CASO PRACTICO TRATAMIENTO AEROBIO (LODOS ACTIVADOS) Este trabajo fue descargado del siguiente sitio:

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1 CASO PRACTICO DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL EMPLEANDO: TRATAMIENTO ANAEROBIO (UASB) TRATAMIENTO AEROBIO (LODOS ACTIVADOS) JULIO CESAR TORRES SALAZAR WAGNER COLMENARES MAYANGA JESUS ROBERTO MARCOS _ IBÁÑEZ BARRAZA Este trabajo fue descargado del siguiente sitio: Para conseguir una copia actualizada de este trabajo, por favor visite esa dirección. El contenido de esta obra es propiedad intelectual de sus autores y se distribuye bajo una Licencia Creative Commons Reconocimiento Compartir Igual. Ello implica que en la utilización o distribución de la obra usted debe: reconocer los créditos de la obra, citando a los autores y la fuente en la que se obtuvo originalmente (mencionada arriba) compartir la obra derivada bajo la misma licencia 1

2 Se tiene la localidad XXX, en el Dpto. de San Martín con 88,000 habitantes, con un crecimiento poblacional anual del 1.5%. Un plano de la zona es presentado abajo. Se ha realizado el levantamiento de información considerando los siguientes datos: A: Zona donde ubican los restaurantes turísticos y hoteles B: Zona donde se ubica el comercio: los bancos, tiendas y mercados C: Zona en que se ubican las viviendas residenciales de clase media D: Zona donde se ubican los asentamientos humanos e industria ligera (30 has) AE: Zona donde se ubica el aeropuerto. El clima de la región es tropical con lluvias torrenciales en épocas de invierno. El problema de las lluvias provoca inundaciones en la parte baja de la ciudad, lo que ocasiona una elevada incidencia de malaria. Las inundaciones causan daño a la comunidad y a la propiedad privada. El uso del lago es para recreación. Antiguamente existían peces pero estos han ido despareciendo con el tiempo. El abastecimiento de agua para la localidad es realizada partir del río Beta. Actualmente existen varias descargas de las aguas residuales al lago (de las zonas A y B) y del sector comercial, lo cual crea serios problemas de contaminación en el lago con elevadas concentraciones de Coliformes Fecales y Totales y florecimiento de algas. Un resumen de la situación actual se presenta en el siguiente cuadro: Zona Población Área (ha) Tipo de abastecimiento de agua A Conexión domiciliaria B Conexión domiciliaria C Piletas publicas Conexiones domiciliarias Saneamiento Colectores 90% Colectores 90% Letrinas Tanques sépticos Cobertura de saneamiento 20% 40% D Piletas publicas Letrinas 60% En base a la información se pide contestar las siguientes interrogantes: 2

3 1. Presentar una estimación del caudal de desagüe proyectada en el horizonte del proyecto (20 años). 2. La caracterización de los colectores de la ciudad han dado los valores medios que se muestran en el Cuadro 1. En su opinión que sustancias podrían causar problemas en una planta de tratamiento. 3. PRE-diseñar una planta de tratamiento basada en dos etapas un tratamiento anaerobio seguido de un tratamiento aerobio. Considerar un diseño de al menos dos etapas 2015 y Verificar si es posible utilizar lagunas de estabilización y proponer algún sistema anaerobio/aerobio (p.e, UASB + Lodos Activados). Para el tratamiento anaerobio seleccionado, Indicar los valores de: a. Caudal de diseño y principales características de diseño como volumen, altura, área. b. Usted recomendaría el uso del biogás? Dar sus consideraciones si esto es factible o no. c. Carga orgánica de diseño (Kg DBO/día) 4. Indicar posibles ubicaciones para las unidades de una futura planta de tratamiento 5. Una vez establecida la ubicación de la planta, ubicar todas las instalaciones en el plano a una escala apropiada, incluir todos los edificios, salas de maquinas, accesos, jardines, etc. 6. Considerando el tema de reuso, indicar el tipo de reuso que UD daría al efluente tratado?. Si ambas márgenes del río Beta hay desarrollos agrícolas precarios. 3

4 NORMAS AMBIENTALES PARA AGUAS RECEPTORAS Las normas peruanas sobre la calidad del agua para las aguas receptoras se indican en la Tabla 2. Estas normas clasifican a las corrientes por su uso en seis categorías: 1 I. Abastecimiento de agua sin tratamiento para el consumo doméstico. II. Fuentes de abastecimiento de agua tratada. III. Agua de riego para cultivos alimenticios que generalmente se comen crudos. IV. Aguas usadas para recreación donde hay contacto corporal con el agua. V. Aguas usadas para el cultivo de mariscos. VI.Aguas usadas para la recreación sin contacto corporal y protección general del ambiente. En general las normas peruanas son consistentes con otras normas internacionales. Sin embargo, las normas peruanas no hacen una distinción explícita entre agua marina y agua fresca. Las Clases I, II y III se aplican claramente a aguas frescas. 1 Ley No , Ley General de Aguas, Decretos Supremos No AP y No SA 4

5 Cuadro 1 Parámetro Unidad Ciudad XX Bacteriológicos (B) Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales NMP/100 ml NMP/100 ml NMP/100 ml 5.75* * *10 7 Carga Orgánica DBO5 mg/l 341 DQO mg/l 981 Aceites y grasas mg/l 77 Nutrientes (N) Nitrógeno total mg/l 54.2 Amoniacal mg/l 43.2 Orgánico mg/l 12 Nitritos mg/l Nitratos mg/l 0.38 Fósforo total mg/l 10.6 Metales (M) Arsénico (Ar) mg/l Cadmio (Cd) mg/l Zinc (Zn) mg/l 0.43 Cobre (Cu mg/l 0.13 Cromo total (Cr mg/l 0.84 Hierro (Fe) mg/l 2.11 Manganeso (Mn) mg/l Mercurio (Hg) mg/l Níquel (Ni) mg/l Plata (Ag) mg/l Plomo (Pb) mg/l 0.19 Otros Inorgán. (I) Alcalinidad total mg/l 286 Dureza total mg/l 370 Bicarbonatos mg/l 286 Cloruros mg/l 199 Fluoruros mg/l 0.15 Sulfatos mg/l 254 Sólidos totales mg/l 1460 Sólidos suspendidos mg/l 417 Sólidos solubles mg/l 1043 Sólidos volátiles mg/l 558 Sólidos sedimentables ml/l hora 8.1 Hidrocarburos en agua mg/l

6 Tabla 2 Resumen de las Normas Peruanas para Aguas Receptoras Clase I Clase II Clase III Clase IV Clase V Clase VI Parámetros y Otras Necesidades Coliformes fecales, NMP/100 ml (80% de muestras mensuales) Coliformes totales, NMP/100 ml (80% de muestras mensuales) Fuentes de Abastecimiento sin Tratar Fuentes de Abastecimiento Tratadas Riego de Cultivos Alimenticios que se comen crudos Agua para recreación de contacto directo Maricultura Recreación General y Protección Ambiental 0 4,000 1,000 1, , ,000 5,000 5,000 1,000 20,000 Oxígeno disuelto, mg/l DBO, total, mg/l Metales, mg/l Cromo (+6) n/a Mercurio n/a Cobre n/a h LC50 x0.01 Plomo n/a Cadmio n/a Níquel n/a h LC50 x0.02 Cianuro (CN) Fenoles Bifenilos Policlorinados (PCB) 6

7 Tabla 3 Directrices de calidad microbiológica y parasitológica recomendadas para el uso de aguas residuales en la agricultura (OMS, 1989) 1 7

8 UBICACIÓN DE LA PTAR DE LA LOCALIDAD XXX SAN MARTIN N P.T. Agua PT A 800msnm Esc. 1 km Descarga actual de aguas residuales R Beta 810msnm Zona de cultivo 815msn m Zona cultivo Aeropuerto 800msnm 1000msnm 810msnm Zona con potencial agricola D C Embarcaderos del Lago FUTURA PTAR Zona de Cultivo Inundable Cota 790msnm B A R. Alfa Lago 8

9 RESPUESTA DE LAS PREGUNTAS I. CAUDAL DE DESAGUE PROYECTADA EN EL HORIZONTE DEL PROYECTO (20 AÑOS) LOCALIDAD XXX - DPTO. SAN MARTIN Calido<> tropical 1. DATOS Zona Descripción Població Tipo de Abast. Area(Ha) Saneamiento Cobertura Dotación coeficiente de n Agua Saneamiento l/habxdía escorrentía(ce) A Rest. turísticos y C. Dom Colectores 90% 220 0,9 hoteles B Comercio: bancos, C. Dom Colectores 90% 220 0,8 C tiendas, mercados viviendas residenciales de clase media Piletas Públicas C, Dom Piletas D Asent. Humanos, industria ligera AE Aeropuerto 30 Población Crecimiento Poblacional 1,50% 2. CALCULO DE CAUDAL DE AGUA RESIDUAL Públicas Letrinas tanques sépticos Se va ha calcular el caudal de agua residual considerando el aporte por crecimimiento poblacional. 20% 40% 220 0,82 Letrinas 60% 220 0,18 Concepto Criterio calculo Años Pob. Total(1) Pt=Po(1+r) t Cons. Percapita (L/hab/día)(2) Evacuación per. cápita L/hab/día(3) (2)*80%

10 Cobertura(4) año0= pobzona cob/pob 23,52%.Total 50% 95% población servida(5) 1* caudal promedio( l/s) M M=1+14/(4+P 1/2 ) 2,64 2,26 1,96 Caudal max. diario(l/s) Qmxh=M*Qprom Caudal min diario(l/s) Qminh=Qprom/M CAUDAL DE LLUVIA Intensidad promedio lluvia( i) 2460 mm/año Área de drenaje(ha) ,35 882,79 Caudal Zona A(l/s) Q=167*Ce*i*A 28 Caudal Zona B(l/s) 63 Caudal Zona C(l/s) 51 Caudal Zona D(l/s) 70 Caudal zona de crecimiento(l/s) 48 Caudal zona de crecimiento(l/s) 104 Caudal de lluvia(l/s) Caudal promedio total l/s Caudal Máximo diario total l/s Caudal Mínimo diario total l/s No se ha considerado el aporte de agua de lluvia, en el calculo de las unidades de tratamiento, con la finalidad de no sobredimensionarlas. Se ha considerado solamente los aportes del agua de uso domestico 10

11 II. SUSTANCIAS QUE PODRÍAN CAUSAR PROBLEMAS EN UNA PLANTA DE TRATAMIENTO La concentración umbral del plomo de efecto inhibitorio en organismos heterotróficos es de 0.1 mg/l y el reportado al caracterizar el agua residual es de 0.19 mg/l, por lo tanto esta sustancia ó elemento pueden causar problemas en la planta de tratamiento. Aceite y grasas 77mg/l y los Hidrocarburos 3.6 mg/l no afectan al proceso aeróbico o anaerobio de tratamiento. Todos los demás elementos están por debajo del valor umbral que inhib III. DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL (ANAEROBIO- AEROBIO) TRATAMIENTO ANAEROBIO (UASB) DATOS Año 0 Año 10 Año 20 Qp(m3/h) 151,2 374,4 824,4 Qmax(m3/h) 399, ,8 Qmin(m3/h) 57,6 165,6 421,2 DBO5(Kg/m3) 0,341 DQO(Kg/m3) 0,981 Y (Kg SST/Kg DQO apl.) 0,18 Yobs (Kg DQO Lodo/Kg DQO apl.) 0,11-0,23 P (Atm) 1 K (gr DQO/mol 64 R (Atm*L/mol*ºk) 0,08206 CONSIDERANDO Temp. Aire del mes más frío C 18 Temp. agua del mes más frío C 23,35 temp. retención hidráulica TRH horas 7 fuente: Lettinga altura zona sedimentación Hse m 1,2 Veloc. ascensional(lodo floculento, Vo m/h 0,7 fuente: Lettinga desagüe domestico) Area de influencia de cada distribuidor Ad Ingreso/ m 2 3 CALCULOS Dimensionamiento del 10 años 20 años reactor Volumen de reactor (m3) Vr=Qp*TRHmi m3 2620,8 5770,8 n altura del manto de lodos(m) Hs=Vo*TRH m 4,9 altura de reactor(m) H=Hs+Hse m 6,1 altura de fondo(m) Hf m 0,4 altura borde libre(m) Hbl m 0,3 11

12 Nº módulos(por facilidades constructivas y operacionales los volúmenes no pasen de 1500m3 Volumen de cada modulo 3 6 Considerando m m3. Área de cada modulo A=Vr/Hs m2 204 Adoptar reactores rectangulares a m 11,66 Consider amos 12 m L=1.5a m 17,49 Consider amos 18 m Verificando: Año 10 Año 20 Área de cada modulo Au=L*a m2 216 Área total A=Nº módulos*au m Volumen V=A*Hs m3 3175, ,4 TRH TRH=V/Q horas 8,48 7,70 Cargas Orgánica Volumétrica COV=Qp*So/V KgDQO/m3 *d 2,78 3,06 ( 3.5 m 3 /m 3.dia) Cargas Hidráulica Volumétrica CHV=Q/V m3/m3*d 2,83 3,12 ( KgDQO /m3*día) Velocidades superficiales: Para Qp v=qp/a m/h 0,58 0,64 ( m/h) para Qmax v=qmax/a m/h 1,31 1,24 ( m/h) Distribución de afluente Puntos de distribución asumiendo Und. 12,00 L m 1,50 Area de influencia de cada punto de distribución Ad=(L/puntos de distribución) 2 m2 2,25 (2-3 m2) N ingresos de afluente N =A/Ad Und. 96,0 a lo largo de cada reactor (18m) Und. 12 a lo ancho de cada reactor (12m) Und. 8,00 Nº puntos distribución - reactor Und. 96 Eficiencia Eficiencia de remoción de DQO para 20-25ºC. Eficiencia de remoción de DBO para 20-25ºC. DQOfinal(Kg/m3) DBO5final(Kg/m3) EDQO=100*(1-0,68*TRH - 0,35 ) 67,82 66,72 EDBO=100*(1-0,70*TRH - 0,50 ) 75,96 74,78 DQOf=DQOo- (E*DQOo)/100 0,316 0,326 DBOf=DBOo- (E*DBOo)/100 0,082 0,

13 Producción de metano. Año 10 Año 20 DQO Convertida en metano DQOCH4=Q(So- S)-Yobs*Q*So KgDQO/d 4127, ,2 0 K(t)=P*K/R(273+T Kg 2,63 ) DQO/m3 Producción volumétrica de metano QCH4=DQOCH4/ K(t) m3 CH4/d 1568, ,9 9 Producción de biogás Q biogás=qch4/0,7 m3/d 2091, ,9 8 5 Dimensionamiento de colectores de gases: Dimensionamiento de colectores de gases: Numero colectores de 7 por cada reactor N 21,00 42,00 gases Longitud de cada colector Longitud total de colector de gases Ancho de cada colector de gas Área total colectores de gases Verificación tasa de liberación biogás a lo ancho del reactor m 12,00 12,00 m 252,00 504,00 adoptado m 0,25 0,25 Ag m2 63,00 126,00 Vg=Q biogás/ag m3/m2*h 1,38 1,49 mínima: 1.0 m3/m2*h Dimensionamiento aberturas de Año 10 Año 20 decantadores Adoptando 6 separadores trifásicos N de aberturas simples por reactor 2 6,00 12,00 N de aberturas dobles por reactor 5 15,00 30,00 N equivalente de aberturas 36,00 72,00 simples largo de cada abertura 12,00 12,00 Largo equivalente de aberturas m 432,00 864,00 simples Ancho de cada abertura adoptada m 0,45 0,45 Area total de aberturas m2 194,40 388,80 Verificación velocidades en aberturas: Para Qp m/h 1,87 1,53 ( m/h) Para Qmax m/h 2,55 2,09 ( m/h) Aberturas simples largo=12m ancho=0.45 m Aberturas dobles largo=12m ancho=0.90 m 13

14 Dimensionamiento: compartimiento de Año 10 Año 20 decantador N de compartimientos decantador por 6 18,00 36,00 decantador ancho de cada decantador a lo ancho m 12,00 12,00 del reactor ancho total total m 216,00 432,00 ancho de cada colector de gas ( ) m 0,30 0,30 ancho cada compartimiento m 3,00 3,00 decantador ancho util de cada decantador m 2,70 Area total de decantador m2 583, ,4 0 verificando tasas aplicación superficial: para Qp Vd m/h 0,64 0,71 ( m/h) para Qmax Vd m/h 1,45 1,38 (<1.2 m/h) Evaluación de la producción de lodo Año 10 Año 20 Producción de lodo P Kg SST/día 1586, ,74 lodo=y*dqoapli Volumen de lodo Vlodo=Plodo/d*C m3/día 38,89 85,63 a.- Caudal de Diseño : Caudal Año 0 Año 10 Año 20 Qprom (lps) Qmax (lps) Qmin (lps) b.- Uso de Bio_Gas: La producción de bogas (Metano), al año 10 es de 2091 m3/dia y al año 20 de 4496 m3/dia, el cual se puede usar para la generación de energía electrica de uso en la misma planta y de uso en la comunidad. Es posible además su uso en el secado térmico de los lodos, quitándole su agresividad bacteriológica y parasitaria. c.- Carga Organica de Diseño: Carga organica Año 10 Año 20 DBO(kg/dia) DQO(kg/dia) TRATAMIENTO AEROBIO (LODOS ACTIVADOS) 14

15 I.- Información General Nombre Ubicación San Martín Area disponible Cota topográfica 800 Temperatura Máxima Temperatura mínima agua 23 Método de tratamiento del Lodo activado Convencional afluente Año meta de diseño Año 10 Año 20 II.- Características del Afluente y calidad del Efluente Esperado Año 10 Caudales l/s m3/h m3/dia Promedio Caudal Maximo diario Caudal Minimo diario Año 20 Promedio Caudal Maximo diario Caudal Minimo diario Parametro Afluente Efluente Remoción mgr/l Kgr/m3 Kgr/día mgr/l Kgr/m3 % DBO DQO SS= f b (relación SSb/SSV) fracción biodegradable =

16 III. PARAMETROS Y COEFICIENTES Parametros cineticos: Sintesis(Y) 0,5<Y<0,73(A/R domestico) Decaimiento endogeno(0,04<kd<0,075) Kd (23ºc) K20=1.020 mgssv/mgdbo 0.65 d (20ºC) Kd(23)=K20* θ ^t Kd(23ºC) Corrección de temperatura( θ) d Relación(O2/SSb) gro2/gr SSVbiodegradables 1.42 Relación(DBOu/DBO5) 1.46 Relación entre sólidos:- Desague crudo: SSb/SSV 0.6 SSV/SS 0.8 Solidos biologicos que seran generados: SSb/SS 0.8 SSV/SS 0.9 Carga de DBO 5 removida en la etapa biologica (Sr) Kg/Hora 10 años Qmedio*(DBO Total -DBO salida) Carga de DBO 5 removida en la etapa biologica (Sr) Kg/Hora 20 años Qmedio*(DBO Total -DBO salida) Coeficientes relativos a la aereación Θ(para corrección de Kla, por temp.) a 20ºC y a 0 msnmm Masa especifica del aire Kgr/m3 1.2 fracción de O 2en el aire( por peso) gro 2/gr aire JJJHJ 16

17 IV. SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL Parametros de Proyecto A) REACTOR. totalmente aerobio sin zonas anoxicas ó anaerobias θc días 6 SSVTA Kv (mgr/lt) 3000 B) SISTEMA DE AEREACIÓN ODmin(con Qmax)(Cl) mgr/lt 1 ODmax(con Qmin)(Cl) mgr/lt 2 Aeración mecanica(baja rotación) Kgr O 2 /Kw h 1.8 CALCULOS 1. Volumen de Reactor para 10 años Fracción Biodegradable fb fb=f b/(1+ (1 fb )kd*θc Volumen del Reactor (m3) V= Y * θc *Sr / Xv* (1+fb*Kd* θc) Altura ( m) asumiendo una altura 4 Area (m2) m Ancho (m) A=(Area/2)^ Largo (m) L=2A 20 PRH Nota:- Ancho (m)= A=(Area/2)^0.5= =Tomando 10 m PRH= =(*) TRH bajo ya que la demanda de DBO5 es muy baja 86 mg/l 1.- Volumen de Reactor para 20 años Volumen del Reactor (m3) V= Y * θc *Sr / Xv* (1+fb*Kd*θc) Altura( m) 4 Area (m2) Considerando 2 unidades Ancho A 10 Largo L 20 PRH PRH=V/Q Nota:- Considerando=2 unidades= =asumimos 200 m2 PRH=PRH=V/Q= =(*) TRH bajo ya que la demanda de DBO5 es muy baja 86 mg/l 17

18 2.- Demanda de Oxigeno por el Reactor a =(DBOu / DBO5)-(DBOu/Xb)*Y= *Y = = Kg O2/KgDBO5 b =(DBOu-Xb)*fb*Kd = = Kg O2/CGSB Demanda para Sintesis a *Sr 754 KgO2/Dia Demanda de Oxigeno Para respiración Endogena b *Xv*V 272 KgO2/Dia Demanda Total (Qpromedio) Romedio xxxxxxxxxxxxxx 1026 KgO2/Dia Demanda de Oxigeno Total (QMax) (Qmax / Qpromedio)*ROmedio 2008 KgO2/Dia 3 Dimensionamiento de los Aereadores Superficiales Csw(agua limpia, 20ºC) 9.02 Saturación de la concentración de O2 en aguas residuales / Saturacion de la concentración de O2 en el agua pura 0.85 α β 0.9 No 1.8 Kg O/KWH CL 2 mg/l Cst 9.17 mg/l T ºC 23 ºC PA(800nmm) mmhg p a (23ºC) 21 mmhg Csw 8.7 mg/l C sw C sw=csw(pa-p/760-p) mg/l Tasa de Tranferencia del Oxigeno por el Aereador en el Campo N=No[α(β*C sw- CL)/Cst)*1.024^(T-20)] Kg O/KWH Kg O/Kwdia Potencia Total de los Arreadores = = Kh = verificar en catalogos Según la Distribucion se necesita 2 Aereadores Verticales por cada unidad 100Kw/4 18