Documento Taller de Capacitación

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1 REPÚBLICA DE NICARAGUA Ministerio de Fomento Industria y Comercio Programa de Apoyo a la Mejora del Clima de Negocios e Inversiones en Nicaragua DCI-ALA/ UNIÓN EUROPEA Documento Taller de Capacitación Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales para el Sector Lácteo Impartido por el Centro de Producción más Limpia de Nicaragua

2 La presente publicación ha sido elaborada con la asistencia de la Unión Europea. El contenido de la misma es responsabilidad exclusiva del Centro de Producción más Limpia de Nicaragua y en ningún caso debe considerarse que refleje los puntos de vista de la Unión Europea.

3 INTRODUCCIÓN El agua es uno de los recursos naturales más fundamentales, y junto con el aire, la tierra y la energía constituye los cuatro recursos básicos en que se apoya el desarrollo. La importancia de la calidad del agua ha tenido un lento desarrollo. Hasta finales del siglo XIX no se reconoció el agua como origen de numerosas enfermedades infecciosas. Hoy en día, la importancia tanto de la cantidad como de la calidad del agua esta fuera de toda duda. El agua es uno de los compuestos más abundantes de la naturaleza y cubre aproximadamente las tres cuartas partes de la superficie de la tierra. Sin embargo, en contra de lo que pudiera parecer, diversos factores limitan la disponibilidad de agua para uso humano. Mas del 97% del agua total del planeta se encuentra en los océanos y otras masas salinas, y no están disponibles para casi ningún propósito. Del 3% restante, por encima del 2% se encuentra en estado sólido, hielo, resultando prácticamente inaccesible. Por tanto, podemos terminar diciendo que para el hombre y sus actividades industriales y agrícolas, sólo resta un 0,62 % que se encuentra en lagos, ríos y agua subterráneas. La cantidad de agua disponible es ciertamente escasa, aunque mayor problema es aún su distribución irregular en el planeta. El uso de los recursos naturales provoca un efecto sobre los ecosistemas de donde se extraen y en los ecosistemas en donde se utilizan. El caso del agua es uno de los ejemplos más claros: un mayor suministro de agua significa una mayor carga de aguas residuales. Si se entiende por desarrollo sostenible aquel que permita compatibilizar el uso de los recursos con la conservación de los ecosistemas. Hay que considerar también que el hombre influye sobre el ciclo del agua de dos formas distintas, bien directamente mediante extracción de las mismas y posterior vertido de aguas contaminadas como se ha dicho, o bien indirectamente alterando la vegetación y la calidad de las aguas. Nuestro mundo por muchos años ha sido descuidado y maltratado por nosotros los seres humanos. La industrialización y el modernismo son algunos factores que ayudan a la contaminación de nuestro ambiente. I. GENERALIDADES 1.1 Clasificación de Agua Residual Según su Origen Antes de hablar de los tratamiento de las aguas residuales debemos conocer un poco de los tipos de aguas residuales que existen, los tipos de contaminantes, la clasificación de los contaminantes, la contaminantes habituales en las aguas residuales, las consecuencias que acarrean los 2

4 vertidos, los métodos analíticos para el control de la calidad del agua para poder así familiarizarnos con los diferentes tratamientos. Las cuatro fuentes de aguas residuales son: 1. Aguas domesticas o urbanas Son los vertidos que se generan en los núcleos de población urbana como consecuencia de las actividades propias de éstos. Los aportes que generan esta agua son: Aguas negras o fecales Aguas de lavado doméstico Las aguas residuales urbanas presentan una cierta homogeneidad cuanto a composición y carga contaminante, ya que sus aportes van a ser siempre los mismos. Pero esta homogeneidad tiene unos márgenes muy amplios, ya que las características de cada vertido urbano van a depender del núcleo de población en el que se genere, influyendo parámetros tales como el número de habitantes, la existencia de industrias dentro del núcleo, tipo de industria, etc La cantidad de agua residual domestica normalmente se expresa en litros per capita por día (L/cap.díia) y se asume como fracción (70-85%) del consume especifico de agua que oscila entre 60 y 350 L/cap día. El caudal de agua residual domestica que entra al sistema de alcantarillado puede variar considerablemente durante el día. Caudal, % del promedio Tiempo, horas Area pequeña Area mediana Area grande Figura 1. Fluctuación del caudal de agua residual domestica durante el día 2. Aguas pluviales. Estas aguas provienen del sistema de drenaje de calles y avenidas, producto de lluvias o lixiviados (a menudo se les ve como parte de aguas domésticas). En los 3

5 países desarrollados esta agua nunca entra a las plantas de tratamiento de agua residual. En el caso de que el alcantarillado sea combinado, el agua de lluvia entra al alcantarillado y causa problemas a las plantas de tratamiento por lo que provoca picos en el caudal de entrada hasta 3-5 veces el caudal normal del tiempo seco. Estos picos perturban el funcionamiento normal de la planta. Por esta razón, los sistemas de alcantarillado separado se hacen cada vez mas atractivos: - el costo total de inversi6n y de mantenimiento de una planta de tratamiento aumenta con el aumento de la capacidad de diseño. - el funcionamiento de las plantas de tratamiento se ve mas afectado por los picos hidráulicos y de carga orgánica durante la temporada de lluvias. El agua pluvial urbana a menudo esta contaminada con emisiones de transito como grasas, hidrocarburos y metales pesados, en el área rural, con pesticidas, fertilizantes y estiércol. 3. Aguas residuales industriales Son aquellas que proceden de cualquier actividad o negocio en cuyo proceso de producción, transformación o manipulación se utilice el agua. Son enormemente variables en cuanto a caudal y composición, difiriendo las características de los vertidos, no sólo de una industria a otro, sino también dentro de un mismo tipo de industria. A veces, las industrias no emite vertidos de forma continua, si no únicamente en determinadas horas del día o incluso únicamente en determinadas épocas de año, dependiendo del tipo de producción y del proceso industrial. También son habituales las variaciones de caudal y carga a lo largo del día. Estas son más contaminadas que las aguas residuales urbanas, además, con una contaminación mucho más difícil de eliminar. Su alta carga unida a la enorme variabilidad que presentan, hace que el tratamiento de las aguas residuales industriales sea complicado, siendo preciso un estudio específico para cada caso. 4. Aguas de usos agrícolas Aunque la mayor parte de las aguas servidas (cerca del 90%) provienen del uso domestico e industrial, la de usos agrícolas y pluviales urbanas están adquiriendo cada día mayor importancia, debido a que los escurrimientos de fertilizantes (fosfatos) y pesticidas representan los principales causantes del envejecimiento de lagos y pantanos proceso llamado eutrofización. 4

6 1.2. Clasificación de los Contaminantes Las sustancias contaminantes que pueden aparecer en un agua residual son muchas y diversas. Los contaminantes del agua se clasifican en tres categorías: Contaminantes químicos. Estos componen tanto productos químicos orgánicos como inorgánicos. El aspecto fundamental de la contaminación de productos orgánicos es la disminución del oxigeno como resultante de la utilización del existente en el proceso de degradación biológica, llevando con ello a un desajuste y a serias perturbaciones en el medio ambiente. En el caso de compuestos inorgánicos el resultado más importante es su posible efecto tóxico, mas que una disminución de oxigeno. Sin embargo, hay casos en los cuales los compuestos inorgánicos presentan una demanda de oxigeno, contribuyendo a la disminución del mismo. Contaminantes Orgánicos: Son compuestos cuya estructura química está compuesta fundamentalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Son los contaminantes mayoritarios en vertidos urbanos y vertidos generados en la industria agroalimentaria. Los compuestos orgánicos que pueden aparecer en las aguas residuales son: a) Proteínas: Proceden fundamentalmente de excretas humanas o de desechos de productos alimentarios. Son biodegradables, bastante inestables y responsables de malos olores. Son portadores de nitrógeno y fósforo. b) Carbohidratos: Incluimos en este grupo azúcares, almidones y fibras celulósicas. Proceden, al igual que las proteínas, de excretas y desperdicios. c) Aceites y Grasas: Son todas aquellas sustancias de naturaleza lipídica, que al ser inmiscibles con el agua, van a permanecer en la superficie dando lugar a la aparición de natas y espumas. Estas natas y espumas entorpecen cualquier tipo de tratamiento físico o químico, por lo que deben eliminarse en los primeros pasos del tratamiento de un agua residual. Son altamente estables, proceden de desperdicios alimentarios en su mayoría, a excepción de los aceites minerales que proceden de otras actividades. d) Otros específicos: Incluiremos varios tipos de compuestos, como los tensoactivos, fenoles, organoclorados y organofosforados, etc. Su origen es muy variable y presentan elevada toxicidad. Contaminantes Inorgánicos: Son de origen mineral y de naturaleza variada: sales, óxidos, ácidos y bases inorgánicas, metales pesados, etc. 5

7 Aparecen en cualquier tipo de agua residual, aunque son más abundantes en los vertidos generados por la industria. Los componentes inorgánicos de las aguas residuales estarán en función del material contaminante así como de la propia naturaleza de la fuente contaminante. Un ejemplo clásico de contaminante inorgánico es arena. Entendemos como tales, a una serie de particular de tamaño apreciable y que en las masas de agua cuando están en movimiento, o bien forman depósitos de lodos si encuentran condiciones adecuadas para sedimentar Contaminantes Físicos Incluyen: Cambios térmicos, la temperatura es un parámetro muy importante por su efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas, velocidades de reacción y en la aplicabilidad del agua a usos útiles, como el caso de las aguas provenientes de las plantas industriales, relativamente calientes después de ser usadas en intercambiadores. El color el cual determina cualitativamente el tiempo de las aguas residuales, es por ello que si el agua es reciente esta suele ser gris; sin embargo como quiera los compuestos orgánicos son descompuestos por las bacterias, el oxigeno disuelto en el agua residual se reduce a cero y el color cambia a negro. La turbidez originada por los sólidos en suspensión. Espumas y la radioactividad Contaminantes Biológicos Son organismos que pueden ir en mayor o menor cantidad en las aguas residuales y que son capaces de producir o transmitir enfermedades (el cólera y la tifoidea) Composición de Agua Residual Por lo general los contaminantes del agua residual domestica constituyen una mezcla muy compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos que prácticamente es imposible obtener un análisis completo de cada uno de los componentes presentes. Sin embargo, para diseñar y operar una planta de tratamiento es suficiente conocer algunos parámetros básicos para caracterizar el estado de agua cruda a tratar. Es por esto que las aguas residuales dependiendo de la cantidad de estos componentes, se clasifica en fuerte, media y débil. Debido a que la concentración como la composición va variando con el transcurso de tiempo, con los datos siguientes solo se pretende dar una orientación para la clasificación de las aguas servidas. 6

8 Tabla 1. Concentración de diferentes contaminantes en el agua residual (mg/l) Constituyente Fuerte Media Débil Sólidos, en total Disueltos, en total Suspendidos, en total Demanda Bioquímica de Oxigeno Nitrógeno Amoniaco Libre Fósforo Alcalinidad Grasa Consecuencias en Medio Ambiente Provocado por los Vertidos Aparición de fangos y flotantes Existen en las aguas residuales sólidos en suspensión de gran tamaño que cuando llegan a los cauces naturales pueden dar lugar a la aparición de sedimentos de fango (lodo) en el fondo de dichos cauces, alterando seriamente la vida acuática a este nivel, ya que dificultará la transmisión de gases y nutrientes hacia los organismos que viven en el fondo. Por otra parte, ciertos sólidos, dadas sus características, pueden acumularse en las orillas formando capas de flotantes que resultan desagradables a la vista y además, pueden acumular otro tipo de contaminantes que pueden llevar a efectos más graves Agotamiento del contenido de oxígeno Los organismos acuáticos precisan del oxígeno disuelto en el agua para poder vivir. Cuando se vierten en las masas de agua, residuos que se oxidan fácilmente, bien por vía químico o por vía biológica, se producirá la oxidación con el consiguiente consumo de oxígeno en el medio. 7

9 Si el consumo de oxígeno es excesivo, se alcanzarán niveles por debajo del necesario para que se desarrolle la vida acuática, dándose una muerte masiva de seres vivos. Además, se desprenden malos olores como consecuencia de la aparición de procesos bioquímicos anaerobios, que dan lugar a la formación de compuestos volátiles y gases Daño a la salud pública Los vertidos de efluentes residuales a cauces públicos, pueden fomentar la propagación de virus y bacterias patógenos para el hombre Eutroficación Un aporte elevado de nitrógeno y fósforo en los sistemas acuáticos propicia un desarrollo masivo de los consumidores primarios de estos nutrientes; zoo y fitoplancton y plantas superiores. Estas poblaciones acaban superando la capacidad del ecosistema acuático, pudiendo llegar a desaparecer la masa de agua Otros efectos Pueden ser muy variados y van a ser consecuencia de contaminantes muy específicos, como valores de ph por encima o por debajo de los límites tolerables, presencia de tóxicos que afecta directamente a los seres vivos, etc. En la tabla 2 está presentado un resumen de lo anterior Tabla 2. Principales contaminantes del agua residual municipal y su impacto Contaminante Impacto que ocasiona en el Medio Ambiente Sólidos Suspendidos Llevan a deposici6n de lodos lo que provoca condiciones Compuestos Ejercen demanda del oxigeno lo que crea condiciones anaerobias y orgánicos provoca malos olores biodegradables Patógenos Las enfermedades infecciosas pueden transmitirse por medio de los patógenos en el agua residual. Este factor es especialmente importante cuando el agua residual tratada se pretende usar en agricultura para el riego. Nutrientes Nitrógeno y fósforo son nutrientes esenciales para la vida acuática. La presencia de estos provoco un excesivo crecimiento de algas lo que conlleva a reducci6n de la biodiversidad acuática, disminución de la concentración del oxigeno y problemas tóxicos. Compuestos orgánicos refractarios Estos compuestos resisten al tratamiento convencional. Ejemplo típico de estos es: detergentes, fenoles y pesticidas. 8

10 Metales pesados Tiene importancia cuando el agua residual o lodos están en mira de reuso Inorgánicos disueltos Los sólidos disueltos tienen relevante importancia cuando el agua residual es usada en la agricultura. La producci6n de granos, de proteína en acuacultura (pescado, plantas acuáticas) puede 1.4 Necesidad del Tratamiento de Aguas Usadas Tradicionalmente las excretas humanas formaban las aguas negras y se depositaban en sistemas sanitarios tipo letrinas o tanques sépticos (sistema en el sitio). La parte sólida se acumulaba en el misino tanque y posteriormente se biodegradaba de manera natural. La parte liquida de las deposiciones se infiltraban en subsuelo o se descargaban a los canales (abiertos o cerrados) del drenaje de agua de lluvia. Sin embargo, con la urbanización y el crecimiento de la población se incrementó el consumo del agua {en litres por capita por día) de tal manera que supera la capacidad de infiltración local del sucio. En las áreas de alta densidad de población las alcaldías se ven obligadas recolectar y transportar todos los flujos de agua residual por medio de sistemas de alcantarillado separados o combinados hacia las plantas de tratamiento. En Europa la cobertura del alcantarillado convencional difiere de país a país: 50% en Grecia, mas de 98 % en Holanda. En Estados Unidos la cobertura es menor por la existencia de muchas comunidades de baja densidad poblacional. Últimamente, se ha incrementado un gran interés por prevenir o minimizar la contaminación del agua tanto del uso domestico como industrial. El principal objetivo del tratamiento de agua residual es protección del Medio Ambiente de: 1) alto contenido de sólidos suspendidos 2) alta carga de materia orgánica y consecuentemente bajo nivel de oxigeno 3) alto contenido de nutrientes (como N y P) que provocan eutroficación 4} carga de las sustancias peligrosas no-biodegradables 4) contaminación de (micro)-organismos patógenos Con el fin de: 1) establecer y mantener saludable el medio acuático para la flora y fauna 2) garantizar a la humanidad el uso de recurso acuático para diferentes propósitos 9

11 3) (abastecimiento de agua, recreación, pesca, navegación, irrigación etc.) 4) prevenir las enfermedades que se transmiten por agua. El Gobierno de Nicaragua en conjunto con el Ministerio de Medio Ambiente en 1995 estableció las normas para los efluentes que provienen de las industrias y son descargadas en los receptores naturales de agua. Ahora la palabra la tienen los ingenieros sanitarios, civiles y ambientalistas en general para encontrar las soluciones más viables en materia de tratamiento de estas aguas. 1.5 Métodos Analíticos para el Control de la Calidad del Agua Color, olor y sabor La coloración de un agua puede clasificarse en verdadera o real cuando se debe sólo a las sustancias que tiene en solución, y aparente cuando su color es debido a las sustancias que tiene en suspensión. Los colores real y aparente son casi idénticos en el agua clara y en aguas de escasa turbidez. La coloración de un agua se compara con la de soluciones de referencia de platino-cobalto en tubos colorimétricos, o bien con discos de vidrio coloreados calibrados según los patrones mencionados. El olor puede ser definido como el conjunto de sensaciones percibidas por el olfato al captar ciertas sustancias volátiles. El procedimiento normalmente utilizado es el de ir diluyendo el agua e examinar hasta que o presente ningún olor perceptible. El resultado se da como un número que expresa el límite de percepción del olor, y corresponde a la dilución que da olor perceptible. Debido al carácter subjetivo de la medida, es recomendable que la medida la realicen al menos dos personas distintas, comparando la percepción con la de un agua desodorizada. Debe evitarse, como es lógico, en todo lo posible, la presencia de otros olores en el ambiente. Por último, la evaluación del sabor, se realiza por degustación del agua a examinar, comenzando por grandes diluciones, que se van disminuyendo hasta la aparición del sabor. Este ensayo no se realiza mas que en aguas potables Turbidez La turbidez de un agua se debe a la presencia de materias en suspensión. Finamente divididas; arcillas, limos, partículas de sílice, materias inorgánicas. La determinación de la turbidez tienen un gran interés como parámetro de control en aguas contaminadas y residuales. Se puede evaluar en el campo o en el laboratorio. 10

12 1.5.3 Materia sólida La materia sólida presente en un agua suele agruparse en tres categorías. La clasificación se basa en diferente tamaño de las partículas, y según éste pueden ser divididos en disueltos, coloidales o suspendidos. La materia decantable se determina dejando en reposo un litro de agua en un cono o probeta graduada. El resultado se expresa como mililitros de materia decantada por litro de agua. La determinación de las materias en suspensión en el agua puede realizarse por filtración o por centrifugación. La filtración se realiza a vacío sobre un filtro. El filtro con el residuo es nuevamente secado y pesado. La diferencia entre este peso y el que teníamos antes del filtro solo, proporciona el valor de los sólidos ph Las medidas de PH se realizan con un electrodo de vidrio, el cual genera un potencial que varía linealmente con el PH de la solución en la que está inmerso. El electrodo consiste en una célula con un potencial controlado por la actividad del protón a cada lado de una membrana de vidrio muy fina. Este método se utiliza si se quiere obtener medidas muy precisas y puede aplicarse a cualquier caso particular Dureza También llamada grado hidrotimétrico, la dureza corresponde a la suma de las concentraciones de cationes metálicos excepto los metales alcalinos y el ion hidrógeno En la mayoría de los casos se debe principalmente a la presencia de iones calcio y magnesio, y algunas veces también se unen hierro, aluminio, manganeso y estroncio Acidez y Alcalinidad La acidez de un agua corresponde a la presencia de anhídrido carbónico libre, ácidos minerales y sales de ácidos fuertes y bases débiles. La alcalinidad de un agua corresponde a la presencia de los bicarbonatos, carbonatos de hidróxidos. La depuración de las aguas residuales es un proceso que persigue eliminar en la mayor cantidad posible la contaminación que lleva un vertido antes de que éste incida sobre un cauce receptor, de forma que los niveles de contaminación que queden en el efluente ya tratado puedan ser asimilados de forma natural. 11

13 1.6 El Grado de Purificación de Agua Residual Técnicamente, aguas residuales municipales pueden ser purificadas hasta el punto de convertirse en agua potable cumpliendo con todos los parámetros estándares para la misma. Sin embargo, el costo del tratamiento crece exponencialmente con el grado de remoción de los contaminantes. Los procesos de tratamiento del agua residual según el grado de remoción de contaminantes que se puede lograr se clasifican en los siguientes: Tratamiento primario (o preliminar) consiste en remoción física del material (basura) flotante y suspendida del agua residual cruda. Tratamiento secundario incluye procesos biológicos para remover materia orgánica. Esta comprobado que!os procesos físico-químicos de tratamiento para reducir BOD tienen baja eficiencia y elevados costos, además a menudo presentan dificultades operacionales. Tratamiento terciario (o avanzado) intenta eliminar los contaminantes que no han sido removidos en el tratamiento primario ni secundario. Este se refiere a procesos dirigidos a remoción de N y P de alto grado, así como una profunda remoción de sólidos suspendidos y materia orgánica, desinfección y eliminación de micro contaminantes no-biodegradables. Secundario Terciario Preliminar Primario Remoción, % DBO TSS TN TF >95 >95 >80 >90 Figura 2. Relación de costos de tratamiento de agua residual en dependencia de la calidad del efluente 12

14 Existen varios procesos y operaciones unitarias para llevar a cabo los métodos de tratamiento mencionados arriba. La selecci6n de la tecnología mas apropiada depende de las condiciones locales como disponibilidad de personal calificado, equipamiento, abastecimiento energético confiable, disponibilidad del terreno y sobre todo los fondos suficientes. La Tabla 3 presenta un resumen de las tecnologías mas comunes para el tratamiento de agua residual domestica: Tabla 3. Clasificación de los procesos de tratamiento de agua residual en primario, secundario y terciario Tratamiento primario Tratamiento secundario Tratamiento terciario Calidad minima Calidad media Alta calidad Cribado Lodos activados Remocion biologica de nutrientes Remoción de arenisca Aireaci6n extendida Filtraci6n Sedimentación Lagunas aeróbicas Precipitación química Flotación Lagunas de estabilizaci6n Adsorción Separación de aceites Filtro percolador Intercambio iónico Discos rotatorios Métodos anaerobios Electrodiálisis Desinfección 1.7 Selección de la Tecnología para el Tratamiento de Agua Residual Como y en que condiciones una comunidad toma la decisión de tratar sus aguas residuales? Existen dos maneras para llegar a esta decisión: 1. La comunidad toma la conciencia de la necesidad de tratar las aguas residuales cuando atraviesa series problemas de la salud publica ocasionados por la extrema contaminaci6n ambiental. 2. Presionados por las regulaciones del Gobierno. Para enfrentar la tarea de tratar las aguas residuales la comunidad necesita contar con los científicos para asentar las normas de calidad de agua tratada, con los ingenieros para encontrar la soluci6n mas viable de tratamiento y diseñar la planta, y por ultimo se necesitan los técnicos para operar la planta. En los piases como el nuestro, de escasos recursos pero abundante nocalificada (y por lo tanto muy barata) mano de obra, las soluciones de 13

15 tratamiento deben dirigirse hacia tecnologías menos mecanizadas, con el menor nivel de automatización de los procesos de control, de tal manera que para la construcción, operación, mantenimiento y reparación se aprovecha el recurso humano nacional y no se importen mecanismos y tecnologías sofisticadas. Cabe mencionar, que en vista que la demanda del agua potable crece de día a día al nivel mundial, es necesario agotar todas las posibilidades de dar un segundo uso al agua servida, después del tratamiento esta puede ser utilizada en la agricultura, en acuicultura o para recarga de agua subterránea. El objetivo operacional de las plantas de tratamiento es alcanzar dichas normas de calidad de agua que se descarga a los receptores naturales. ORIGEN DEL AGUA RESIDUAL Patógenos Demanda de O 2 Nutrientes (N y P) Sólidos sedimentables Microcontaminante s SELECCIÓN DE LA TECNOLOGÍA Primario Secundario Terciario Tratamiento físicoquímico Tratamiento natural Tecnología del tratamiento Recreación Eutroficación Transporte Ecología Re-uso OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO NORMAS DE CALIDAD Figura 3. Selección de la tecnología de tratamiento apropiada II. MÉTODOS DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL Los métodos de tratamiento en los que predominan la aplicación de principios físicos se conoce como Tratamiento Primario. Los métodos de tratamiento en los que la eliminación de contaminantes se efectúa por actividad química o biológica es conocido como Tratamiento Secundario. Recientemente el Tratamiento Terciario o Avanzado se ha aplicado a las operaciones o procesos utilizados para eliminar contaminantes que no se han visto afectados por los tratamientos antes mencionados. 14

16 2.1 Tratamiento Primario El tratamiento primario del agua residual domestica se refiere a procesos mecánicos para remover basura flotable y sólidos suspendidos en orden de preparar el caudal para ser tratado en las operaciones subsiguientes. Es por eso que el tratamiento primario a veces llaman tratamiento mecánico y este incluye: cribado, desarenado y sedimentaci6n primaria Cribado Las Cribas y rejillas sirven para eliminar partículas contaminantes gruesas (como papeles, bolsas plásticas y otras basuras flotantes) para evitar daños en las bombas, aireadotes y vertederos. Según el tamaño de las partículas que retienen (lo que determina la distancia entre las barras de una criba) las cribas se puede clasificar en finas, medianas y gruesas. Las cribas finas pueden lograr un nivel muy alto de remoción de sólidos pero tienen problema de un frecuente atascamiento. Las cribas gruesas usan en pre-cribado para proteger y asegurar el buen funcionamiento de la criba fina que lo sigue. En términos de operación, las cribas pueden ser divididas en manuales y mecánicas. Las barras de las cribas manuales tienen un grosor de 10 mm y están inclinadas entre De esta manera se aumenta el área de la sección por donde pasa el flujo del agua entre las barras lo que facilita la remoci6n (limpieza) manual del cribado. El ancho del canal de flujo de agua hacia la criba no puede ser mas de 0.5 m y la profundidad no mas de 1.5 m para facilitar el trabajo manual de limpieza. Las cribas mecánicas tienen inclinaci6n de 45 a 80 respecto al horizonte, la profundidad del canal siempre es más grande en comparaci6n a la criba manual. Los sistemas con el cribado mecánico proporcionan mejores condiciones de la limpieza, esta es mas confiable y mas frecuente (es regular). El cribado mecánico es mas eficiente, lo que se demuestra por mayores cantidades del material desechado capturado en el agua residual. El régimen de operación de una criba mecánica puede ser: 1) encendido - apagado manual, 2) instalación de un timercontrol (por ejemplo limpieza cada 5 minutos), o 3) interruptor electrónico según el nivel del agua. 15

17 a) b) Figura 4. Criba manual (a) y mecánica (b) Desarenado La remoción de arenisca de las aguas residuales en las primeras etapas del tratamiento es necesaria por varias razones: 1. Prevenir el desgaste y rayado de los equipos mecánicos como bombas, aireadores 2. Reducir la formaci6n de las deposiciones de material arenoso y consecuentemente atascamiento en las unidades de operación subsiguientes y tubos de transporte. 3. Evitar la acumulaci6n de los s61idos incites en el lodo primario que perjudicara el funcionamiento del reactor de lodos. El objetivo del desarenado es remover las pesadas partículas de arena (arenisca) con el diámetro mayor de 0.2 mm. Al mismo tiempo, las partículas de materia orgánica (de bajo peso) tienen que permanecer en la suspensión para ser tratadas en las subsiguientes etapas. Eso puede ser logrado por medio de: - manteniendo la velocidad horizontal del flujo de agua v H, a 0.3 m/s. - creando condiciones de turbulencia (hidráulicamente, mecánicamente o por aireación) lo que previene la sedimentación de las partículas orgánicas. - proporcionando suficiente tiempo para que las partículas de arenisca se sedimenten con una velocidad de precipitación v s. Para las partículas de la arenisca con la velocidad de sedimentación v s (m/h) el tiempo requerido para alcanzar el fondo del desarenador con la profundidad D es: t = D/v s 16

18 El tiempo de retención hidráulica en el desarenador es igual a éste t: t = D. v s = V/Q v s = Q/L. W = Q/A donde Q es la máximo caudal, m/h L, W, D son el largo, ancho y alto de la unidad del sistema de desarenador A es el área de la superficie de la unidad del sistema desarenador De esta ecuación se puede ver que la velocidad de sedimentación v s es igual a Q/A, o sea que la profundidad del desarenador no afecta la eficiencia de la remoción de arenisca sino el área del sistema. Por esta razón, v s generalmente es llamada "carga superficial". Normalmente v s es igual a m 3 /m 2 h, esta velocidad asegura que todas las partículas de arenisca del Ø >0.2 mm precipite según la ley de Newton. Para llevar a cabo el proceso de desarenación se utilizan diferentes estructuras y mecanismos. A) Canales abiertos son las estructuras simples en el diseño y operación y se utilizan como desarenadores en las pequeñas plantas de tratamiento. El desarenador rectangular tiene la velocidad horizontal V H = Q/W D <0.30m/s y la velocidad de precipitación v s < 40m/h (0.011 m/s). Utilizando los valores típicos para V H y v s (indicados arriba), el largo de un desarenador rectangular se puede calcular como: L - (v H /v s ) D = 0.3/0.011 D = 27.3 D. Los desarenadores rectangulares tienen muchos problemas de operación con los caudales en fluctuación, ya que esta afecta directamente V H y v s. El efecto de fluctuaciones en el caudal se trata de evitar o minimizar de muchas maneras. Una de las opciones es instalando un sistema multicanal, el cual consiste en la conexión paralela de varios canales que se pueden activar en horas pico en dependencia de la demanda según el caudal. 17

19 Figura 5. Perfil de un drenaje con by-pass Figura 6. Plano de un desarenador de dos canales abiertos Otra opción para mantener v H, y v, constante en el marco de los limites es crear un desarenador con la forma parabólica de perfil. En este caso cuando aumenta el caudal aumenta el área superficial y v, se amortigua contra mayores fluctuaciones. Para mantener constante la V H, en el final de los canales parabólicos acostumbran ubicar vertederos, mecanismos que permitan controlar la velocidad. Para reducir la frecuencia de la limpieza de un desarenador a 1-2 veces por semana, en la parte inferior del mismo se provee una pila de almacenamiento de arenisca. Normalmente, la pila de almacenamiento se hace de m de profundidad para recolectar el material inerte durante varios días de operación continua. El proceso de remoción puede ser manual o mecánico, el último es más caro pero más practico cuando se trata de una planta de tratamiento grande. En la operación de un desarenador el "lavado de arenisca" es una practica común Este proceso asegura que a cierta velocidad del caudal las partículas orgánicas son re-suspendidas mientras del fondo del desarenador, mientras la arenisca permanece sedimentada. Este procedimiento reduce la cantidad del material recolectado, reduce su impacto medioambiental, sirve para prevenir la formaci6n de malos olores. 18

20 La velocidad horizontal del flujo de agua para asegurar la resuspensión de las partículas orgánicas debe ser mas de 0.1 m/s. Para el diseño de los desarenadores el valor de V H que se utiliza con mayor frecuencia es de 0.3 m/s. B) Desarenador de aeración. Además de los canales abiertos, para remover arenisca se utilizan otros tipos de sistemas como desarenador aireado con el flujo helicoidal. El flujo helicoidal esta creado por un difusor de aire instalado en el sistema. Las partículas orgánicas se mantienen en la solución mientras que las pesadas partículas de arena y arenisca precipitan en el fondo. Normalmente el tiempo mínimo de retenci6n de 3-4 minutos y el flujo del aire m 3 aire/m 3 de volumen del desarenador por hora es suficiente para la separación de las partículas. Figura 7. Desarenador de flujo helicoidal en cámara de aire Este sistema del desarenador se recomienda utilizar en plantas de tratamiento grandes. La ventaja de desarenación aireada es el "refrescamiento" de las aguas residuales lo que permite reducir las posibilidades de formación de olores durante la siguiente etapa de tratamiento: sedimentaci6n primaria Sedimentación primaria El proceso de sedimentación primaria tiene por objetivo remover la materia orgánica suspendida de las aguas residuales a tratar y de esta manera reducir la carga contaminante para la siguiente etapa: tratamiento biológico. En la sedimentación primaria la eficiencia de la remoci6n de los sólidos orgánicos suspendidos depende de los siguientes factores: 19

21 - velocidad de la sedimentación (la carga superficial), v s - tiempo de retención hidráulica, t - concentraci6n de los TSS en el caudal Normalmente para el agua residual domestica la v s debe ser en el rango de 1-2.5m/h, mientras que el tiempo de retención puede oscilar entre 1-2 horas. Como puede ser observado en la Figura 8, la remoción de BOD y TSS son fuertemente afectados por el grado de contaminación del agua residual. Remoción, % Tiempo, horas Figura 8. Remoción de BOD y TSS en por ciento como función del tiempo de retención El grado de remoción se puede aumentar hasta 65-85% utilizando la coagulación química y floculación. Al mismo tiempo esto permite reducir el contenido de fósforos. Cabe mencionar que este grado de remoci6n solo se puede mantener en las condiciones cuando el caudal de entrada al tanque sedimentador es estable. En la práctica, el viento, cambio de temperaturas del aire, densidad del flujo del agua a tratar reducen la eficiencia de remoción de BOD y de los sólidos suspendidos (TSS). El viento provoca la circulación del agua 20

22 Surge el gradiente de temperatura c) flujos de mayor densidad Figura 9. Las condiciones no-ideales en la circulaci6n de un tanque de precipitación Tipos de tanques para sedimentación primaria Los tanques de sedimentaci6n pueden ser clasificados en: tanques rectangulares y circulares con el fondo piano tanques de los flujos verticales y horizontales tanques sedimentadores tipo Imhoff La mayoría de los tanques tienen el fondo piano y utilizan el flujo horizontal de agua residual, son muy confiables en operación y proporcionan alta remoción de TSS. Esos tanques necesitan un mecanismo para recolectar y evacuar el lodo que se forma en el fondo. Para los tanques rectangulares generalmente, la relaciona L: B es de 4-6 y L: D es de por lo menos 12, aunque nunca el largo máximo de un tanque es de 60 metros. La relación L: D de 25: 1 asegura un flujo estable y como consecuencia, alta eficiencia de la remoción de sólidos. El tiempo de retención es de 1.5 a 2.0 horas. Las ventajas de un tanque sedimentador rectangular son las siguientes: 21

23 - relativamente baja demanda del terreno - alta estabilidad del flujo - posibilidad de construir series de tanques utilizando las paredes comunes. Hablando de los tanques circulares, son muy susceptibles a las perturbaciones de las corrientes del viento y cambio de temperatura. A la hora de construir varios tanques los elementos de uno no se puede usar para el otro (como las paredes comunes de los tanques rectangulares) y eso encarece la obra, además que se requiere mas área para construcción. El alto de la pared del tanque circular normalmente es de 2-3 m, solo en el caso de que el nivel de las aguas subterráneos sea muy alto, la altura del tanque no accede a m. La pendiente del fondo del tanque en la parte de sedimentaci6n es de 8-10%, mientras que en la parte de la deposición de lodo es de 60. El diámetro de los tanques circulares llega hasta 20m. Figura 10. Perfil de un tanque de sedimentación primaria Los tanques tipo Imhof tienen doble función: sedimentaci6n del material suspendido y digestión de las partículas sedimentadas. Esto se debe a que el tanque Imhoff posee dos compartimientos, en el compartimiento superior se da la sedimentaci6n y acumulación de lodos, mientras que en la parte inferior tiene lugar el proceso de digesti6n y almacenamiento de lodo. Los tanques Imhoff fueron desarrollados en Alemania para simplificar el diseño de una planta de tratamiento (en un equipo se dan dos operaciones). La decisión de la construcción de un Imhoff en lugar de un tratamiento tradicional donde la sedimentación se realiza separado de la digesti6n, se hace en dependencia de las condiciones locales como: costo del terreno, estabilidad del suelo, nivel del agua subterránea, capacidad de planta de tratamiento, temperatura del ambiente. Los tanques Imhoff en ocasiones llegan hasta más de 10 metros de altura debido a que poseen 2 compartimientos. Estos no necesitan ningún mecanismo para remover el lodo que se acumula se el fondo del primer compartimiento ya que la pendiente que llevan las paredes es de 60 y eso facilita que lodo escurre por su propio peso a la secci6n de deposito de donde se evacua después de un tiempo prudente de digesti6n. En 22

24 la actualidad los tanques tipo Imhoff casi no se construyen por las dificultades que presenta su construcci6n en las áreas donde el suelo no es suficientemente estable o el nivel freático es alto Flotación Figura 11. Perfil del tanque Imhoff con tres compartimientos Si el proceso de sedimentación no es efectivo para un cierto tipo de agua residual, para eliminar la materia suspendida se puede implementar el método de flotación. El método de flotación consiste en lo siguiente: las burbujas de agua liberadas bajo presión en la parte inferior del tanque de flotación suben arrastrando a la superficie los sólidos suspendidos en forma de torta que puede ser eliminada con un mecanismo de escarbador especial. Normalmente este tipo de remoción primaria de sólidos suspendidos se utiliza para las aguas residuales de los procesos de producción de celulosa y papel ya que el proceso de flotación es muy efectivo para recuperaci6n de los materiales fibrosos antes de desechar el agua al alcantarillado. Otra ventaja que tiene esta operación unitaria es que la unidad es muy compacta. El método de flotación, con diferentes dispositivos también se utiliza para remover las grasas y aceites en el tratamiento preliminar. 2.2 Tratamiento Secundario (Tratamientos Biológicos) Los materiales inorgánicos como la arcilla, sedimentos y otros residuos se pueden eliminar por métodos mecánicos y químicos; sin embrago, si el material que debe ser eliminado es de naturaleza orgánica, el tratamiento implica usualmente actividades de microorganismos que oxidan y convierten la materia orgánica en CO 2, es por esto que nos tratamientos de las aguas de desecho son procesos en los cuales los microorganismos juegan papeles cruciales. El tratamiento de las aguas residuales da como resultado la eliminación de 23

25 microorganismos patógenos, evitando así que estos microorganismos lleguen a ríos o a otras fuentes de abastecimiento. Específicamente el tratamiento biológico de las aguas residuales es considerado un tratamiento secundario ya que este esta ligado íntimamente a dos procesos microbiológicos, los cuales pueden ser aerobios y anaerobios. El tratamiento secundario de las aguas residuales comprende una serie de reacciones complejas de digestión y fermentación efectuadas por un huésped de diferentes especies bacterianas, el resultado neto es la conversión de materiales orgánicos en CO 2 y gas metano, este ultimo se puede separar y quemar como una fuente de energía. Debido a que ambos productos finales son volátiles, el efluente líquido ha disminuido notablemente su contenido en sustancias orgánicas. La eficiencia de un proceso de tratamiento se expresa en términos de porcentaje de disminución de la DBO inicial. A. Procesos Aeróbicos En el tratamiento aeróbico de las aguas residuales se incrementa fuertemente el aporte de oxigeno por riego de superficies sólidas, por agitación o agitación y aireación sumergida simultaneas. El crecimiento de los microorganismos y su actividad para degradar crecen proporcionalmente a la tasa de aireación. Las sustancias orgánicas e inorgánicas acompañantes productoras de enturbiamiento son el punto de partida para el desarrollo de colonias mixtas de bacterias y hongos de las aguas residuales, los flóculos que, con una intensidad de agitación decreciente, pueden alcanzar un diámetro de unos milímetros dividiéndose o hundiéndose después. La formación de flóculos se ve posibilitada por sustancias mucilaginosas extracelulares y también por las microfibrillas de la pared bacteriana que unen las bacterias unas con otras. El 40 50% de las sustancias orgánicas disueltas se incorporan a la biomasa bacteriana y el 50 60% de las mismas se degrada. La acción depuradora de los microorganismos en un proceso se mide por el porcentaje de disminución de la DBO en las aguas residuales tratadas. Dicha disminución depende de la capacidad de aireación del proceso, del tipo de residuos y de la carga de contaminantes de las aguas residuales y se expresa asi mismo en unidades de DBO. El numero de bacterias de los fangos activados asciende a muchos miles de millones por ml, entre ellas aparece regularmente la bacteria mucilaginosa Zooglea ramigera, que forma grandes colonias con numerosas células encerradas en una gruesa cubierta mucilaginosa común, las células individuales libres se mueven con ayuda de flagelos polares. Entre las bacterias de los flóculos predominan las representantes de géneros con metabolismo aerobio-oxidativo como Zooglea, Pseudomonas, Alcalígenas, Arthrobacter, Corynebacterium, Acinetobacter, Micrococcus y Flavobacterium. Pero también se presentan bacterias anaerobias facultativas, que son 24

26 fermentativas en ausencia de sustratos oxigenados, de los generos Aeromonas, Enterobacter, Escherichia, Streptococcus y distintas especies de Bacillus. Todas las bacterias contribuyen con las cápsulas de mucílago y con las microfibrillas al crecimiento colonial y a la formación de los flóculos. En las aguas residuales con una composición heterogénea, la microflora se reparte equitativamente entre muchos grupos bacterianos. En la selección de bacterias y en la circulación y formación de flóculos juegan un importante papel los numerosos protozoos existentes, la mayoría de ellos ciliados coloniales y pedunculados de los géneros Vorticela, Epystilis y Carchesium, aunque también puedan nadar libremente como los Colpidium que aparecen a la par de ellos, alimentándose de las bacterias de vida libre que se encuentran tanto sobre la superficie como fuera de las colonias. Su función es esencial en la consecución de unas aguas claras y bien depuradas. La salida de los fangos activados sintéticos libres de ciliados se ve contaminada y enturbiada por la presencia de bacterias aisladas. Se realiza una inoculación de ciliados que crecen rápidamente, favoreciendo con su actividad depredadora el crecimiento y la circulación de las bacterias de los fangos, con lo que posibilitan un efluente mas limpio. Además en los fangos activados aparecen regularmente hongod edaficos y levaduras, siendo las mas frecuentes las especies de Geotrichum, Trichosporum, Penicillium, Cladosporium, Alternaria, Candida y Cephalosporium. Tras la depuración biológica, las aguas residuales contienen compuestos orgánicos, fosfatos y nitratos disueltos que solo se degradaran ya lentamente. Los nitratos se forman por oxidación del amonio desprendido en la degradación de compuestos orgánicos nitrogenados. Esta es una tarea de las bacterias Nitrificantes, uno de cuyos grupos esta reprensado en las aguas residuales principalmente por Nitrosomonas y Nitrosospira, que únicamente llevan a cabo la reacción de oxidación del amonio a nitrito para obtener energía metabólica, mientras que un segundo grupo de bacterias, que aparece siempre junto al ya citado y que esta reprensado por Nitrobacter, oxida el nitrito a nitrato y obtiene energía gracias exclusivamente a este proceso: Oxidación del amonio: Oxidación del nitrito: a. NH 4 + ½ O 2 NH 2 OH + H b. NH 2 OH + O 2 + 2ADP + 2PO 4 HNO 2 + H 2 O + 2 ATP NO ½ O 2 + ADP + PO 4 NO ATP Otros microorganismos que también intervienen en el tratamiento aerobio de aguas residuales son: Citrobacter, Serratia, mohos y levaduras que actúan mas de componentes acompañantes que de degradantes y algunas algas como Anabaena que convierte los poliuretanos en H 2 ; Chrorella los alginatos los 25

27 convierte en glicolato; Dulaniella los alginatos en glicerol; Nostoc el agar el H 2 ; Algas como el Volvox, Tabellaria, Anacistis y Anabaena; las algas que obstruyen los filtros son Anacistis, Chorella, Anabaena y Tabellaria Filtros percoladores Los filtros percoladores usualmente son de forma circular y consiste en un lecho del medio altamente permeable rodeado por una pared. Como material de medio puede servir roca quebrada, piedras volcánicas e incluso material plástico. El agua residual pre-sedimentada se vierte uniformemente sobre el lecho del filtro co la ayuda de los distribuidores rotativos. El agua atraviesa toda la altura del material permeable hasta llegar al fondo perforado donde es recolectada. Figura 12. Esquema de un filtro percolador Los filtros percoladores fueron desarrollados en Inglaterra a finales del siglo 19. Este tipo de tratamiento llegó a sustituir el método de purificación de agua donde el flujo de agua usada se regaba sobre el suelo y se le permitía infiltrar de manera natural. La gran desventaja de este procedimiento erala alta área especifica del terreno requerida para tratar las aguas (20-40 m 2 /EP). Para reducir el área de tierra necesaria para el tratamiento comenzaron a utilizar los filtros de arena de 0.5 a 1 m de altura. Dos al día el filtro se cargaba con el agua a tratar, de esta manera la demanda del área se bajo hasta 2-4 m 2 /EP. Mas tarde, para evitar problemas del atascamiento del filtro, arena fue sustituida por otros materiales filtrantes (material de relleno) de mayor tamaño de medio (de 6 a 8 cm). El aumentar el tamaño de medio trajo otro beneficio: mejor aireación y menor tiempo de retención lo permitía condensar el diseño del filtro y por lo tanto reducir los costos de diseño. Hoy en día los filtros percoladores se utilizan ampliamente en Europa, en algunos países de Centroamérica (Salvador). Los nuevos, altamente porosos materiales de relleno permiten reducir requerimiento de área hasta m 2 /EP, sin embargo su popularidad esta decreciendo debido a que las normas de calidad para el agua tratada en Europa cada día se hacen mas estrictos y los filtros percoladores no la garantizan. 26

28 Tabla 4. Ventajas y desventajas de un filtro percolador Ventajas Desventajas Baja demanda de energía eléctrica No garantiza alta calidad del efluente (BOD<10) Baja la producción de los lodos Baja remoción de N y P (no cumple con las normas europeas) Simple en operación El proceso poco flexible, difícil de Bajos costos de mantenimiento Existe un potencial riesgo de creación de fuente para mosquitos, malos olores, atascamiento Bajo costo de inversión Su funcionamiento es seriamente afectado por la temperatura Lodos son fácilmente deshidratados Procesos que se desarrollan dentro del filtro percolador A medida que el filtro percolador esta funcionando la superficie del material de relleno se cubre de una película formada por los microorganismos que se adhieren al medio. El agua residual entra en contacto con esta película y materia orgánica biodegradable se oxida. El proceso de absorción y biodegradación causa el constante incremento del grosor de la película que finalmente puede provocar limitaciones de difusión del substrato y/u oxigeno y reduce el crecimiento de las bacterias. Cuando los microorganismos no tienen suficiente "alimentación" (BOD) y oxigeno su actividad se reduce según la ley de Monod. Como consecuencia de las limitaciones del oxigeno se inician los procesos anaerobios. Los microorganismos anaerobios comienzan la producción de gases (CH 4, N 2 )!os cuales provocan parcial destrucción de la película microbiana (despegándola del medio poroso), ocasionando la reducci6n de la eficiencia de purificaci6n, además surge formación de desagradables olores y posible atascamiento del filtro dificultando su operación. En condiciones normales de operación de filtro debe existir control sobre el aumento del grosor de la capa microbiana. Eso se logra por medio de regulación del régimen de la carga superficial que se proporciona al filtro. El fenómeno de la perdida de una parte de la capa microbiana se llama "lavado" del filtro. Mientras mas alta es la carga orgánica del agua a tratar en el filtro, más rápido es el crecimiento de biomasa. Como consecuencia, tiene que ser incrementada la carga superficial para aumentar las fuerzas de fricci6n con el objetivo de "lavar" el exceso de la película microbiana y prevenir el atascamiento del filtro. Bajo las condiciones estables de la operación del filtro la cantidad de biomasa que se forma tiene que ser igual a la cantidad de biomasa que se "lava" del filtro. Basados en la carga superficial, existen dos tipos de filtros percoladores. 27