residuales. Tomo 2. 1996. Pág. 791.

El aumento de temperatura de los sistemas ejerce un efecto importante en el aumento de las tasas de nitrificación, de igual forma para un pH comprendido entre 7,2 y 9,0 se encuentra que la tasa de nitrificación es máxima, manteniendo las otras variables.

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LECCION 20. DIGESTIÓN ANAEROBIA La Digestión Anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de las aguas residuales. El proceso se caracteriza por la conversión de la materia orgánica a metano y de CO2, en ausencia de oxígeno y con la interacción de diferentes poblaciones bacterianas.

En la reacción se puede apreciar lo que ocurre con la materia orgánica en el tratamiento anaerobio de aguas residuales, comparando el balance de DQO del tratamiento de la digestión aerobia y anaerobia (ver Figura 28 y 29), se observa la gran producción de lodos originados en la digestión aerobia (50%), respecto al 10 % de la anaerobia. Esto ocurre porque la digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica, como no hay presencia de un oxidante en el proceso. En vista de que no hay oxidación, se tiene que la mayor parte de la DQO es convertida a metano (90 – 97 %), y una mínima parte en lodo (3 a 10%). En las reacciones bioquímicas que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía es liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química en el metano producido.

BALANCE ANAEROBIO DE LA DQO

DQO

10%

90%

LODO

CH4

FIGURA No 28 BALANCE ANAEROBIO DE LA MATERIA

orgánica

MATERIA

ORGANICA Microorganismos

Anaerobios

CH4 + CO2 + Micr. +

Biogas

FIGURA No. 27 REPRESENTACION DE LA DIGESTION ANAEROBIA

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La digestión anaerobia de la materia orgánica involucra cuatro pasos de transformación:

20.1. HIDRÓLISIS. Este término indica la conversión de compuestos orgánicos complejos e insolubles (polisacáridos, proteínas y lípidos) en otros compuestos más sencillos y solubles en agua como los azúcares, los aminoácidos, los ácidos grasos y los alcoholes, Esta etapa es fundamental para suministrar los compuestos orgánicos necesarios para la estabilización anaerobia en forma que puedan ser utilizados por las bacterias responsables de las etapas siguientes. 20.2. FERMENTACION ÁCIDA (ACIDOGENESIS). Los compuestos orgánicos sencillos generados en la etapa anterior son utilizados por las bacterias generadoras de ácidos, como resultado se produce su conversión en ácidos orgánicos volátiles, fundamentalmente en ácidos acético, propiónico y butírico. Esta etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas. Hay una gran variedad de bacterias capaces de efectuar la etapa de formación de ácidos, y además esta conversión ocurre con gran rapidez. 20.2.1. Acetagenesis. Los productos de fermentación son convertidos a acetato, hidrógeno y dióxido de carbono 20.2.2 Metanogenesis. Una vez que se han formado ácidos orgánicos, y acetato, una nueva categoría de bacterias entra en acción, y los utiliza para convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono. El metano es un gas combustible e inodoro, y el dióxido de carbono es un gas estable, que forma parte de la atmósfera.

BALANCE AEROBIO DE LA DQO

DQO

50%

50%

LODO

Calor

+O2

FIGURA No. 29 BALANCE AEROBIO DE LA MATERIA ORGANICA

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Esta fase de la depuración anaerobia es fundamental para conseguir la eliminación de materia orgánica, ya que los productos finales no contribuyen a la DBO5 o DQO del medio. A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocos microorganismos capaces de desarrollar la actividad metanogénica, su metabolismo es más lento y además, son mucho más sensibles a distintas condiciones ambientales. Los productos finales de la degradación son:

Metano

Bióxido de Carbono

Ácido sulfhídrico

Agua De los dos grupos de bacterias referidos anteriormente, las bacterias “formadoras de metano” son las más importantes para el proceso anaerobio. En la figura No. 30 se muestra el proceso.

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Deben ser tenidos en cuenta dos puntos importantes, con respecto a los diferentes procesos que ocurren durante la digestión anaerobia de la materia orgánica: 1. Según la Figura 30 se observa que solamente cerca del 30% de la materia orgánica afluente es convertida a metano por la vía hidrogenofílica, por lo tanto una condición necesaria para obtener una óptima remoción de la materia orgánica en un sistema anaerobio, es que la metanogénesis se desarrolle eficientemente. 2. La fermentación ácida tiende a bajar el pH, debido a la producción de ácidos grasos volátiles (AGVs) y otros productos intermedios, mientras que la metanogénesis solo se desarrolla cuando el pH esta cercano al neutro, por lo tanto, si por alguna razón la tasa de remoción de AGVs a través de la metanogénesis no acompaña a la tasa de producción de AGVs, puede surgir una situación de inestabilidad que baja significativamente el pH del sistema, causando la inhibición de las bacterias metanogénicas. Esta Acidificación del

ACETOGENESIS

8% 11% 11%

12% 35% 23%

70% 30% METANOGENESIS

21% 40% 39% HIDROLISIS

5% 34%

66% 34%

ACIDOGENESIS

20%

ACETOGENESIS

8% 11% 11%

12% 35% 23%

70% 30% METANOGENESIS

MATERIA ORGANICA

PROTEINAS POLISACARIDOS LIPIDOS

AMINOACIDOS AZUCARES ACIDOS GRASOS

PROPIONATO, BUTIRATO

H2 + CO2 ACETATO

CH4

FIGURA No. 30 ETAPAS DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA

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sistema es una de las principales causas de falla operacional en los reactores anaerobios. Lo anterior puede ser evitado cuando se garantiza un equilibrio entre la fermentación ácida y la fermentación metanogénica, manteniendo una alta capacidad metanogénica y buena capacidad buffer en el sistema. En la Tabla 20, se consignan las principales reacciones: TABLA No. 20. REACCIONES BIOQUÍMICAS EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA DE LA MATERIA ORGÁNICA

TIPO DE REACCIÓN ECUACIÓN

Fermentación de glucosa a Acetato

Glucosa + 4H2O CH3COO- + 4H+ + 4H2

Fermentación de glucosa a Butirato

Glucosa + 2H2O C4H7O2 + 2HCO3

- + 3H+ + 2H2

Fermentación del butirato a acetato e H2

Butirato + 2H2O 2CH3COO- + H+ + H2

Fermentación del propionato a acetato

Propionato + 3H2 CH3COO- + HCO3

- + H+ + H2

Acetogénesis a partir de H2 y CO2

HCO3

- + H+ + H2 CH3COO- + 2H2O

Metanogénesis a partir del CO2 e H2

HCO3

-+ 4H2 4 + 3H2O

Metanogénesis a partir del Acetato

Acetato + H2O 4 + HCO3

- + H+

Fuente: ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales. 2002. Pág. 240. 20.3. APLICACIONES DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA. La digestión anaerobia ha sido utilizada ampliamente para estabilizar lodos provenientes de plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas, y en una menor proporción, pero con una tendencia de aumento significativo en aguas residuales proveniente de industrias de alimentos. Dentro de las aplicaciones se tiene:

Sulfato Reducción. El proceso durante el cual el sulfato se reduce a sulfuro de hidrógeno, mediante la participación de las bacterias sulfo reductoras (BSR) es un proceso anaerobio de gran importancia en el tratamiento de aguas residuales, en la figura No. 31 se muestra la reacción:

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Durante la degradación anaerobia de la materia orgánica, puede ocurrir que las bacterias utilicen el sulfato como aceptor de electrones, aunque pueden utilizar también compuestos como el tiosulfato, el tetrationato y el azufre elemental. Los donadores de electrones más utilizados son H2, lactato, piruvato entre otros. En la figura 32 se muestran las diferentes etapas de la reducción.

MATERIA

ORGANICA Bacterias Sulfo

reductoras

H2S + HCO3-

+ S04=

FIGURA No. 31 REDUCCION BIOLOGICA DEL SULFATO

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MATERIA ORGANICA

PROTEINAS POLISACARIDOS LIPIDOS

AMINOACIDOS AZUCARES ACIDOS GRASOS

HIDROLISIS

INTERMEDIARIOS DE LA FERMENTACION

Alcoholes, Lactato, Piruvato

ACIDOS GRASOS VOLATILES

Acetato, Propionato, Butirato

SO42-

S2-

Bacterias

Sulforeductoras

ACIDOGENESIS

SO42-

S2-

BSR

SO42-

S2-

CO2 H2

ACETATO

CO2

CO2

CO2

SO42-

S2-

BSR

CO2

BSR

SO42-

S2-

ACETOGENESIS

FIGURA NO. 32 SULFATO REDUCCIÓN EN LA DEGRADACIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA

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En general, durante la degradación anaerobia de la materia orgánica, la sulfato reducción puede interferir con la metanogénesis, generando problemas como: 1. competencia entre las Bacterias sulfatoreductoras y las metanogénicas por sustratos comunes y la consecuente disminución en la producción de metano; 2. inhibición de varios grupos bacterianos por la presencia de H2S; 3. toxicidad generada por el H2S, malos olores y corrosión. A pesar de los problemas que ocasiona la sulfato reducción al interior de los reactores anaerobios, también presenta algunas ventajas: 1. contribuye a mantener un bajo potencial de óxido-reducción en el sistema; 2. constituye un método biotecnológico para la remoción de sulfato; 3. los complejos Metal-S2- tienen baja solubilidad, propiedad que puede ser utilizada para la precipitación de metales pesados como Co, Ni, Pb, y Zn.

Desnitrificación. Es un proceso anóxico en el cual los nitratos son reducidos a nitrógeno gaseoso.

Las desnitrificación es utilizada en postratamientos de aguas residuales para remover nutrientes.

Bio Remediación. La digestión anaerobia puede ser utilizada para la biodegradación o biotransformación de contaminantes tóxicos. Comunidades de microorganismos en ambientes anaerobios, puede causar la oxidación de contaminantes a productos estables (CO2) o pueden causar la biotransformación de contaminantes a sustancias menos tóxicas. La bio remediación anaerobia puede ser utilizada en el tratamiento de efluentes industriales que contienen sustancias tóxicas, como es el caso de la industria del plástico, cuyas aguas residuales contienen altas concentraciones de terepthalato:

MATERIA

ORGANICA

Bacterias

desnitrificantes

N2 + CO2 + NO3-

FIGURA No. 33 REACCIÓN DE DESNITRIFICACIÓN

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FIGURA No. 34 ACCIÓN DE BACTERIAS ANAEROBIAS SOBRE EL TEREFTALATO

AUTOEVALUACION 4 Seleccione la opción correcta, una vez terminada la lectura del capítulo retome la auto evaluación, compare y saque sus propias conclusiones. 3. Los principales microorganismos responsables de la descomposición de la materia orgánica son:

a. Hongos. b. Algas c. Bacterias d. Amebas

4. La degradación de la materia orgánica se mide principalmente a través de :

a. pH. b. Oxígeno Disuelto. c. DBO. d. Sólidos suspendidos.

5. Los productos de la digestión aerobia son:

a. Metano y Oxígeno. b. Metano y agua. c. Dióxido de carbono y Oxigeno. d. Dióxido de carbono y agua.

6. Los productos de la digestión anaerobia son:

e. Metano y Oxígeno. f. Metano y agua. g. Dióxido de carbono y Oxigeno. h. Dióxido de carbono y agua.

Fermentación Acetogénesis Metanogenesis

COO

- COO

- 3 CH3COO- 3 CH4 + 3 HCO3

-

HCO3-

HCO3-

3 H2 3/4 CH4

COO-

Tereftalato Benzoato Acetato e Hidrógeno Metano

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5. El proceso de lodos activados es:

a. Anóxico. b. Anaerobio. c. Facultativo. d. Anaerobio.

6. Un producto de la nitrificación es :

a. Nitritos. b. Nitratos. c. Amoníaco. d. Nitrógeno.

7. Un producto de la desnitrificación es:

a Nitritos. b. Nitratos. c. Amoníaco. d. Nitrógeno.

8. NO es un sistema aerobio:

a. Biodiscos. b. UASB. c. Zanjones de oxidación. d. Filtro percolador

9. Los principales nutrientes de los microorganismos son:

a. Azufre y calcio b. Hierro y potasio. c. Potasio y calcio d. Nitrógeno y fósforo.

10. Es una tecnología de tratamiento biológico que no emplea lechos de soporte:

a. Filtro percolador. b. Filtros anaerobios. c. Biodiscos. d. Lodos activados.

11 Una de las desventajas de los procesos anaerobios respecto a los procesos aerobios es:

a. Porcentaje de remoción baja. b. Operación compleja. c. Altos costos de tratamiento. d. Producción de lodos elevada.

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CAPITULO 2. TECNOLOGIAS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO.

INTRODUCCION Una vez comprendida la acción de los microorganismos, el siguiente paso es el desarrollo de las diferentes tecnologías, las cuales buscan aprovechar la población microbiana presente en el agua residual, es importante comprender criterios de diseño, las ventajas y desventajas de cada una de las tecnologías, los requerimientos energéticos, equipos, áreas y porcentajes de remoción obtenidos, estos conocimientos junto con una buena caracterización del agua residual permiten el diseño del sistema de tratamiento. Las tecnologías que se presentan a continuación se han dividido en tecnologías que emplean microorganismos aerobios y sistemas o tecnologías anaerobias, sin embargo las plantas de tratamiento de agua residual puede combinar procesos aerobios, anaerobios y anóxicos. OBJETIVOS GENERAL Describir las diferentes tecnologías aplicadas par el tratamiento biológico del agua residual. ESPECIFICOS

Describir las tecnologías aplicadas al tratamiento de aguas residuales empleando procesos biológicos.

Analizar las ventajas y desventajas de las diferente tecnologías.

Proponer sistemas de tratamiento biológico para un afluente de una industria de alimentos. LECCION 21. PROCESOS AEROBIOS 21.1. FANGOS O LODOS ACTIVADOS En este tratamiento las aguas a tratar se introducen en un reactor donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. En el reactor se produce la transformación de los nutrientes en tejido celular y diversos gases. La demanda de oxigeno se atiende mediante difusores o aireadores mecánicos. Las bacterias constituyen el grupo más importante de microorganismos en el proceso de lodos activados, siendo muy comunes la de los géneros Alcaligenes flavobacterium, bacillus y pseudonomas, otros microorganismos presentados son los hongos. La comunidad de los lodos activados es muy variable y depende de:

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1. Naturaleza del suministro alimenticio. 2. Concentración del alimento 3. Turbulencia 4. Temperatura 5. Tiempo de aireación 6. Concentración de lodos

En la figura No. 35 se esquematiza el proceso de lodos activados

Las aguas residuales crudas fluyen en el tanque de aireación con su contenido de materia orgánica (DBO) como suministros alimenticios. Las bacterias metabolizan y producen residuos y nuevas bacterias utilizando oxígeno disuelto y liberando dióxido de carbono. Los protozoos consumen bacterias para obtener energía y reproducirse, Una porción del crecimiento bacteriano muere, liberando su contenido celular en la solución para una nueva síntesis de células microbiales. La mezcla liquida, aguas residuales con flock biológico en suspensión es separada en un sedimentador; se recircula flock sedimentado continuamente al tanque de aireación y se descarga el efluente clarificado. El sistema de lodos activados es un proceso estrictamente aerobio.

Nuevo

crecimiento

bacterial

Nuevas

células

OD CO2 OD CO2

Materia Orgánica - bacteriana Protozoos

Afluente agua residual

Recirculación de material orgánico celular

liberado en la muerte o lisis de células

Incorporación de residuos orgánicos en el floc biológico

mediante síntesis bacterial y protozoos depredadores

Tanque de aireación mezclado

Flor biológico sedimentado recirculado al tanque de aireación

Flor

Biológico

suspendido

en el agua

residual

Separación por

gravedad

Efluente

Sedimentador

FIGURA No. 35 PROCESO DE LODOS ACTIVADOS

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Con la figura No. 36 se indica el esquema del flujo del proceso biológico convencional de lodos activados. En este sistema el tanque de aireación tiene un tamaño fijo y por consiguiente un tiempo de retención fijo para un caudal determinado. Dentro de dicho periodo de retención se efectuará la actividad biológica de los microorganismos. En un proceso de lodos activados, tipo cochada, cuando comienza la aireación la relación Alimento/microorganismo (A/M) es muy grande, los microorganismos están ante un exceso de alimento permitiéndole su reproducción y aumento rápido (logarítmico) de la población. A medida que se consume el alimento y se producen nuevas células la relación A/M disminuye y se llega a un punto en que el alimento ya no se encuentra en exceso sino que empieza a ser el factor limitante, inicia entonces la fase de decrecimiento, algunas células comienzan a perecer y el flock empieza a formarse. La concentración de alimento continúa disminuyendo, la relación A/M alcanza un valor mínimo y se inicia la fase endógena (muerte bacteriana), durante la cual los microorganismos son incapaces de obtener suficiente energía del alimento remanente en el residuo y comienzan a metabolizar sus propias reservas de alimento (lisis), aumentando rápidamente la tasa de formación de flock biológico. Si el tiempo de aireación se prolonga lo suficiente, todas las formas biológicas morirían y solamente permanecerían la porción inerte de las células. El proceso de lodos activados nunca se deja llevar a tales extremos, puesto que se requerirían tiempo de retención de varios meses. En general, cuando se obtiene la fase endógena, el flock biológico formado es separado de la fracción líquida mediante sedimentación y recirculado al tanque de aireación. La recirculación del flock biológico concentrado hace que la concentración de microorganismos sea mayor que la inicial; la relación A/M será también menor que la relación inicial y las bacterias empiezan de nuevo el periodo de crecimiento. Si el tiempo de aireación permaneciera constante, el sistema progresaría poco a poco dentro de la fase endógena y se obtendría una mejor floculación y un efluente más claro. El tamaño del tanque de aireación, en un proceso de lodos activados, debe ser suficiente para permitir que los microorganismos alcancen la fase endógena durante los periodos de caudal máximo y máxima carga orgánica. Si el tanque de aireación no es lo suficientemente grande como para que esto ocurra el efluente se hará turbio, pues se perderán

Tanque de

aireación

Sedimentador

secundario

Residuo Efluente

Lodos Activados

Exceso de Lodos

FIGURA No. 36 ESQUEMA DEL PROCESO CONVENCIONAL DE LODOS ACTIVADOS

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microorganismos. Solucionar la oscilación y desequilibrios frecuentes de los microorganismos es el problema básico para un diseño adecuado y una operación exitosa de las unidades de lodos activados. La aireación, de los reactores de lodos activados, tiene como propósito:

Suministrar oxigeno a las células. Mantener las células en suspensión Mantener en contacto íntimo el residuo de los

lodos activados. En tanque de aireación es el corazón del proceso de lodos activados, y debe ser del tamaño adecuado para proporcionar suficiente tiempo de retención, usualmente 0.5 a 24 horas, dependiendo del tipo de proceso. El proceso de lodos activados es un proceso aerobio, y por ello es necesario mantener condiciones aerobias en todo el tanque de aireación, sosteniendo un nivel de Oxígeno disuelto (OD) mínimo de 0,5 mg/L en todo punto del tanque. Esto se logra manteniendo una concentración de 2 mg/L de OD en el efluente del tanque de aireación. El suministro adecuado de oxigeno busca el predominio de clases óptimas de organismos en el sistema y asegurar que sus productos de descomposición sean estables. La falta de oxigeno trae como resultado un efluente turbio puesto que los protozoos, por ejemplo, no se desarrollan y se promueve el crecimiento de bacterias filamentosas, las cuales retardan la sedimentación del flock. Por otra parte, es importante un suministro adecuado de aire para mantener un contacto íntimo entre el residuo y el lodo activado y hacer que el proceso funcione, así como también para que los sólidos estén en suspensión y no permitir su asentamiento dentro del tanque de aireación. Para diseño, en general, las normas recomiendan que el equipo de aireación sea capaz de mantener un mínimo de 2 mg/L de OD en el licor mezclado, en todo momento y proporcione una mezcla vigorosa del contenido de agua en el tanque de aireación. Requisitos nutricionales: En todo proceso de tratamiento biológico se requiere que los microorganismos reciban los elementos necesarios para formar el protoplasma, algunas aguas residuales contienen los elementos suficientes, existen otros afluentes que presentan deficiencias principalmente en Nitrógeno y fósforo, ocasionando graves problemas de crecimiento bacteriano y por tanto de remoción. Teóricamente, una relación de DBO/N/P de 100/5/1 es adecuada para tratamiento aerobio, con pequeñas variaciones según el tipo de proceso de tratamiento y modo de operación. Para tratamiento en procesos de mezcla completa de lodos activados se ha sugerido una relación DBO/N/P de 100/3,0/0,7. Cuando un agua residual presenta deficiencias en estos elementos se suministra Nitrógeno en forme de urea o amoniaco deshidratado, y si se requiere fósforo se agrega ácido fosfórico (H3PO4).

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Entre los microorganismos que degradan la materia orgánica presente en el agua residual, existe un grupo de bacterias llamadas filamentosas, que poseen la propiedad de expandirse y aumentar su área superficial, permitiéndoles tomar mayor cantidad de alimento. Esta característica hace que dichas especies adquieran mayor flotabilidad pero que a la vez pierdan sedimentabilidad.

Este inconveniente puede ser debido a:

Problemas de diseño: Tiempo de retención hidráulica inadecuado.

Problemas Operativos: inapropiada recirculación, formación de zonas sépticas, incorrecta concentración de oxígeno, o cualquier otro inconveniente causado por la persona encargada de operar la planta.

Si la cantidad de organismos filamentosos presentes es elevada, podemos encontrarnos con dos tipos de problemas biológicos:

1) Esponjamiento filamentoso o bulking

Se produce debido al crecimiento excesivo de bacterias filamentosas, que hace que las mismas interfieran en la compactación del flóculo en el decantador secundario, provocando problemas de sedimentación, ya que las mismas forman entramados, flotando en la superficie. Por este motivo, resulta primordial, analizar la muestra, a través de la observación microscópica, como método de detección de estos microorganismos.

Los métodos biológicos, mecánicos y químicos que se pueden aplicar para solucionar las dificultades ocasionadas por la presencia de bulking son los siguientes:

Biológicos:

- Agregar bacterias comerciales que compitan y degraden a las filamentosas. -Adicionar a los otros microorganismos presentes en el agua a tratar, potenciadores de crecimiento, como por ejemplo, ácido fólico, ya que las bacterias filamentosas no lo aprovechan de manera apropiada.

Mecánicos:

- Airear

-Recircular -Eliminar zonas muertas

Químicos -Colocar microbicidas (por ejemplo Cloro) para eliminar a los microorganismos en cuestión -Ajustar los nutrientes.

-Efectuar los procesos de coagulación y floculación en la salida del sedimentador secundario

2) Espumamiento biológico o Foaming:

Se produce debido a que los microorganismos filamentosos originan una espesa espuma coloreada (en colores del blanco al marrón) y en muchos casos, abundantes flotantes, que

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hacen que el lodo no sedimente. Generalmente se debe a la presencia de Nocardias y Gordonas, dos organismos filamentosos. Por este motivo, al igual que en el caso de bulking, es muy importante mandar a analizar la muestra para saber las especies existentes en el efluente y con base a los resultados corregir dicho inconveniente.

Los métodos que se pueden utilizar, en este caso, para solucionar dicha dificultad, son los siguientes:

Biológicos -Adicionar a los otros microorganismos presentes en el agua a tratar, potenciadores de crecimiento, como por ejemplo, el ácido fólico, ya que las bacterias filamentosas no lo aprovechan bien.

Mecánicos -Disminuir la aireación

-Incorporar lluvia con inyección de aire y antiespumante.

-Recircular

Químicos -Colocar microbicidas (por ejemplo Cloro) para eliminar a los microorganismos que causan problemas.

21.2. LAGUNAS AIREADAS En las lagunas aireadas se utilizaba un depósito excavado en el terreno, de profundidad entre 2 y 5 m, y el oxigeno necesario se introduce con aireadores de superficie o bien mediante difusores. El proceso es esencialmente el mismo que el de lodos activados. Una laguna aireada se diseña como laguna aerobia, con un dispositivo mecánico lo suficientemente potente para mantener los lodos en suspensión, o facultativa o de mezcla incompleta cuando el dispositivo apenas genera turbulencia y permite la sedimentación de sólidos, un sistema de tratamiento de lagunas aireadas, permite obtener remociones de DBO mayores del 90% y remociones de coliformes del 90 al 95% con periodos de aireación de 2 a 6 días. Las lagunas aireadas surgieron como solución a los problemas de malos olores existentes en las lagunas naturales de oxidación. En lagunas aireadas, con alta temperatura y bajas cargas, es posible obtener un grado alto de nitrificación. En el pasado, las lagunas aireadas solían ir seguidas de grandes estanques de sedimentación y sin recirculación de lodos, en la actualidad se utilizan muchas lagunas aireadas complementadas con instalaciones de sedimentación e incorporando recirculación de sólidos biológicos. En la figura No. 37 se encuentra el esquema de tratamiento de una laguna aireada.

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21.3. ZANJONES DE OXIDACION El zanjón de oxidación es un proceso de lodos activados, del tipo de aireación prolongada, que usa un canal cerrado, con dos curvas, una para la aireación y mezcla y la otra para la sedimentación. Como equipo de aireación y circulación del licor mezclado usa aireadores mecánicos del tipo cepillos horizontales, de jaula o de discos. La planta típica de un zanjón de oxidación no incluye sedimentación primaria, utilizan un solo canal concéntrico, un sedimentador secundario y lechos de secado de lodos. Los canales de aireación tienen profundidades entre 1,2 y 1,8 m con paredes laterales a 45°; sin embargo, se construyen también canales más profundos de 3,0 a 3,6 m. En general el zanjón se reviste de concreto o de otro material apropiado para prevenir la erosión y la infiltración. Los aireadores pueden instalarse fijos o flotantes, sobre uno o más sitios a lo largo del canal para suministrar suficiente velocidad dentro del zanjón, generalmente mayor de 0,30 m/s, así como para mantener el nivel de oxigeno disuelto requerido y los sólidos del licor mezclado en suspensión. La mayoría de los cepillos opera a velocidades de 60 a 110 RPM, sumergidos 5 a 30 cm, y producen tasas de transferencia de oxigeno entre 1,5 y 10 kg O2/h. Generalmente se instalan dos aireadores como mínimo para asegurar la aireación permanente del licor mezclado. La unidad de salida del sedimentador puede ser una caja con una compuerta de madera que permita variar el nivel del agua en el zanjón y ajustar la inmersión de las paletas del cepillo de aireación. Para el sedimentador secundario se utilizan cargas superiores de diseño de 15 a 20 m3/d para caudales promedio y de 40 a 80 m3/d para caudales pico; se recomiendan profundidades de 3,0 a 4,2 m. El zanjón de oxidación, adecuadamente diseñado y operado, prevee remociones promedio de DBO y SS mayores del 85%; tiene

AFLUENTE

LODO SECO

LAGUNA

AIREADA

AEROBIA

LAGUNA DE

SEDIMENTACION

Y LODOS

LAGUNA DE

MADURACION

LAGUNA

AIREADA

AEROBIA

TANQUE

DE

SEDIMENTACION

AFLUENTE EFLUENTE

DIGESTOR

AEROBIO

LECHOS DE

SECADO

FIGURA No. 37 PLANTAS DE TRATAMIENTO CON LAGUNAS AIREADAS

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capacidad de afectar un nivel alto de nitrificación por el tiempo de retención prolongado (24 horas) y contar con edades de lodos mayores de diez días. El zanjón de oxidación también se ha usado para remover nitrógeno mediante la producción de zonas aerobias y anóxicas dentro del canal, controlando la tasa de transferencia de oxigeno para que el OD de licor mezclado se agote en una porción del canal de aireación. La fuente de carbono para la desnitrificación, en la zona anóxica, se provee, en estos casos, alimentando el residuo crudo al canal, aguas arriba del inicio de la zona anóxica; con una operación cuidadosa se pueden lograr remociones de nitrógeno del 80%. Para una construcción económica, el zanjón debe localizarse con su longitud en paralelo con las curvas de nivel y el terreno debe permitir flujo por gravedad.

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Tanque

de sedimentación

final

Rejilla Afluente

Zanjón de Oxidación

Vertedero de

control de nivel

Cloración

Efluente

Rotor

Lodo

sedimentado

Bomba de

recirculación

de lodo

Lechos de secado o

Lagunas de lodos

FIGURA No. 38 PLANTA DE TRATAMIENTO CON ZANJÓN DE OXIDACIÓN

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LECCION 22. FILTRO PERCOLADOR Aunque el nombre de filtro supone retención de partículas, este tipo de filtro biológico no esta diseñado para ejercer una acción de tamizado del agua residual, sino para poner en contacto aguas residuales con biomasa adherida a un medio de soporte fijo. El medio filtrado suele estar formado de piedra, de diámetro entre 2,5 y 10,0 cm, la profundidad del lecho se sitúa entre 0,9 y 2,5 metros. Filtros percoladores con medio plástico, biotorres, se constituyen con profundidades hasta de 12 m. Cada filtro tiene un sistema de drenaje inferior para recoger el agua residual tratada y los sólidos biológicos que se desprenden del medio. El sistema de drenaje es importante como unidad de recolección y como estructura porosa a través de la cual circula el aire. La materia orgánica presente en el agua residual se degrada por la acción de la población de microorganismos adherido al medio. La materia orgánica del líquido es adsorbida en la película biológica, en cuyas capas externas (0,1 a 0,2 mm) se degrada bajo la acción de microorganismos aerobios. Cuando los microorganismos crecen, aumenta el espesor de la película y al oxigeno se consume antes que penetre en todo el espesor de la película, por lo tanto la proximidad de la superficie del medio, se crea un ambiente anaerobio conforme la película aumenta de espesor, la materia orgánica adsorbida se metaboliza antes de que pueda alcanzar los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante, en consecuencia los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante, se hallan en la etapa endógeno y pierden capacidad de adherirse a la superficie del medio, en estas condiciones el líquido arrastra la película a su paso por el medio, y se inicia el crecimiento de una nueva capa biológica. El fenómeno se muestra en la figura No. 39

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A

E

R

O

B

I

O

A

N

A

E

R

O

B

I

A

Activa Endo

gena

MEDIO

SOLIDO

DEL

FILTRO

LAMA

BIOLOGICA

RESIDUO

LIQUIDO

AIRE

Sustancias

Orgánicas

Sustancias

Inorgánicas

O2

CO2

OD

O2

Ácidos

Orgánicos

CH4

H2S

Aire O2

Agua Residual

DBO

Capa aerobia

Residual

Capa anaerobia

Película Biológica

(0,1 – 2,0 mm)

FIGURA No. 39 ESQUEMA DE PELÍCULA BIOLÓGICA EN UN FILTRO PERCOLADOR

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Los principales factores que hay que tener en cuenta para predecir el funcionamiento de los filtros percoladores son: Las cargas orgánicas expresadas como la relación de carga de DBO por unidad de tiempo y por unidad de volumen de filtro (kg DBO/m3d) y la carga hidráulica expresada como volumen total de líquido, incluyendo recirculación por unidad de tiempo, por área superficial de filtro, se expresa generalmente en m3/m2/d; y el grado de tratamiento necesario. La unidad de sedimentación es esencial en el proceso de tratamiento al retener los sólidos suspendidos lavados o renovados del filtro. Una acción común consiste en la recirculación de los lodos, ayudando a la inoculación y maduración del filtro, aumentando la eficiencia. El medio filtrante mas usado es piedra triturada, o grava de río por y entre los medio sintéticos PVC. En la tabla No. 21 se muestra las características principales de filtros percoladores. TABLA No.21 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS FILTROS PERCOLADORES

Características Tasa Baja o estándar

Tasa intermedia

Tasa Alta

Torres biológica

Desbaste

Carga hidráulica m3/m2d m3/m3.d

1 – 4 0,5 – 2,5

4 – 9* --

9 – 37* --

14 – 240* 57 – 171

Carga Orgánica kg DBO/ m3.d

0,08 – 0,320* 0,24 – 0,48+ 0,32 – 1,8+ ≤4,8 >2

Profundidad, m 1,5 – 3,0 1,0 – 2,5 0,9 – 2,5 ≤12 0,9 – 6,0

Medio Piedra, escoria

Piedra, escoria

Piedra, escoria sintético

Sintético Piedra o sintético

Relación de Circulación

0

0,5 – 2,0

0,5 – 4,0

1 – 4

0

Dosificación Intermitente Continua Continua Continua Continua

Moscas de filtros Muchas Pocas Pocas Pocas Pocas

Requerimientos de potencia, W/m3

2 – 4 2 – 8

6 – 10 10 – 20 -

Calidad del efluente

Nitrificado Nitrificado parcial

No nitrificado Nitrificación Baja

No nitrificado

% de remoción de DBO

80 – 85 50 – 70 40 – 80 65 – 85 40 – 85

* no incluye recirculación + Excluye recirculación

Con cargas menores de 0,08 kg DBO/ m3d y T>20°C se puede lograr una nitrificación >80%

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Con cargas menores de 0,1 kg DBO/ m3d y T>20°C se logran efluentes con DBO<20mg/L y SS<30 mg/L(2)

Fuente: ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales. 2002. Pág. 560.

22.1. BIODISCOS Los biodiscos son un sistema de tratamiento biológico secundario, para aguas residuales domésticas e industriales biodegradables, del tipo de crecimiento adherido o reactor de película fija. Las lamas o películas biológicas crecen sobre discos, en rotación a través del agua residual, montados sobre un eje horizontal. El proceso es muy similar al de filtros percoladores, con la película biológica en rotación dentro de agua residual sedimentada y dentro de la atmósfera para proveer de oxigeno a los organismos. El agua residual fluye en sentido paralelo o perpendicular al eje horizontal de rotación, al pasar de una etapa a otra o de un tanque a otro. Entre las ventajas de los biodiscos están las siguientes:

Simplicidad

Alta eficiencia de remoción de carbono y nitrógeno

Confiabilidad (con pretratamiento apropiado, generalmente sedimentación), resistencia a cargas choque y tóxicas.

Tiempos de retención cortos

Poco consumo energético, bajos costos de operación y mantenimiento.

Lodos de buena sedimentación

Generalmente no hay recirculación de efluente no de lodos

Construcción modular Entre las desventajas se pueden señalar:

Fallas en los discos, los ejes y los motores

Fugas de lubricantes Entre los principales factores de influencia sobre el proceso se indican:

Características del agua residual

Carga hidráulica

Carga orgánica

Velocidad rotacional de los discos

Profundidad de inmersión

Tiempo de retención

Temperatura del agua residual Los sistemas de biodiscos tratan aguas residuales crudas y pretratadas. Se prefiere tratar efluentes primarios para prevenir depósitos de sedimentos en los reactores. A medida que el agua residual pasa a través del sistema de tratamiento, el sustrato es removido como

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resultado de la oxidación biológica. Por lo general no se usa recirculación porque la experiencia indica que no contribuye apreciablemente a incrementar la eficiencia del proceso. El exceso de biomasa se desprende de modo continuo de la superficie de los discos como resultado del esfuerzo cortante originado por la rotación de los discos dentro del agua residual y por la descomposición celular. En la tabla No 22 se resumen las características típicas de los discos biológicos. El medio más usado desde 1972 es el polietileno de alta densidad, por su costo más bajo que el del poli estireno y porque los fabricantes han podido ensamblar así ejes de 8,2 m de longitud con área superficial de 9.300 a 16.700 m2, en diámetro de 3,7 m. Cada fabricante desarrolla configuraciones de medios diferentes, corrugados, para así aumentar la rigidez de los discos, incrementar el área superficial disponible, prolongar el tiempo de exposición al aire para mejorar la transferencia de oxigeno y mantener un contacto uniforme de la biopelícula con el agua residual. El biodisco plástico está hecho de hojas circulares, generalmente de 3,6 m de diámetro, unidas y ensambladas sobre ejes de 7,5 a 8,2 m de longitud. El espaciamiento entre hojas provee el vacío para distribución del agua residual y del aire. Para maximizar la remoción de DBO y de nitrógeno amoniacal se recomienda diseñar unidades de biodiscos de más de cuatro etapas, se aconseja asegurar que la carga orgánica a cualquier etapa sea menor de 12g de DBO soluble/m2/d o menor de 31 g de DBO total/2m/d. Sin embargo, las guías de diseño de los fabricantes varían ampliamente entre sí. Los tanques son de concreto o acero, por lo general, conformados a la geometría circular del medio para eliminar espacios muertos en los que podrían acumularse sólidos y causar condiciones sépticas y olores. Los tanques se dividen comúnmente en cuatro etapas, mediante paredes de concreto o pantallas removibles, para permitir flujo entre ellas y para que cada una actúe como un proceso separado de tratamiento, maximizando la efectividad del área superficial de medio provista. Los organismos de la primera etapa están expuestos a una concentración más alta de DBO y la reducen a una tasa alta. A medida que la concentración de DBO disminuye, de etapa a etapa, la tasa de remoción de DBO disminuye. El mecanismo de impulso del eje de rotación puede ser mecánico o de aire. En el de impulso mecánico se cuenta con un motor, cadena y correa impulsadora, reductor de velocidad y cojinetes. En el de impulso con aire se adhieren copas de plástico, al exterior del medio, para que un pequeño cabezal de aire, colocando debajo del medio, emita el aire dentro de las copas y cree una fuerza de empuje que haga rotar el eje. En ambos casos, el eje está soportado por dos cojinetes principales. En plantas de biodiscos diseñadas para efectuar nitrificación, se debe mantener un control permanente de pH y la alcalinidad. El pH debe ser lo más cercano a 8,4 y la alcalinidad del afluente debe ser 7,1 veces la concentración de amoníaco. Si es necesario se debe agregar bicarbonato de sodio para aumentar la alcalinidad y el pH.

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TABLA No. 22 CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE LOS DISCOS BIOLÓGICOS

Afluente Sedimentado

Carga Hidráulica Para remoción de DBO Para DBO/SS < 30/30 mg/L Para remoción de N Para DBO/SS < 15/15 mg/L y nitrificación

0,040 – 0,06 m/d 0,02 – 0,08 m/d 0,06 – 0,10 m/d 0,06 – 0,24 m/d 0,08 – 0,16 m/d 0,06 – 0,07 m/d 0,03 – 0,08 m/d

Carga Orgánica Sobre la primera etapa DBO soluble DBO total

50 - 60 g DBO/m2d < 100 g DBO/m2d < 31 g DBO/m2d 12 – 20 g DBO/m2d 30 – 40 g DBO/m2d

Tiempo de retención 50 – 70 minutos

Coeficiente de temperatura 1,02 – 1,04

Ejes Velocidad de rotación Longitud Diámetro Motores

1 – 2 RPM <7.5 m 13 – 25 mm 3,7 – 5,6 kW

Discos Número de discos por eje Número de etapas por serie Diámetro Espesor Material, planos o corrugados Sumergencia Velocidad de rotación periférica Separación Área de discos por eje Área superficial específica del medio

40 – 60 4 – 5 3,0 – 3,6 m 2 – 3 m 10 mm Poliestireno o polietileno 40% 20 – 30 cm/s 3 – 4 cm 9.300 – 11700 m2 115 – 175 m2/m3

Sedimentador secundario Carga de sólidos para caudal pico Tiempo de retención Carga superficial

147 – 176 kg/m2d 4 h 33 m/d

Efluente DBO total DBO soluble NH3 – N NO3 – N

15 – 30 mg/L 7 – 15 mg/L 1 – 10 mg/L 2 – 7 mg/L

Lodos Producción

0,04 – 0,50 kg/kg DBO removida

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Concentración de sólidos 2 – 5%

Eficiencia Remoción de DBO

80 – 95%

Energía Consumo

0.6 W/m2

Fuente: ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales. 2002. Pág. 620. 22.2. FILTROS DE PRETRATAMIENTO Los filtros de pretratamiento tienen como misión fundamental la eliminación de la materia orgánica fácilmente biodegradable, y se utilizan como instalaciones de pretratamiento para cargas orgánicas altas y como pretratamiento para realizar nitrificación. Generalmente están constituidos por materiales plásticos y el proceso microbiológico es igual al de filtros percoladores, con la excepción de que al utilizar cargas hidráulicas mayores tendrá un efecto de arrastre mucho más acusado. LECCION 23 PROCESOS ANAEROBIOS En términos generales, se registran tres generaciones de reactores anaerobios, las cuales se caracterizan porque en cada generación se reduce el tiempo de retención hidráulico (TRH) y mejora el contacto entre el lodo y el sustrato, lo cual significa menores volúmenes de reactor, costos más bajos, sistemas más estables y de más fácil operación. 23.1. REACTORES DE PRIMERA GENERACIÓN El tiempo de retención celular es igual al TRH, por lo que se requieren TRH muy altos, existe un contacto inadecuado entre la biomasa y la materia orgánica – entre estas se tiene: Lagunas Anaerobias, Tanque Séptico, Tanque Imhoff. 23.1.1. Lagunas Anaerobias. Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente como primera fase en el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con alto contenido en materia orgánica biodegradable. El objetivo primordial de estas lagunas es la reducción de contenido en sólidos y materia orgánica del agua residual, y no la obtención de un efluente de alta calidad, las lagunas anaerobias operan en serie con lagunas facultativas y de maduración, generalmente se utiliza un sistema compuesto por al menos una laguna de cada tipo en serie, para asegurar que el efluente final de la planta depuradora va a poseer una calidad adecuada durante todo el año. Algunas ventajas son:

Bajo costo, se requiere de áreas reducidas.

Buen rendimiento para el tratamiento de aguas residuales con altas concentraciones de materia orgánica.

Eficiencia probada en el tratamiento de una variedad de aguas residuales industriales biodegradables.

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Desventajas:

El proceso es sensible a factores ambientales como temperatura y pH.

El proceso es sensible a factores operativos como variaciones bruscas de carga.

Tienen un aspecto poco agradable y condiciones estéticas desfavorables (formación de natas, inciden en el mantenimiento).

El efluente del proceso tiene alto contenido de materia orgánica y color.

Presentan bajas tasas de mortalidad bacteriana, en comparación con otras opciones.

Emanaciones de malos olores ocasionales, en especial en los primeros años de operación.

Se deben construir a distancias considerables de los límites urbanos.

Rápida acumulación de sólidos, en comparación con otro tipo de lagunas, lo que deteriora la calidad del efluente.

Requiere de limpieza de lodos más frecuentemente. El ambiente anaeróbico se mantiene debido a:

La abundante carga orgánica hace que el oxigeno introducido en las lagunas con el afluente o por reaireación superficial se consuma rápidamente en la zona inmediatamente adyacente a la entrada o en la superficie.

La penetración de la luz necesaria para el crecimiento de las algas se ve impedida por la presencia de sulfuros metálicos en suspensión, como el sulfuro de hierro, responsables de la tonalidad gris de las lagunas anaerobias. Estos sulfuros acaban precipitando en el fondo de las lagunas, y provocan la coloración gris oscura o negra que presentan los fangos.

Los sulfuros solubles son tóxicos para las algas, de modo que los cortos períodos de residencia, la falta de iluminación y un ambiente de composición química hostil impiden el crecimiento de éstas y en consecuencia, mantienen el medio en condiciones anaerobias.

Puesto que las lagunas carecen de agitación, el aporte de oxigeno atmosférico es despreciable, debido a que la difusión de este gas en la columna de agua es muy lenta.

Además de las bacterias responsables de las etapas acidogénica y metanogénica de la degradación anaerobia, en ocasiones se desarrollan en estas lagunas otras bacterias que confieren una coloración rojiza. Se trata de bacterias fotosintéticas del azufre, que viven en la zona superficial y oxidan los sulfuros a azufre elemental, sus pigmentos le dan a las lagunas una coloración rosa o roja.

23.1.2. Tanques Imhoff. El sistema consta de un compartimiento inferior para digestión de los sólidos sedimentados, y de una cámara superior de sedimentación. Los sólidos sedimentados pasan a través de la abertura del compartimiento superior hacia la zona de digestión. El gas producido en el proceso de digestión, en la cámara de lodos escapa a través de la zona de ventilación. La remoción de los sólidos suspendidos puede ser de 45 a 70 %, y la reducción de DBO de 25 a 50 %.

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23.1.3. Tanque Séptico. El tanque séptico se caracteriza porque en él la sedimentación y la digestión ocurren dentro del mismo tanque; con lo anterior, se evitan los problemas de complejidad de construcción y excavación profunda del tanque Imhoff. El tanque séptico consiste esencialmente en uno o varios tanques o compartimentos, en serie, de sedimentación de sólidos. La función más utilizada del tanque séptico es la de acondicionar las aguas residuales domésticas en lugares donde no existe un sistema de alcantarillado. En estos casos sirve para:

Eliminar sólidos suspendidos y material flotante.

Realizar el tratamiento anaerobio de los lodos sedimentados.

Almacenar lodos y material flotante. La remoción de DBO en un tanque séptico pude ser del 30 al 50%, de grasas y aceites un 70 a 80%, de fósforo un 15% y de un 50 a 70% de SS, para aguas residuales domésticas típicas.

EFLUENTE

Pantalla para

espumas

VENTILACION

CAMA DE LODO

SEDIMENTACION

BIOGAS

ZONA DE DIGESTION

CAMA DE LODO

VENTILACION

AFLUENTE

AFLUENTE

FIGURA No. 40 TANQUE SEPTICO Y TANQUE IMHOFF

Tanque Séptico Tanque Imhoff

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LECCION 24. REACTORES DE SEGUNDA GENERACIÓN Se caracterizan por el hecho de que tienen mecanismos para retención de los lodos. Los dos mecanismos más aplicados son a) inmovilización del lodo por adhesión a material sólido - Filtros anaerobios de flujo ascendente y descendente; b) separación líquido-sólido del efluente, con el retorno de los sólidos separados al reactor - UASB, el cual usa un sedimentador interno (ver Figura 19b). 24.1. Filtros anaerobios descendentes y ascendentes. Esta constituido por un tanque o columna, relleno con un medio sólido para soporte de crecimiento biológico anaerobio. El agua residual es puesta en contacto con las bacterias adheridas al medio y como las bacterias son retenidas sobre el medio y no salen en el efluente, se obtiene tiempos de retención celular alta con tiempos de retención hidráulicos cortos. Los filtros anaerobios pueden ser utilizados para desnitrificar efluentes ricos en nitratos o como pretratamiento. El filtro anaerobio utiliza como soporte piedra, anillos de plástico colocados a l azar. La mayor parte de la biomasa se acumula en los vacíos intersticiales existentes entre el medio. Varios estudios demuestran que estos filtros logran remociones del 80 % de DBO y hasta el 88 %de DQO.

AFLUENTE

MEDIO DE

TRANSPORTE

BIOGAS

EFLUENTE

FIGURA No. 41 FILTRO ANAEROBIO ASCENDENTE

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24.2. Sistema de manto de lodos de flujo ascendente (UASB). En este proceso el agua se introduce por el fondo del reactor y fluye a través de un manto de lodos biológicos conformado por granos biológicos o partículas de microorganismos con buenas características de sedimentación, parte del gas producto de la digestión anaerobia, se adhiere a partículas biológicas , y en conjunto con el gas libre ascienden y chocan contra unas pantallas deflectoras superiores cuya función primordial es la separación de los gránulos ; los gránulos desgasificados descienden y el gas se libera, la porción líquida es conducida a un sistema sedimentador. 24. 2. REACTORES DE TERCERA GENERACIÓN Para optimizar el contacto entre el sustrato y la biomasa, esta se adhirió con partículas de arena, alúmina o plástico, constituyendo los reactores de lecho fluidizado o expandido.

24.2..1. Reactores de lecho fluidizado o expandido. Es un proceso en el cual el agua residual fluye, mediante bombeo a traves de un lecho compuesto por arena, antracita o carbón activado, formando un crecimeinto biologico adheridoal medio. Las velocidades ascensionales respecto al sistema UASB son mucho mas altas, para fluidizar el medio. Con

DEFLECTOR

BIOGAS

EFLUENTE

AFLUENTE

G-S-L

MANTO DE LODO

SEPARADOR

FIGURA No. 42 SISTEMA UASB

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el proposito de evitar taponamientos el medio de soporte es de gran area superficial por unidad de volumen y se aplica el afluente por la parte inferior. El area superficial de las particulas puede ser de 9.000 a 11.000 m2/m3. Este método ha mostrado gran efectividad para aguas residuales con baja concentración de DQO y sólidos suspendidos, concentraciones elevadas por su bajo tiempo de retención hidraulica no es aconsejable. LECCION 25. LIMITACIONES ASOCIADAS CON LA DIGESTIÓN ANAEROBIA 25.1. ARRANQUE DE REACTORES ANAEROBIOS una característica particular de los microorganismos anaerobios es su baja tasa de crecimiento; por lo tanto, al iniciar el proceso de arranque del reactor se requiere de un periodo de tiempo que dependerá de la calidad y cantidad de inóculo utilizado. Sin embargo, en los casos en que no se cuenta con inóculos adecuados, esta etapa se puede prolongar, incluso hasta condiciones críticas en las que nunca alcanza la estabilidad. Por ello, el arranque de reactores anaerobios requiere contar con herramientas apropiadas para la obtención y evaluación de los inóculos más eficientes.

AFLUENTE

EFLUENTE

LECHO

FLUIDIZADO

FIGURA No. 43 REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO

RECIRCULACION AGUA SEDIMENTADA

BIOGAS

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25.2. POSTRATAMIENTOS La digestión anaerobia es un proceso eficiente para la remoción de materia orgánica, pero tiene poco efecto sobre la concentración de nutrientes (nitrógeno y fósforo), y sobre la remoción de patógenos es apenas parcial. Dependiendo de la disposición final del efluente y de la legislación local sobre la calidad mínima de vertimientos, puede existir la necesidad de postratamientos para remover la concentración residual de la materia orgánica y de sólidos suspendidos, y para reducir la concentración de nutrientes y patógenos. Los recursos tecnológicos más utilizados incluyen procesos biológicos como Lodos Activados, Filtros Percoladores, Lagunas de Oxidación, Humedales y Plantas Acuáticas; también pueden ser utilizados procesos físicos, químicos o fisicoquímicos como Filtración en Arena, Desinfección y Floculación- Coagulación (van Haandel, 1994). 25.3. PRODUCCIÓN DE OLORES Una de las características más llamativas asociada con la tecnología anaerobia es la producción de malos olores, atribuida a la generación de compuestos azufrados como el H2S en el biogás. Estos compuestos tienen un olor muy ofensivo que se ha convertido en la principal causa para que se exija el cubrimiento total del sistema de tratamiento y un adecuado y efectivo sistema de recolección, tratamiento y disposición del biogás y de los gases generados. AUTOEVALACION 5 Conforme grupos de trabajo y realicen una visita a una planta de tratamiento de aguas residuales (preferencialmente empresa de alimentos), identifiquen las operaciones de tratamiento que allí se encuentran, elaboren el diagrama de flujo del tratamiento: Ayudado con la información obtenida en la primera unidad sobre características de las aguas residuales y con la información suministrada por la empresa, proponga un nuevo diseño (diferente tecnología), muestre las ventajas y desventajas de cada uno, tenga en cuenta los siguientes criterios.

Facilidad de limpieza y mantenimiento.

Eficiencia.

Operación.

Área requerida.

Porcentaje de remoción.

Olores emitidos.

Residuos generados.

Costos de operación. Construya un documento, preséntelo a su tutor y socialice a sus compañeros de curso el informe para discusión y evaluación.

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CAPITULO 3. TRATAMIENTO TERCIARIO

INTRODUCCION Los tratamientos terciarios, avanzados o finales se han hecho necesarios a medida que se han incrementado los efectos de compuestos que escapan al tratamiento secundario, especialmente compuestos nitrogenados, fósforo, metales pesados, DQO soluble. Estos tratamientos incluyen operaciones y proceso unitarios como desinfección, adsorción, absorción, ultra filtración entre otros. Se incluye dentro de los tratamientos terciarios la adecuación y disposición final de lodos originados en las diferentes etapas principalmente en el proceso biológico. OBJETIVOS

Comprender la importancia del tratamiento terciario.

Describir las operaciones y procesos empleados en el tratamiento terciario.

Establecer los métodos de disposición de lodos.

Aplicar una matriz para seleccionar el sistema de tratamiento de aguas residuales GENERALIDADES El objetivo principal de los tratamientos terciarios es la eliminación de contaminantes que perduran después de aplicar los tratamientos primario y secundario; son específicos y costosos, que se usan cuando se requiere un efluente final de mayor calidad que la obtenida con los tratamientos convencionales. Las principales técnicas son: - Arrastre con vapor de agua o aire: denominados como procesos de “stripping”, para la eliminación de compuestos orgánicos volátiles (COV), como disolventes clorados (tricloroetileno, clorobenceno, dicloroetileno, etc.) o contaminantes gaseosos (amoníaco, etc.). - Procesos de membrana: en estos procesos el agua residual pasa a través de una membrana porosa, mediante la adición de una fuerza impulsora, consiguiendo una separación en función del tamaño de las moléculas presentes en el efluente y del tamaño de poro de la membrana.

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- Intercambio iónico: sirve para eliminar sales minerales, las cuales son eliminadas del agua residual que atraviesa una resina, por intercambio con otros iones (H+ en las resinas de intercambio catiónico y OH- en las de intercambio aniónico) contenidos en la misma. - Adsorción con carbón activo: para eliminar compuestos orgánicos. Se puede utilizar en forma granular (columnas de carbón activado granular: GAC) y en polvo (PAC). - Procesos de oxidación: sirven para eliminar o transformar materia orgánica y materia inorgánica oxidable. Una de las principales funciones del tratamiento terciario es la desinfección, veamos los métodos mas usados:

LECCION 26. DESINFECCION

La desinfección es la destrucción selectiva de los organismos causantes de enfermedades, no todos los organismos se destruyen durante el proceso. Esto es lo que diferencia la desinfección de la esterilización, la cual conduce a la destrucción de la totalidad de los organismos. La desinfección de las aguas residuales suele realizarse mediante agentes químicos, físicos, medios mecánicos y radiación. Los agentes químicos utilizados como desinfectantes incluyen el cloro y sus compuestos, el bromo, yodo, ozono, fenol y compuestos fenólicos, alcoholes, metales pesados y compuestos afines, colorantes, jabones y detergentes sintéticos, compuestos amoniacales cuaternarios, agua oxigenada y diversos álcalis y ácidos. Un desinfectante químico debe cumplir entre otras con las siguientes características: Alta toxicidad a disoluciones elevadas. Soluble en agua y en los componentes citoplasmáticos. Persistencia de la acción germicida con el tiempo. Penetrar a través de las superficies celulares. No debe ser inactivado por la mayoría orgánica diferente de los componentes celulares. Efectivo a temperatura ambiente. Disponible en grandes cantidades y a precio razonable. No existe un desinfectante que presente todas las características anteriores, sin embargos algunos como los productos químicos oxidantes, especialmente el cloro cumplen con un mayor número de estas. La luz ultravioleta y el calor son los agentes físicos más utilizados, aunque su aplicación en aguas residuales resulta demasiado costosa.

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Los medios mecánicos como los tamices y desarenadores cumplen su propósito principal de separar los sólidos suspendidos en el agua residual y simultáneamente contribuyen con la desinfección, disminuyendo la contaminación biológica. Finalmente, las radiaciones electromagnéticas, acústica y de partículas permiten efectuar la desinfección debido a su alto poder de penetración. 26.1. MECANISMOS DE ACCION DE LOS DESINFECTANTES El mecanismo que sigue el proceso de desinfección es el siguiente: Rompimiento de la pared celular. Modificación de la permeabilidad de la membrana celular. Alteración de la naturaleza coloidal del protoplasma Inhibición de la actividad enzimática. El daño o destrucción de la pared celular da lugar a la lisis celular y a la muerte de la célula. 26.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ACCION DE LOS DESINFECTANTES La eficiencia de la desinfección es afectada por: El tiempo de contacto Tipo y concentración del agente químico Intensidad y naturaleza del agente físico Temperatura Población biológica Tipos de organismos Naturaleza del medio líquido El tiempo de contacto constituye la variable más importante en el proceso de desinfección, en general, a mayor tiempo de contacto, mayor porcentaje de destrucción de células.

26.3. DESINFECCIÓN CON CLORO

El cloro gaseoso (Cl2), el hipoclorito sodio (NaOCl), el hipoclorito de calcio [Ca(OCl)2], y el dióxido de cloro (ClO2). Son uno de los desinfectantes comúnmente utilizados, El cloro gaseoso es de color amarillo verdoso, soluble en agua en la proporción de tres volúmenes de gas en uno de agua a la presión y temperatura ordinarias (se denomina agua de cloro). El agua de cloro es un oxidante energético. Lentamente, en la oscuridad y con mayor rapidez bajo la acción de la luz, el agua de cloro se descompone en cloruro e hipoclorito (o ácido hipocloroso), esta descomposición se ve favorecida por los medios básicos, según se puede ver en la reacción:

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El equilibrio químico en esta reacción se encuentra desplazado hacia la derecha; consecuentemente, se pueden disolver grandes cantidades de cloro en el agua. El ácido hipocloroso producido en la reacción anterior se ioniza de acuerdo con la reacción La constante de ionización de esta reacción es: Ki = [H+] [OCl-] / [HOCl] = 3,7 X 10-8 a 25°C La cantidad de ácido hipocloroso (HOCl) y de ion hipoclorito (OCl-) presente en el agua se denomina cloro libre disponible y su distribución relativa es dependiente del pH. La eficiencia microbicida del HOCl es 40 a 80 veces mayor a la del OCl- por tal razón el porcentaje de estas formas es muy importante.

A pH = 7,5 la concentración de ácido hipocloroso e hipoclorito, será del 50% para cada especie. A valores de pH > 7,5 predominará la forma ionizada y a pH < 7,5 predominará el ácido sin ionizar.

26.3.1. CLORACIÓN AL BREAKPOINT

La cloración al breakpoint, es el proceso de cloración de las aguas con la cantidad suficiente para producir dos efectos importantes: la presencia de cloro residual libre (lo que nos permite la desinfección total con toda seguridad) y la eliminación del nitrógeno de las aguas.

Debido al elevado poder oxidante del cloro y sus compuestos, al añadir cloro al agua residual se produce la oxidación de las sustancias, transformándose el cloro en ión cloruro, en consecuencia no existirá cloro residual mientras se mantengan estas reacciones. Cuando todas las sustancias fácilmente oxidables han reaccionado, empieza la reacción con el amoniaco, formando las cloroaminas y en consecuencia, tendremos en las aguas un cloro combinado disponible; si se va incrementando la dosis de cloro, la monocloramina y la dicloramina se transforman en tricloruro de nitrógeno, óxido nitroso y nitrógeno, reduciéndose el cloro a ion cloruro. La dosis de cloro necesaria para que todas las cloraminas se oxiden a óxido nitroso y nitrógeno es lo que se denomina breakpoint.

Las reacciones que tiene lugar durante todo el proceso de cloración son las siguientes:

Cl2 + H2O HOCl + H+ + Cl-

HOCl H+ + OCl-

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Estas reacciones son altamente dependientes del pH, de la temperatura, del tiempo de contacto y de la relación inicial entre cloro y amoníaco. Las dos especies que predominan en la mayoría de los casos son la monocloramina y la dicloramina. El cloro presente en estos compuestos se llama cloro combinado disponible.

Si expresamos el amoniaco como nitrógeno (N) y el ácido hipocloroso como cloro gaseoso (Cl2), teniendo en cuenta que dos moles de amoniaco reaccionan con tres moles de ácido hipocloroso, la reacción en el breakpoint necesitaría una relación de cloro nitrógeno amoniaco de 7,6: 1,0 En la práctica, debido a las diferentes reacciones que hemos descrito y que se pueden realizar, la reacción se encuentra entre 8:1 y 10:1.

Los fenómenos que resultan al añadir cloro a un agua residual que contenga amoníacos pueden explicarse con base en la figura No. 44

NH3 + HOCl NH2CL + H2O

Monocloramina

NH2Cl + HOCl NHCL2 + H2O

Dicloramina

NHCl2 + HOCl NCL3 + H2O

Tricloruro de nitrógeno

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Cuando se añade cloro, las sustancias fácilmente oxidantes tales como Fe (II), Mn (II), H2S y la materia orgánica reaccionan con el cloro reduciendo la mayor parte de este a ion cloruro (punto A). Tras satisfacer esta demanda inmediata, el cloro continuará reaccionando con el amoníaco para formar cloraminas entre los puntos A y B. En el caso de relaciones molares de cloro a amoníaco menores que 1, se formarán monocloramina y dicloramina. La distribución de estas formas viene dictada por sus velocidades de formación, que son dependientes del pH y de la temperatura. Entre el punto B y el punto de quiebre (breakpoint) algunas de las cloraminas se convierten en tricloruro de nitrógeno, mientras que las cloraminas restantes se oxidarán a óxido nitroso y nitrógeno (N2), reduciéndose el cloro a ion cloruro. Con la adicción continuada del cloro, todas las cloraminas se oxidarán en el breakpoint. Adicionalmente a la reacción de formación del tricloruro de nitrógeno indicada anteriormente, los gases mencionados se forman según las siguientes reacciones:

Clo

ro r

esid

ual

, m

g/l

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

Destrucción de

cloraminas y

compuestos

organoclorados Destrucción

del cloro

residual por

compuestos

reductores Cloro residual

libre y combinado

Punto de

(Breakpoint)

Clo

ro r

esid

ual

lib

re

Clo

ro R

esid

ual

com

bin

ado

0 0,1 A 0,2 0,3 0,4 0,5 B 0,6 0,7 0,8 0,9

1,0

Cloro residual libre y combinado

Formación de compuestos

Organoclorados y cloraminas

Formación de cloro libre

y presencia de compuestos

organoclorados no destruidos

Cloro añadido, mg/l

FIGURA No. 44 CURVA GENERALIZADA OBTENIDA DURANTE LA CLORACION AL BREAKPOINT

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La adición de cloro más allá del breakpoint dará como resultado un aumento directamente proporcional del cloro libre disponible (hipoclorito sin reaccionar). La razón principal para añadir cloro suficiente hasta obtener cloro residual libre, es que la desinfección se logrará con toda seguridad. A veces, debido a la formación del tricloruro de nitrógeno y sus compuestos afines, se han presentado graves problemas de olor durante las operaciones de cloración da lugar a su reacción con la alcalinidad del agua residual y en casi todos los casos, la disminución del pH será pequeña. La presencia de compuestos adicionales que reaccionen con el cloro puede alterar mucho la forma de la curva de breakpoint. La cantidad de cloro que debe añadirse para alcanzar un nivel deseado de cloro residual se llama demanda de cloro.

26.4. DECLORACION

La decloración de las aguas residuales consiste en la eliminación de todo el cloro residual combinado. Tal como se ha dicho anteriormente, con el cloro reaccionan muchos compuestos orgánicos, algunos de estos compuestos pueden ser altamente tóxicos para la flora y la fauna del medio en que se vierten las aguas. Algunos estudios han llegado a la conclusión que las aguas cloradas después de un tratamiento biológico o de precipitación química, aumentan de toxicidad, de aquí la necesidad de la decloración, para eliminar todos estos posibles compuestos tóxicos.

Los mejores agentes de decloración son el dióxido de azufre y el carbón activado. También se pueden utilizar el sulfito sódico y el metabisulfito sódico.

26.4.1. Decloración con dióxido de azufre. El dióxido de azufre es un gas incoloro, de olor picante típico y reductor. Si se satura el agua con dióxido de azufre, existe fundamentalmente este gas, una bajísima concentración de ácido sulfuroso, algo de bisulfito y muy poco sulfito. Si el medio es básico, la transformación de dióxido de azufre en los compuestos

NH2Cl + NHCL2 + HOCl N2O + 4HCl 4NH2Cl + 3CL2 + H2O N2 + N2O + 10HCl 2NH2Cl + HOCl N2 + H2O + 3HCl NH2Cl + NHCL2 N2 + 3HCl

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mencionados será mayor. Todos los compuestos acuosos que se forman son reductores, de ahí la reacción con el cloro y los compuestos clorados, dado el carácter oxidante de estos. En consecuencia, el SO2, SO3H2, SO3H

- y el SO3=, reaccionaran sucesivamente con el cloro

libre, cloraminas, tricloruro de nitrógeno y compuestos policlorados, según las siguientes reacciones:

La misma reacción de oxidación-reducción harán los compuestos en disolución procedentes del dióxido de azufre.

Debe tenerse en cuenta que tanto el dióxido de azufre como sus compuestos en disoluciones acuosas lo suficientemente reductores como para reaccionar con el oxígeno atmosférico y en disolución, transformarse en ión sulfato, en consecuencia puede resultar un aumento de los valores de DBO, DQO y un posible descenso de pH.

26.4.2. Adsorción con carbón activado. El proceso por el cual los iones, o las moléculas, son retenidos sobre la superficie de un sólido. El sólido recibe el nombre de adsorbente y la sustancia que es absorbida el nombre de adsórbalo.

El carbón activo es adsorbente utilizado en el tratamiento de aguas residuales y su principal aplicación se encuentra en el refino de las aguas procedentes de tratamientos químicos o biológicos.

La decloración mediante adsorción sobre carbón activado proporciona una completa eliminación tanto del cloro residual libre como del combinado Cuando se emplea carbón activado las reacciones que tienen lugar son las siguientes:

Reacciones con el cloro:

Reacciones con las cloraminas:

SO2 + HOCl + H2O Cl- +SO4= + 3H+

SO2 + NH2Cl + 2H2O Cl- +SO4= + NH4

+ + 2H+

C + 2Cl2 + 2H2O 4HCl + CO2

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Dado que se ha podido comprobar que la utilización del carbón granular en columnas es muy efectiva y fiable, siempre se debe tener en cuenta a la hora de plantearse la necesidad de decloración. Es de esperar que la principal aplicación del carbón activado se dará en situaciones en las que también sean necesarios altos niveles de eliminación de materia orgánica.

26.5. OZONIZACIÓN

El ozono tiene básicamente dos aplicaciones importantes en el tratamiento de aguas residuales (que son iguales a las del cloro): desinfección y eliminación de materia orgánica refractaria.

El ozono es un elemento oxidante con propiedades bactericidas similares al cloro. Al añadir ozono al agua se convierte rápidamente en oxígeno, en consecuencia, no se obtienen en el efluente tratado ningún compuesto químico residual que pueda requerir su eliminación. No produce sólidos en disolución, no reacciona con el amoníaco y no depende del pH del agua tratada; por otra parte introduce oxigeno puro y cuando en las aguas tratadas con cloro sea necesarias la decloración. Los mayores inconvenientes de la ozonización de las aguas son su costo con relación al cloro y que no deja una desinfección residual (caso del cloro, el cloro residual libre).

El ozono (igual que el cloro) puede utilizarse para reducir la materia orgánica residual, procedente de los tratamientos biológicos, que está constituida generalmente por compuestos orgánicos polares de bajo peso molecular y por compuestos orgánicos complejos. Cuando se utiliza el ozono para la destrucción de la materia orgánica refractaria, la desinfección es un beneficio adicional.

LECCION 27. DESINFECCIÓN CON RAYOS ULTRAVIOLETAS

La desinfección de aguas de abastecimiento basada en la radiación emitida por fuentes de rayos ultravioletas (UV) se ha empleado encontradas ocasiones desde el siglo XX. Aunque su primer uso se centraba en la desinfección de aguas de suministro de alta calidad, recientemente se ha experimentado un renovado interés en la aplicación de esta técnica de cara ala desinfección de aguas residuales. Se ha podido comprobar que una correcta dosificación de rayos ultravioletas es un eficaz bactericida y virucida además de no contribuir a la formación de compuestos tóxicos

_ C + 2NH2Cl + 2H2O CO2 + 2NH4 + 2Cl- C + 4NHCl2 + 2H2O CO2 + 2N2 + 8H- + 8Cl-

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27.1. ELIMINACIÓN DE SUSTANCIAS INORGÁNICAS DISUELTAS

La eliminación de sustancias inorgánicas es otro objetivo del tratamiento terciario, se puede realizar con las operaciones siguientes: precipitación química, intercambio iónico, osmosis inversa y ultrafiltración.

De las cuatro operaciones indicadas, quizá la de mayor aplicación sea la precipitación química. Los procesos de intercambio iónico, ósmosis inversa y ultrafiltración son procesos viables y de futuro, sobre todo en el tratamiento de aguas residuales industriales, ya que dichas operaciones permitirán la reutilización mayoritaria de estas aguas.

27.1.1. Intercambio Iónico. El intercambio iónico es un proceso en el cual los iones en disolución reemplazan a otros iones que están en la matriz insoluble del intercambiador. Las resinas de intercambio iónico se dividen en catiónicas y aniónicas. El agua a tratar se hace pasar por un intercambiador catiónico donde los cationes disueltos sustituyen a los iones hidronio de la columna; a continuación pasa el efluente por un intercambiador aniónico, en donde los aniones disueltos sustituyen a los iones hidroxilo de la resina. Los intercambiadores de iones son columnas de lecho compacto con flujo descendente de agua a tratar. Altas concentraciones de sólidos en suspensión en afluentes a tratar puede producir obturaciones de la columna, causando pérdidas de carga elevadas y disminuir la eficacia del tratamiento.

La materia orgánica se encuentra en las aguas residuales a tratar, puede dar lugar al aglutinamiento de las resinas.

Cuando las resinas están agotadas debe hacerse un lavado de regeneración en contra corriente; en las columnas catiónicas la regeneración se realiza con un ácido fuerte (clorhídrico o sulfúrico) y en las aniónicas se realiza generalmente con hidróxido sódico.

No todos los iones se eliminan por igual en un tipo de resina, y cada tipo de resina se caracteriza por una selectividad determinada para ciertos iones. Se puede obtener eliminaciones de iones en disolución del 90 al 99%.

Recientemente se han estudiado intercambiadores aniónicos y catiónicos con una matriz celulosíca, denominada cintica rápida, en donde los aniones y cationes minerales, son fácilmente retenidos y la regeneración de la celulosa es fácil utilizando volúmenes regeneradores muy pequeños, y la capacidad del intercambio es totalmente recobrada en cada ciclo. Las aguas coloreadas pueden producir un proceso de tinte en la celulosa en un proceso de tipo poco reversible y, en consecuencia, entorpecer el proceso de regeneración.

Los procesos de intercambio iónico de cintica rápida pueden ser acoplados en serie con otros procesos de tratamiento de aguas residuales aumentando sustancialmente el grado de depuración de las aguas residuales.

27.1.2. Osmosis Inversa. La ósmosis inversa se emplea para la eliminación de iones disueltos y reduce, más selectivamente que otros métodos, la materia orgánica disuelta.

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El proceso consiste en separar el agua de las sales disueltas, filtrándola a través de una membrana semipermeable a una presión mayor que la osmótica causada por las sales disueltas en el agua.

Los problemas más importantes de la ósmosis inversa son su alto costo, la necesidad de un agua a tratar que no este contaminada con sólidos en suspensión, agua con bajos contenidos de hierro y manganeso, así como un pH comprendido entre 4,0 y 7.5.

La ósmosis inversa, más que un tratamiento directo de aguas residuales, es un tratamiento para la reutilización de aguas residuales tratadas o, si se emplea directamente en aguas residuales industriales, debe ser un agua que no nos produzca incrustaciones en las membranas ya que se pueden llegar a obturarlas.

27.1.3. Ultrafiltración. Al igual que el intercambio iónico y la osmosis inversa, la ultrafiltración es un proceso de tratamiento y reutilización de aguas residuales industriales, con o sin ningún tratamiento previo, así como de aguas residuales urbanas con tratamientos convencionales previos.

La ultrafiltración nos permite también la recuperación de productos utilizados en los procesos industriales.

El agua residual a tratar se hace circular a presión, a lo largo de una membrana, con poros de diámetro suficiente, para retener las moléculas de productos diferentes al agua; de esta forma se consigue al final de la ultrafiltración un permeato con poca contaminación (agua y moléculas del mismo o menor tamaño) y un concentrado con las sustancias contaminantes de mayor tamaño molecular que el agua.

La recirculación del concentrado en los ultrafiltros, aumentará la concentración del producto a recuperar.

LECCION 28. MANEJO Y DISPOSICION DE LODOS El tratamiento de las aguas residuales produce una serie de subproductos como son los residuos de las rejas, desarenadores y sedimentadores. Este caso específico se refiere a los productos retenidos en los sedimentadores tanto primarios como secundarios y que vienen a conformar la parte más importante de los subproductos. Los lodos antes de su disposición final deben ser acondicionados a causa del alto contenido de materia orgánica putrescible y que no pueden ser dispuestos libremente. El lodo procedente de las plantas de tratamiento, varía según el tipo de planta. En líneas generales se puede indicar que los lodos provienen de la sedimentación primaria y representa entre el 0,22% y el 0,93% del volumen de agua residual y el contenido de sólidos volátiles es del 63% al 83%. En el caso de los lodos provenientes de la sedimentación secundaria, varían en función de los procesos. Los lodos resultantes de los filtros percoladores muestran un rendimiento de 0,08% a 0,10% del caudal tratado y el contenido de sólidos volátiles es del 60% en promedio.

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Los lodos activados comúnmente presentan rendimiento del 1,2 al 1,5 del volumen de agua tratado con un contenido de humedad de 97% al 99%. En el Tabla No. 23 se resumen las características de los lodos procedentes de diferentes procesos de tratamiento. TABLA No. 23 CARACTERÍSTICAS DE LODOS

TIPO DE LODO

ASPECTO OLOR SECADO HUMEDAD (%)

Primario Pardo y pegajoso

Fuerte Difícil 95.0 - 97.5

Secundario

Filtro biológico Ceniciento floculento

Medio Medio 92,0 – 95,0

Lodo activado Marrón floculento

Suave Difícil 98,5 – 99,5

Precipitación química

Ceniciento gelatinoso

Fuerte Difícil 93,0 – 95,0

Lodo séptico Negro Fuerte

Lodo digerido

Negro homogéneo granular

Suave Fácil

S.P. 87 F.B. 90 L.A. 93 P.Q. 90

S.P. Sedimentador primario F.B. Filtro biológico L.A. Lodo activado P.Q. Precipitación química Fuente: Curso Internacional “Gestión Integral de Tratamiento de Aguas Residuales”. CEPIS/OPS- OMS. Septiembre de 2.002. En la figura 45 se representa los posibles tratamientos del lodo, las flechas indican el flujo del lodo, cada proceso genera residuos que pueden ser llevados a una nueva operación o a disposición final. La parte derecha relaciona las diferentes alternativas tecnológicas de cada operación, su aplicación depende de criterios técnicos y económicos. En términos generales las operaciones de manejo de lodos son: concentración, digestión, deshidratación, secado, incineración y disposición final en rellenos sanitarios o en terreno

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Concentración

Digestión

Deshidratación

Secado

Incineración

Sedimentación y resedimentación

por gravedad

Concentración Mecánica

Flotación Biológica y a presión o

vacío.

Aireación aeróbica extendida

Digestión anaeróbica

Flotación

Filtración al vacío

Centrifugado

Secado al aire y en lechos

Secado por fluizado y

calentamiento

Oxidación húmeda por

calentamiento y presión.

En hornos de hogar múltiples de

los lodos deshidratados

Fluidizada de los sólidos secados

por calor,

FIGURA No. 45 FLUJO PARA MANEJO DE SÓLIDOS

Disposición final

LODOS

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De éstos, la digestión, incineración u oxidación por vía húmeda son los más empleados para la reducción de la materia orgánica, y la concentración, acondicionamiento y deshidratación para la eliminación de la humedad. El tratamiento de la materia orgánica persigue: (a) Reducción apreciable del contenido de la materia orgánica volátil. (b) Aumento del contenido de sólidos fijos. (c) Reducción del contenido de humedad. (d) Mayor posibilidad de drenaje del agua contenida en los lodos. (e) Producción de gases, principalmente metanos. Veamos algunas consideraciones generales de estos procesos: 28.1 ESPESAMIENTO. Para concentrar los sólidos se utiliza espesamiento por gravedad. Los sedimentos primarios se pueden espesar hasta 6 o 8% y los secundarios hasta 2%. El espesamiento por gravedad tiene algunos aspectos negativos; la actividad microbiana crea olores molestos e hidroliza parte de los compuestos orgánicos. El flujo de retorno devuelve algunos sólidos y compuestos orgánicos solubles al sistema de tratamiento, para su eliminación por segunda vez. 28.2. FLOTACION La flotación con aire es satisfactoria para concentrar sedimentos secundarios hasta aproximadamente 4%. Por lo general, los sólidos que entran se saturan con aire a una presión de 275 a 350 kPa (40 a 50 psi) antes de llegar al tanque de flotación. A medida que el aire entra en contacto con la solución, las burbujas finas recolectan en su parte inferior los sólidos en suspensión y los transportan a la superficie del tanque. Los sólidos espesados se raspan de la superficie, en tanto que el efluente se extrae de la mitad del tanque y se devuelve al sistema de tratamiento. 28.3. CENTRIFUGACION Las centrifugas dan por resultado una captación de sólidos de 85 a 90%, con una buena operación. El problema es que la zona central del centrifugado contiene los sólidos finos, cuya eliminación no es fácil y, por lo general es la parte del producto centrifugado se devuelve al proceso de tratamiento, de donde puede ser extraída o no. Desde el punto de vista económico, las centrifugas no se recomienda a menos que la concentración de la torta de sedimento producida tenga por lo menos de 20 a 25% de sólidos. 28.4. DIGESTION ANAEROBIA Ya que los componentes orgánicos del sedimento primario o secundario contienen compuestos biodegradables, los sedimentos concentrados se pueden tratar mediante una digestión anaerobia. Los digestores anaerobios son grandes tanques cubiertos con tiempos

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de retención que varían entre 20 y 30 días, en función del volumen de sedimento que se agrega diariamente. Se construyen dos digestores anaerobios de iguales a dimensiones y se operan en serie, para que cada unidad tenga un tiempo de retención de 10 a 15 días. La digestión anaerobia da por resultado la conversión de los compuestos orgánicos biodegradables en metano, bióxido de carbono y células microbianas. Debido a la energía contenida en el metano, la producción de masa microbiana es bastante baja. 28.5 FILTRACION ANAEROBIA La digestión anaerobia está limitada por la capacidad del sistema para retener un alto nivel de bacterias formadoras de metano. El filtro anaerobio se desarrolló para retener estas bacterianas en un medio fijo, con objeto de tratar altos volúmenes de compuestos orgánicos relativamente diluidos con digestión anaerobia y la producción de metano gaseoso. Con un medio fijo, el tiempo de retención del fluido se reduce a unas cuantas horas o días dependiendo de la concentración de los lodos. 28.6. GIGESTION AEROBIA El sedimento activado a desechar se trata más fácilmente en los sistemas aerobios que en los anaerobios. En el tanque de aireación se realiza una digestión aerobia parcial del sedimento; sin embargo, en la mayor parte de los casos sólo se logra una digestión de 25 a 35% del sedimento activado de desecho. Un periodo adicional de aireación de 15 a 20 días es adecuado para reducir la masa biodegradable de residuos a un nivel suficiente para su filtración y regreso al medio ambiente. Uno de los problemas en la digestión aerobia es la imposibilidad de concentrar los sólidos a niveles mayores a 2%. El segundo problema es la nitrificación. La alta concentración de proteína en los sólidos biodegradables da por resultado la liberación de amoniaco, que se puedo oxidar durante los largos periodos de retención en el digestor aerobio. La limitación de la transferencia de oxígeno en el digestor aerobio es el mejor método para controlar la nitrificación y el bajo pH resultante. Los altos costos de potencia en la digestión aerobia ayudan a mantener el suministro de oxígeno cercano al nivel requerido. 28.7 ACONDICIONAMIENTO QUÍMICO. La cal, el alumbre y varias sales ferricas se utilizan para acondicionar el sedimento antes de filtrarlo. La cal reacciona para formar cristales de carbonato de calcio, que actúa como una matriz sólida para mantener separadas las partículas de sedimento y permitir que el agua escape durante el filtrado o el desaguado. El alumbre y las sales de hierro ayudan a desplazar parte del agua unida a los compuestos orgánicos hidrofílicos y a formar parte de la matriz inorgánica. El acondicionamiento químico incrementa en 10 a 25% la masa de sedimento final a manejar, dependiendo de las características del sedimento individual. Este tratamiento también ayuda a eliminar parte de las partículas finas, al incorporarlas en los precipitados químicos insolubles. 28.8. ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO.

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El acondicionamiento térmico de los sedimentos a desechar se desarrolló para oxidar totalmente los compuestos orgánicos, pero surgieron problemas de operación al cambiar el tratamiento térmico de un proceso de oxidación total a un proceso de acondicionamiento térmico de un proceso de oxidación total a un proceso de acondicionamiento térmico. Por lo general después de la reacción térmica los sólidos se separan en un tanque cubierto de sedimentación. Los gases emitidos tienen olor desagradable y generalmente se pasan a un calcinador para su total combustión. El líquido que sobrenada se devuelve al proceso de tratamiento y se vuelve a tratar. 28.9. FILTRACION AL VACIO La filtración al vacío es el método más común para filtrar o desaguar los sedimentos. Los filtros al vacío constan de un tambor rotatorio cubierto con un medio filtrante de tela, que puede ser de diversas fibras plásticas o de lana. El filtro opera mediante la aplicación de vacío al tambor que gira dentro del sedimento acondicionado químicamente. El vacío mantiene adherida una capa delgada de sedimento, que se desagua a medida que el tambor sale de la tina de sedimento. Cuando el tambor gira al otro lado, chorros de aire a presión reemplazan el vacío y separan la torta de sedimento del medio filtrante a medida que la tela se aleja del tambor y se desplaza sobre una serie de rodillos, donde el sedimento se separa por medio de una cuchilla y cae por gravedad a un transportador de banda. El sedimento filtrado se transporta por la banda hasta el siguiente punto de concentración, en tanto que el medio filtrante se lava con rocío y regresa al tambor antes de entrar a la tina de sedimento. 28.10. FILTRACIÓN A PRESIÓN. Los filtros a presión constan de una serie de placas y marcos separados por un medio de tela. La presión fuerza el paso del sedimento al filtro mientras se extrae el filtrado. El filtro prensa opera a presiones que varían entre 689 y 1380 kPa (100 a 200 psi) y el calcio a presión requiere de 1,5 a 4 h. Por lo general, se necesitan de 20 a 30 minutos para eliminar la torta del filtro. Las tortas de sedimento varían de 20 a 25% para el sedimento activado a desechar, hasta 50% para el sedimento primario. Se requiere acondicionamiento químico para obtener una buena filtración del sedimento. 28.11. LECHOS DE ARENA. Los filtros de lecho de arena se utilizan para filtrar sedimentos digeridos en forma anaerobia o aerobia. Estos filtros operan mejor en sistemas de tratamiento relativamente pequeños instalados en áreas más o menos secas. El lecho de arena consta de grava gruesa hasta arena fina en una serie de capas y con una profundidad de 0,42 a 0,6 m (1,5 a 2 ft). El sedimento digerido se coloca sobre toda la superficie del filtro hasta una profundidad de 0,3 m y se deja hasta que seca. El agua que pasa a través del lecho de arena se lleva a un sistema de tubos de subdrenaje y se saca del filtro. El secado atmosférico elimina lentamente el agua restante. El lodo o sedimento debe eliminarse a mano del lecho antes de agregar la segunda capa de sedimento.

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28.12. INCINERACIÓN. La incineración se utiliza para reducir el volumen del sedimento después del filtrado. Las fracciones orgánicas presentes en los sedimentos se incineran por si mismas si no tienen demasiada agua. Para la combustión del sedimento se utilizan incineradores de hogar múltiple y de lecho fluidificado. El incinerador de hogar múltiple consta de varías cámaras dentro de un horno cilíndrico vertical. El sedimento filtrado se alimenta a la cámara superior y se empuja lentamente a través del incinerador y cae por gravedad a la siguiente cámara o nivel, hasta que finalmente llega a la cámara de fondo. En el incinerador de lecho fluidificado se utilizan arena caliente como depósito de calor para secar el sedimento y quemar los compuestos orgánicos. La turbulencia creada por el aire y la suspensión de arena requiere que los gases de salida se traten en un depurador en húmedo antes de descargarlos. Las cenizas se extraen del agua del depurador mediante un separador tipo ciclón. Por lo general, el agua se devuelve al proceso de tratamiento y se diluye con el efluente total de la planta. La ceniza se entierra. 28.13. DISPOSICIÓN EN RELLENOS SANITARIOS. A menudo, el sedimento seco, digerido o no, se entierra en un relleno sanitario para minimizar el impacto al medio ambiente. Recientemente se ha incrementado la preocupación respecto a los rellenos sanitarios, por lo que es más difícil el simple entierro de los sedimentos secos. Es necesario asegurarse de que no existen filtraciones en los rellenos sanitarios y deben monitorearse con regularidad, para determinar que no causan daño al medio ambiente. El contenido de humedad de la mayor parte de los sedimentos hace que constituyan un problema en los rellenos sanitarios diseñados para los desperdicios sólidos y es necesario enterrarlos por separado, incluso en el mismo relleno. 28.14. DISEMINACIÓN EN EL TERRENO. El contenido de nutrientes en la mayor parte de los sedimentos posibilita su uso como fertilizantes y acondicionadores de tierra si se mezclan en forma adecuada con la superficie del terreno. La diseminación en el terreno ha ganado popularidad en las áreas agrícolas. Por lo general, la proporción de aplicación del sedimento al terreno se controla mediante el contenido de nitrógeno del sedimento. Ya que los requerimientos de nitrógeno varían según los diferentes cultivos, la aplicación de nitrógeno no está limitada aproximadamente de doble de los requerimientos de nitrógeno del cultivo propuesto. En el sedimento se dispone de aproximadamente la mitad de nitrógeno requerido. La liberación de los nutrientes del sedimento es más lenta que en los fertilizantes químicos, lo que permite disponer de los nutrientes a medida que el cultivo los requiere. El sedimento activado es un excelente acondicionador de tierra debido al humus que contiene y que proporciona una buena matriz para el crecimiento de la raíz, mientras que los elementos nutrientes se liberan en una combinación adecuada, para el óptimo crecimiento de la planta. Existe preocupación sobre la presencia de metales pesados en algunos sedimentos y deben tomarse las medias necesarias para reducir al mínimo la concentración, dado que estos no pueden eliminarse fácilmente, es importante evitar que entren al sistema de tratamiento de agua residual.

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LECCION 29. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE LOS PROCESOS DE TRATAMIENTO A esta instancia se han estudiado los diferentes aspectos técnicos que involucran el tratamiento de aguas residuales, las diferentes alternativas tecnológicas, sus ventajas y desventajas, sin embargo en ese gran universo de posibilidades, seleccionar la mejor alternativa comprende el análisis y ponderación de varios aspectos: Técnicos, económicos, legales, y sociales. Se han desarrollado sistemas matriciales como herramientas que permiten la selección de alternativas de tratamiento, acá se relaciona la propuesta por Juan Manuel Morgan Sagastume, Ingeniero de la Universidad Nacional Autónoma de México, cuya metodología se encuentra en el archivo anexo. La matriz de decisión propuesta considera y pondera en la toma de la decisión los siguientes rubros: aplicabilidad del proceso, costo de inversión inicial, costo de operación y mantenimiento, la generación de residuos, el requerimiento de reactivos, los requerimientos energéticos, la aceptación por parte de la comunidad, la generación de subproductos con valor económico o de reúso, la vida útil, el requerimiento de área, aspectos de diseño, construcción y operación así como la influencia sobre el entorno e impacto al medio ambiente. LECCION 30. OPERACIÓN DE LA MATRIZ DE DECISIÓN La matriz consta de 5 columnas (A, B, C, D, E) y 35 renglones, en la columna B se listan los aspectos que serán ponderados según los requerimientos del cliente (columna A) y evaluados según la propuesta técnica que efectúe el contratista (columna C). La suma de los valores ponderados en la columna A debe sumar 100. Los valores de la columna A deben ser fijados considerando la importancia que tiene cada rubro dentro de las condiciones específicas de cada proyecto y deberán permanecer constantes independientemente de que sistema de tratamiento de aguas se esté evaluando. En la columna C se evalúa cada aspecto de la columna B al otorgar un valor de cero para cuando el aspecto evaluado no aplique, 1 cuando el proceso cumpla con el aspecto en forma deficiente, 3 cuando cumpla con el aspecto en forma adecuada y 5 cuando el proceso cumpla con el aspecto evaluado en forma muy buena o excelente. En la columna D se divide la calificación asignada a cada rubro en C entre la calificación máxima que pueden obtener (es decir 5) excepto para los resultados en las casillas 7.3 D, 8.3 D, 9.5 D, 10.6 D y 11.6D, pues esto ya se hizo. En la columna E se multiplica el valor de cada renglón de la columna D por el valor ponderado de la columna A y finalmente se suman todos los renglones de la columna E para

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obtener la calificación global (ponerla en la casilla 12 E) del proceso aplicado bajos las condiciones ponderadas en la columna A. El proceso que obtenga la mayor calificación será el seleccionado. MATRIZ DE DECISION

A B C D E

# % ASPECTO EVALUADO

CALIFICACIÓN 0= no aplica 1= suficiente 3=adecuado 5=muy bueno

C/5 (excepto en renglones 7.3, 8.3 9.5, 10.6 y 11.6)

D*A

1 APLICABILIDAD DEL PROCESO

2 GENERACIÓN DE RESIDUOS

3 ACEPTACIÓN POR PARTE DE LA COMUNIDAD

4 GENERACIÓN DE SUBPRODUCTOS CON VALOR ECONÓMICO O DE REUSO

5 VIDA ÚTIL

6 REQUERIMIENTO DE ÁREA

7 COSTO 7.1 Inversión 7.2 Operación y mantenimiento 7.3 Sumar las casillas 7.1 y 7.2 y dividir el

total entre 10. El resultado anotarlo en la casilla 7.3 D

8 INSUMOS 8.1 Requerimiento de reactivos 8.2 Requerimientos energéticos 8.3 3 Sumar las casillas 8.1 y 8.2 y dividir el

total entre 10. El resultado anotarlo en la casilla 8.3 D

9 9 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN 9.1 Criterios de diseño 9.2 Experiencia del contratista 9.3 Tecnología ampliamente probada 9.4 Complejidad en la construcción y

equipamiento

9.5 Sumar las casillas 9.1C, 9.2C, 9.3C y 9.4C y dividir el total entre 20. El resultado anotarlo en la casilla 9.5D

10 10 OPERACIÓN

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10.1 Flexibilidad de operación 10.2 Confiabilidad del proceso 10.3 Complejidad de operación del proceso 10.4 Requerimiento de personal 10.5 Disponibilidad de repuestos y centros de

servicio

10.6 6 Sumar las casillas 10.1C, 10.2C, 10.3C, 10.4C y 10.5C y dividir el total entre 25. El resultado anotarlo en la casilla 10.6D

11 11 ENTORNO 11.1 Influencia de la temperatura 11.2 Producción de ruido 11.3 Contaminación visual 11.4 Producción de malos olores 11.5 Condiciones para la reproducción de

animales dañinos

11.6 Sumar las casillas 11.1C, 11.2C, 11.3C, 11.4C y 11.5C y dividir el total entre 25. El resultado anotarlo en la casilla 11.6D

12 100 SUMAR LOS VALORES DE LA COLUMNA E Y ANOTAR EL RESULTADO EN LA CASILLA 12E

AUTOEVALUACION 6 1. Con los tratamientos primarios y secundarios se puede llegar a remover hasta un 90 % de DBO y de Sólidos Suspendidos totales; cumpliendo de esta forma con el porcentaje de remoción exigido por las autoridades ambientales, ¿considera usted que es suficiente con estos tratamientos? 2. En un cuadro resuma las características fisicoquímicas y microbiológicas obtenidas después de estos tratamientos, compárelas con las características originales del agua utilizada en el proceso industrial, saque sus propias conclusiones y compártalas con sus compañeros. Preséntelas al Tutor para Evaluación. 3. En actividades anteriores usted ha planteado mínimo dos alternativas de tratamiento de aguas residuales procedente de una empresa de alimentos. Ayudado con el documento anexo Matrizdecision.pdf, seleccione la mejor alternativa y expóngala a sus compañeros. 4. Analice y sí es el caso sugiera cambios en la matriz propuesta. Consulte bibliográficamente otras herramientas que permitan la selección de los sistemas de tratamiento.

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BIBLIO0GRAFIA

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