unidad 6. esquemas convencionales de tratamiento de aguas residuales biologicos
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Fundamentos de Aguas Residuales
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Unidad 6. Esquemas convencionales para
el saneamiento de aguas residuales
- Sistema Aerobio
- Sistema Anaerobio
- Sistema Natural
- Sistema Aerobio-Natural
- Sistema Aerobio-Anaerobio
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Esquema para el saneamiento de agua residual.
La evolución histórica ha hecho que se distingan diferentes etapas de tratamiento que
corresponden al nivel de pre tratamiento, primario, secundario o biológico y terciario
o avanzado.
Etapa Proceso
Pre-tratamiento
- Cribado
- Flotación
- Des arenación
Primario - Sedimentación
- Re oxigenación
Secundario - Procesos biológicos
- Coagulación-floculación
Terciario/avanzado
- Filtración
- Remoción De N Y P
- Remoción De Detergente
Complementario - Desinfección
Los procesos descritos en la tabla anterior son los “comunes” pera el tipo de
contaminante indicado, pero existen otras posibilidades cuya aplicación depende del
factor económico. De igual forma, aunque un proceso tenga una aplicación principal,
en realidad remueve un amplio grupo de compuestos, no necesariamente todos los
contaminantes.
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Actualmente, es posible encontrar esquemas donde no se distinguen en forma clara las
etapas, debido al desarrollo de ¨sistemas compactos¨ de menor costo, pero a
costumbre hace que se sigan clasificando los sistemas bajo este patrón, particularmente
en el caso de las aguas residuales. Adicionalmente, existen los procesos
complementarios que sirven para apoyar el proceso principal de eliminación y que se
aplican en cualquier nivel de tratamiento.
Sistemas para el saneamiento de aguas residuales.
Contaminante Proceso/sistema/operación
Solidos suspendidos
- Sedimentación
- Desarenacion
- Cribado O Filtrado
- Filtración
- Flotación
- Cuagulacion-Floculacion
- Disposición En Terreno
Compuestos orgánicos biodegradables
- Sistemas Biológicos Con Biomasa
Suspendida (Por Ejemplo: Lodos
Activados)
- Sistemas Biológicos Con Biomasa
Fija(Por Ejemplo: Filtro Sumergido)
- Filtracion Lenta
- Disposición En Terreno
Patógenos
- Cloración
- Ozonacion
- Uv
- Radiacion
- Disposicion En Terreno
- Desinfeccion En Terreno
- Desinfeccion Solar
- Filtracion Lenta
Nitrógeno
- Nitrificacion-Desnitrificacion Biológica
- Desorcion
- Intercambio Ionico
- Cloración
- Disposicion En Terreno
Fosforo
- Precipitacion
- Remocion Biológica y Precipitación
Química
- Disposicion En Terreno
Compuestos orgánicos refractarios
- Adsorcion Con Carbón Activado
- Ozonacion
- Disposición En Terreno
Metales pesados
- Precipitacion
- Intercambio Iónico
- Disposicion En Terreno
Solidos disueltos - Procesos De Membrana
- Intercambio Iónico
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Criterios de selección.
La selección de los procesos y operaciones que conforman un sistema de tratamiento
dependen de:
- La composición del agua residual
- El caudal
- El uso del efluente trabajo o del requerimiento legislativo
- La compatibilidad entre los diferentes procesos y operaciones
- La disponibilidad de la tecnología y el terreno
- La factibilidad económica de las diferentes combinaciones
De lo anterior, se desprende que existe un gran número de posibilidades para tratar el
agua. Pero, además, para tener un proceso realmente eficiente e integral (que no dañe
al ecosistema) es necesario tomar en cuenta el tratamiento y la disposición de los
subproductos generados (lodos). Bajo esta óptica, la selección no parece sencilla, por
lo que se recomienda antes de invertir, efectuar un estudio de trazabilidad que
confirme que se alcanza el nivel deseado al menor costo.
Procesos biológicos:
Estos procesos pueden ser de cuatro tipos: aerobios, anaerobios, atóxicos y
facultativos, los procesos aerobios son los que requieren oxigeno disuelto; en cambio,
en los anaerobios hay ausencia de este. Los anoxicos se llevan acabo en presencia de
oxigeno combinado. En denominados facultativos, que son indiferentes a la presencia o
ausencia de oxigeno.
Sistema con biomasa suspendida: en estos sistemas los microorganismos
se encuentran libres dentro del tanque. Tienen la ventaja de que han sido muy
aplicados por lo que fácilmente se encuentra información sobre ellos. El mayor
inconveniente es que, frecuentemente, tienen problemas de decantación, por
ello los microorganismos se escapan con el efluente. Requieren, además, de
energía para realizar el mezclado del contenido del tanque.
Sistemas con biomasa fija: en estos sistemas los microorganismos se encuentran adheridos un soporte. Tienen, por regla general, menor volumen
que los sistemas con biomasa suspendida y producen floculos con alto grado de
sedimentabilidad. Las versiones más modernas de estos procesos-que ofrecen
varias ventajas- son poco aplicadas en México.
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Principales tipos de procesos Biológicos
Biomasa suspendida
Aerobios
- Lodos activados
- Lagunas aireadas
- Lagunas de oxidación de
alta tasa
- Nitrificación
Anoxicos
- Tipo de lodos activados
- Reactor de lecho
ascendente
Anaerobios
- Digestor de alta tasa
- Contacto anaerobio
- Reactor de lecho de
lodos con flujo
ascendente
Biomasa fija
Aerobios
- Filtro percolador
- Disco biológico rotatorio
- Filtro sumergido
- Lecho fluidificado
Anoxicos
- Filtro sumergido
- Disco biológico rotatorio
- Lecho fluidificado
Anaerobios
- Filtro anaerobio
- Disco biológico rotatorio
sumergido
- Laguna anaerobia
- Lecho fluidificado
Combinado - Uso de suelo con
método de tratamiento
Sistema aerobio: la tecnología del tratamiento por agua residual por vía aérea esta
bien desarrollada y es, sin duda, la mas comúnmente aplicada. La experiencia
acumulada y la alta eficiencia en la remoción de materia orgánica son algunas de las
razones de su aceptación.
Procesos de oxidación biológica la oxidación biológica es el mecanismo mediante el
cual los microorganismos degradan la materia orgánica contaminante del agua residual.
De esta forma, estos microorganismos se alimentan de dicha materia orgánica en
presencia de oxígeno y nutrientes, de acuerdo con la siguiente reacción:
materia orgánica + microorganismos + nutrientes + O2 =>productos finales
+ nuevos microorganismos + energía
Reacciones de síntesis o aislamiento consisten en la incorporación del alimento
(materias orgánicas y nutrientes) al interior de los microorganismos. Estos
microorganismos al obtener suficiente alimento no engordan, sino que forman nuevos
microorganismos reproduciéndose rápidamente. Parte de este alimento es utilizado
como fuente de energía.
La reacción que ocurre es la siguiente: materia orgánica (CHNO)O2 bacterias
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sustancias del interior bacteriano (C5H7NO2) energía.
Reacciones de oxidación y respiración endógena los microorganismos al igual que
nosotros, necesitan de energía para poder realizar sus funciones vitales (moverse,
comer etc.), dicha energía la obtienen transformando la materia orgánica asimilada y
aquella acumulada en forma de sustancias de reserva en gases, agua y nuevos
productos.
Después de un tiempo de contacto suficiente entre la materia orgánica del agua
residual y los microorganismos (bacterias), la materia orgánica del medio disminuye
considerablemente transformándose en nuevas células, gases y otros productos. Este
nuevo cultivo microbiano seguirá actuando sobre el agua residual. A todo este
conjunto de reacciones se les denomina de oxidación biológica, porque los
microorganismos necesitan de oxígeno para realizarlas.
El substrato, generalmente también se tienen que eliminar del agua residual los
compuestos de nitrógeno como el amonio y los nitratos. Un grupo de
microorganismos convierten primero el amonio en nitrato (nitrificación).
Otro grupo de microorganismos reduce luego el nitrato a nitrógeno elemental (des
nitrificación).
El nitrógeno producido escapa entonces como gas a la atmósfera. Existen dos
tecnologías: los procesos biopelícula y los de lodos activados.
Sistema anaerobio: proceso biológico de las aguas residuales (domesticas o
industriales) mediante el cual los organismos catabolizan y asimilan sus alimentos en
ausencia de oxigeno. Se produce en ambientes naturales como:
Pantanos
Zonas anegadas para el cultivo de arroz
Sedimentos de lagos y mares
Zonas anóxicas del suelo
Fuentes de aguas termales sulfurosas y en el tracto digestivo de los rumiantes Contaminantes Orgánicos Microorganismos anaerobios
CO2 + CH4 (Biogás)
Materia degradada en disolución
Nuevos microorganismos
Requiere la intervención de diversos grupos de bacterias facultativas y anaerobias
estrictas, las cuales utilizan en forma secuencial los productos metabólicos generados
por cada grupo. La digestión anaerobia de la materia orgánica involucra tres grandes
grupos tróficos y cuatro pasos de transformación:
1. Hidrólisis. Grupo I: bacterias hidrolíticas
2. Acidogénesis. Grupo I: bacterias fermentativas
3. Acetogénesis. Grupo II: bacterias acetogénicas
4. Metano génesis. Grupo III: bacterias metano génicas
Es posible por medio de reacciones asociadas al metabolismo de distintos
microorganismos. + CO2
Ventajas Bajos costos de inversión y operación. Alta eficiencia de tratamiento
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Producción de una fuente de energía que puede servir calentar el agua residual hasta la
temperatura de operación. Necesidad de espacio relativamente pequeño para las
instalaciones debido a la aplicación de altas velocidades de carga orgánica. Baja
producción de lodo en exceso.
Desventaja Insuficiente generación de alcalinidad y metano cuando se depuran aguas
residuales muy diluidas. Cinética lenta a bajas temperaturas. Ciertos compuestos como
NH4+, PO43- y S2 quedan en disolución. Por este motivo, si es necesario, se tiene que
usar un tratamiento posterior.
Aplicaciones de la tecnología anaerobia de alta velocidad Aguas residuales de: Industria
cervecera y de bebidas Industria de alimentos Industria papelera Destilerías de alcohol
e industria de fermentación. Nuevas aplicaciones de la tecnología anaerobia de alta
velocidad: Aguas residuales de: Industria textil Industria química y petroquímica En
lugares de climas cálidos, pueden utilizarse para el tratamiento de agua residual
doméstica.
El empleo de bacterias heterótrofas y autótrofas. Gujer y Zenhder (1983). Propusieron
seis etapas para la degradación anaerobia de compuestos de alto peso molecular:
- Hidrólisis de proteínas, lípidos y carbohidratos
- Fermentación de azúcares y aminoácidos.
- Oxidación anaerobia de ácidos grasos de cadena larga y alcoholes.
- Oxidación anaerobia de intermediarios como ácidos grasos volátiles.
- Conversión de acetato a metano.
- Conversión de hidrogeno a metano.
Por otro lado, la energía contenida en el metano producido puede ser utilizada como
energía calorífica directamente o transformada en mecánica o eléctrica según las
necesidades existentes en el sitio y, siempre y cuando, se produzca en grandes
cantidades que hagan interesante, desde el punto de vista económico, la instalación
requerida.
El proceso anaerobio funciona en dos intervalos de temperatura: el mesofilico de 20º a
38º C y el termofílico de 50º a 60º C, siendo las velocidades de reacción mas altas en
este ultimo, pero mas difíciles de operar en la practica. En cuanto al PH, se desarrolla
en un intervalo de entre 6.2 y 7.8 con un óptimo cerca de 7. Las condiciones del medio en PH bajo son, frecuentemente, dañinas a la población metanogenica y la
inhibición empieza con PH de 6. Así, el control del PH es fundamental para mantener
el crecimiento bacteriano, asegurar la metalogénesis y mantener el proceso de
degradación eficiente. Este control se logra mediante la adición d alcalinidad.
El azufre en su forma de ionizada, los metales pesados, detergentes, desinfectantes,
preservadores y productos farmacéuticos, etc. También tienen efectos negativos
considerables sobre el proceso metano génico.
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La evolución de la tecnología anaerobia a dado lugar a tres generaciones de reactores.
La primera comprende aquellos procesos en donde la biomasa se encuentra en
suspensión. Los reactores de la segunda generación tienen como característica
fundamental que los microorganismos son detenidos en el reactor, ya sea por medio
de un soporte en el cual se adhieren en forma de biopelicula (filtro anaerobio), o bien,
por las propiedades de sedimentación que posee. Los reactores de tercera generación
tienen también microorganismos en forma de biopelicula, pero el soporte se expande
o fluidifica con altas velocidades de flojo, en ocasiones, estos sistemas son diseñados
sin sedimentador secundario. En la actualidad los reactores más utilizados son los de
segunda generación, pues los de la primera tienen la desventaja de ocupar mayor
volumen y tener eficiencia de operación baja, mientras que los reactores de tercera
generación tienen pocas realizaciones prácticas.
Sistema natural (laguna): las lagunas de estabilización son consideradas como de uso
muy generalizado ya que su desarrollo y aplicación son sencillos aunque algunas lagunas
de estabilización no han producido los resultados deseados debido a su diseño
empírico y falta de mantenimiento, en general, el éxito de este tipo de tratamiento es reconocido.
Las lagunas de estabilización son recomendables para lugares con condiciones
climatológicas adecuadas, en climas cálidos y semi- cálidos, en áreas con bajo costo de
terreno y de fácil excavación, cuando la carga orgánica tiene grandes variaciones y
donde hay presupuesto limitado. Estos requerimientos aunados al relativo bajo nivel de
mantenimiento y operación, las hacen aptas para pequeñas poblaciones. Este proceso
cuesta alrededor de entre 10% y 40% de la inversión inicial de los procesos
convencionales. Su aplicación esta muy expandida a nivel mundial. Sin embargo, no se
recomienda para terrenos con costos de excavación e impermeabilización elevados,
zonas con elevada evaporación o con fallas de disponibilidad en el terreno. Existe una
versión mejorada que consiste en aplica aeración artificial, ya que se trata de
instalaciones en Alaska que tiene buen funcionamiento.
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El tratamiento ocurre por la oxidación de la materia orgánica debido a las bacterias y
al suministro de oxigeno que aportan las algas, este proceso se efectúa d manera
simbiótica, ya que las bacterias tienen la propiedad de degradar la materia orgánica
compleja y producir bióxido de carbono, el cual sirve de fuente de carbono para las
algas. El oxigeno producido por las algas puede no ser suficiente para el proceso de
degradación por lo que, en ocasiones, se colocan aeradores superficiales.
La mayoría de las lagunas de estabilización se convierten en sistemas facultativos y se
asemejan en su comportamiento a los ríos o lagos. En efecto, las condiciones aerobias
se mantienen, generalmente cerca de la superficie y, algunas veces, hasta lo mas
profundo de la laguna. Sin embargo, por lo general, debido a la presencia de materia
orgánica sedimentable, las condiciones anaerobias prevalecen en el fondo.
Los tipos de modificaciones del sistema de lagunas son variados. Las lagunas se
clasifican como:
- Anaerobias
- Aerobias
- Facultativas
- Aerobias-aeradas
- Facultativas-aeradas
Lagunas facultativas (aerobio-natural): son aquellas en las cuales la parte superior
permanece aerobia mientras que en la inferior no hay oxigeno disuelto, la mayoría de
las lagunas de estabilización existentes son del tipo facultativo. En efecto, casi todas
contienen materia sedimentada que conforma una capa bentónica anaerobia. En el caso
de una laguna que recibe aguas residuales crudas, el volumen de la materia
sedimentable puede ser considerable; en cambio, en un sistema de lagunas conectadas
en seria, la carga de materia sedimentable decrece en la medida que pasa a lo largo del
sistema.
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Tratamientos naturales de aguas residuales Bajo la denominación de sistema natural de
depuración se engloban aquellos procedimientos o técnicas en los que la eliminación
de las sustancias contaminantes presentes en las aguas residuales urbanas se produce
por componentes del medio natural, sin emplearse en el proceso ningún tipo de
aditivo químico. En todos ellos, el efecto depurador se debe a la acción combinada de
la vegetación, del suelo y de los microorganismos presentes en ambos, y en menor
medida, a la acción de plantas y animales superiores. Clasificación de los Tratamientos
Naturales Habitualmente y dependiendo del investigador, los tratamientos naturales se
diferencian en dos grande grupos: Método de Tratamiento mediante la aplicación del
agua sobre el terreno Sistemas Acuáticos
- Métodos de aplicación sobre el terreno Dentro de los métodos de aplicación sobre
el terreno encontramos: Filtro verde: Consiste básicamente en la aplicación de un
caudal controlado de agua residual sobre la superficie del terreno, donde previamente
se ha instalado una masa forestal o un cultivo. Fernández González, 2004 Sevilla,
España.
- Métodos de aplicación sobre el terreno EPA, 1991 EPA, 1981 Filtro Verde. Formas
de Aplicación.
- Métodos de aplicación sobre el terreno Infiltración rápida: Se define como la
aplicación controlada del agua residual sobre balsas superficiales construidas en suelos
de permeabilidad media a alta (con una capacidad de infiltración que oscila entre 10 y
60 cm/día) EPA, 1991 Moreno Merino, 2003.
- Métodos de aplicación sobre el terreno Infiltración rápida: El agua residual se aplica al
terreno en tasas elevadas, bien por extensión en lagunas o bien por aspersión,
alternando periodos de inundación con periodos de secado. La aplicación se realiza de forma cíclica para permitir la regeneración aerobia de la zona de infiltración y
mantener la máxima capacidad de tratamiento. EPA, 1981.
- Métodos de aplicación sobre el terreno Escorrentía Superficial: La técnica consiste en
forzar la escorrentía del agua residual, mediante riego por circulación superficial en
láminas, sobre un suelo previamente acondicionado (en pendiente y con vegetación no
arbórea), alternando periodos de riego con periodos de secado; dependiendo la
duración de cada fase de los objetivos de tratamiento. Metcalf & Eddy, 1991.
- Métodos de aplicación sobre el terreno EPA, 1981 Escorrentía Superficial.
- Métodos de aplicación sobre el terreno Zanjas de Infiltración: Sistema de depuración
que consiste consistente en un conjunto de líneas de tuberías de 10 cm de diámetro
(4”) tendidas de tal forma que el afluente se distribuya con una uniformidad razonable
en el suelo natural. EPA, 1991.
- Métodos de aplicación sobre el terreno Romero Rojas, 2000 Zanjas de Infiltración:
Sección Típica.
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- Métodos de aplicación sobre el terreno Lechos filtrantes: Los lechos de infiltración
son zanjas de anchos mayores de 90 cm, que pueden contener más de una línea de
tuberías de distribución. En este caso se considera que la superficie principal de
infiltración para el diseño es el área del fondo del lecho Moreno Merino, 2003 Romero
Rojas, 2000.
- Métodos de aplicación sobre el terreno Pozos filtrantes: Los pozos de infiltración son
excavaciones profundas usadas para disposición subsuperficial de aguas residuales pre
tratadas. Las paredes del pozo se construyen en ladrillo, bloques, anillos o materiales
prefabricados colocados a junta abierta, rodeados de grava o piedra triturada. El agua
residual entra en el pozo y se infiltra a través de las paredes laterales. Romero Rojas,
2000.
- Métodos de aplicación sobre el terreno Filtros de Arena: Se pueden clasificar como
intermitentes en los cuales, las aguas a depurar se vierten intermitentemente mediante
tuberías de distribución en un filtro granular de entre 0,5 y 1,0 m de espesor y los
filtros con recirculación, en los cuales, el agua recogida en el sistema de drenaje se
vierte de nuevo en el filtro mezclada con agua nueva sin depurar. Consiste
básicamente en la aplicación de aguas residuales a un lecho de material granular (arena)
el cual es drenado para recoger la descarga en un efluente final. Romero Rojas, 2000.
- Métodos de aplicación sobre el terreno Lecho de Turba: El sistema está formado por
lechos de turba a través de los cuales circula el agua residual. Cada lecho descansa
sobre una delgada capa de arena, soportada, a su vez, por una capa de grava. El
efluente se recoge a través de un dispositivo de drenaje situado en la base del sistema.
Aerobio facultativo (aerobio-anaerobio): los sistemas múltiples o aerobio anaerobio
forman un tratamiento más económico y seguro que los sistemas convencionales y se diseñan de la misma forma que los sistemas individuales.
Se pueden establecer distintas combinaciones de los tipos de lagunas en función de las
características del agua a tratar, de las exigencias del efluente y de la disponibilidad de
terreno básicamente.
El establecimiento de líneas en paralelo es interesante en el caso de que exista fuerte
estacionalidad y es útil en algunas primarias para evitar problemas de funcionamiento,
facilitar el secado y limpieza de todos.
Los sistemas en serie se aceptan cuando se tiene disponibilidad de terreno y cuando, a
partir de un balance económico, se obtiene un volumen mínimo total. En general, en la
primera laguna el volumen es minimizado para mantener la temperatura, la
concentración de solidos y la tasa de reacción de la DBO en niveles altos. La segunda,
generalmente facultativa, tiene bajo requerimiento energético que permite la
sedimentación de los solidos y su descomposición en el fondo.
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Para la remoción de coliformes fecales se emplea alguna maduración al final, así mismo,
cuando se desea baja concentración de solidos suspendidos en el efluente se emplea
un tanque de sedimentación, el cual debe cumplir con los siguientes objetivos:
Un tiempo de retención suficiente para alcanzar la remoción deseada
Volumen adecuado para el almacenamiento del lodo
Crecimiento mínimo de algas
Olores mínimos por la actividad anaerobia
BIBLIOGRAFIA.
1. Martínez Martin Carmen, Tratamiento Biológico de Aguas Residuales,
Editorial Universidad Politécnica de Valencia, Edición 2008, Valencia España
2. R. S. Ramalho, Tratamiento de aguas residuales, editorial Reverte, Última edición.
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