DESARROLLO DE UN PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA EL DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES TIPO LODOS ACTIVADOS MEZCLA COMPLETA

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1 DESARROLLO DE UN PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA EL DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES TIPO LODOS ACTIVADOS MEZCLA COMPLETA Abraham VARGAS, Raudel RAMOS, Dora Luz FLORES, José Guillermo RODRÍGUEZ Calzada del Tecnológico No , Mesa de Otay Tijuana B.C., C.P , Tel/fax: 01(664) , Palabras clave: lodos activados, tratamiento biológico, diseño RESUMEN En la actualidad, el uso de paquetes computacionales que faciliten el diseño de plantas de tratamiento es indispensable para obtener proyectos con un dimensionamiento más adecuado a las condiciones reales. Esto se logra al desarrollar un programa computacional de fácil operación para el análisis y diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) domésticas, tipo lodos activados, mezcla completa. En este proyecto se elaboró una secuencia lógica de cálculo, con la relación de ecuaciones necesarias para el dimensionamiento de los sistemas de tratamiento. Para efectuar el cálculo se empleó el ambiente de desarrollo integrado Visual Basic 6.0; en el que se alimentaron las ecuaciones. El programa consiste en proporcionar los datos completos para el sistema, tales como el Caudal, DBO de entrada, DBO de salida y otros datos comúnmente usados en el diseño de plantas de tratamiento, en sus respectivas unidades; posteriormente se despliega una ventana donde se observa el diagrama del sistema de tratamiento, con las unidades que comúnmente conforman una planta de tratamiento de este tipo de sistemas. Dicho diagrama cuanta con ligas en los puntos más importantes, como lo es el sistema de pretratamiento, tratamiento primario, reactor biológico y el sedimentador secundario, así como el sistema de recirculación, tanque de desinfección y el tanque de espesado de lodos. Se realizaron diferentes pruebas con el programa hasta lograr obtener los resultados esperados, obteniéndose que la elaboración de éste programa se convierta en una herramienta muy útil en el diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales. INTRODUCCIÓN El principal objetivo del tratamiento del agua residual es producir un efluente que pueda ser descargado sin causar daños al medio ambiente y en la salud humana. El marco general de los procesos de tratamiento de aguas residuales es muy amplio; existen diversas clasificaciones, sin embargo, la más común es la que divide el tratamiento de las aguas residuales en: - Pretratamiento o tratamiento Primario - Tratamiento Secundario - Tratamiento Terciario o Avanzado 1

2 El desglose de esta clasificación es muy amplio, pues solamente en el tratamiento secundario hay una gran variedad de procesos como: Lodos Activados y sus variantes, filtros rociadores, biodiscos, sistemas lagunares, sistemas anaerobios, sistemas combinados, etc. Otro tipo de clasificación de tratamiento de aguas residuales se basa en los métodos y/o procesos utilizados para eliminar los contaminantes, como son: - Métodos físicos: es el tipo de tratamiento en el cual se llevan a cabo cambios a través de la aplicación de fuerzas físicas. Las unidades típicas incluyen: cribado, mezclado, adsorción, desorción, flotación, sedimentación, etcétera. - Procesos químicos: en este tipo de tratamiento, la remoción o tratamiento de los contaminantes se realiza mediante la adición de reactivos que llevan a cabo diferentes reacciones químicas. La precipitación química, coagulación y desinfección son los principales. - Procesos biológicos: en éstos, la remoción de los contaminantes se realiza a través de la oxidación biológica de la materia orgánica. El ejemplo mas conocido es el de lodos activados. Sistema de tratamiento tipo lodos activados Los sistemas de tratamiento biológicos se definen como procesos bioquímicos en donde los microorganismos utilizan la materia orgánica y los nutrientes biológicos contenidos en los desechos para su reproducción. Los objetivos del tratamiento biológico del agua residual son la coagulación y eliminación de los sólidos coloidales no sedimentables y la estabilización de la materia orgánica y, en muchos casos, la eliminación de nutrientes como el nitrógeno y fósforo. En el caso de los lodos activados, este es un proceso de tratamiento por el cual el agua residual y los microorganismos son aireados en un tanque denominado aireador o reactor biológico y completamente mezclados con la materia orgánica en el agua residual de manera que ésta les sirve de alimento para su producción. Así pues, el papel de los microorganismos en los lodos activados consiste en la eliminación de la carga orgánica carbonosa, coagulación de los sólidos coloidales no sedimentables y la estabilización de materia orgánica. Algunos de los sistemas de lodos activados mas utilizados son los siguientes: Convencional: El agua decantada y el lodo activado recirculado entran en el tanque se aireación y se mezclan con aire disuelto o con agitadores 2

3 mecánicos. El suministro de aire suele ser uniforme a lo largo de toda la longitud de canal. Durante el periodo de aireación, se produce la adsorción, floculación, y oxidación de la materia orgánica. Los sólidos del lodo activado se separan en un decantador secundario. Canal de oxidación: El canal de oxidación consiste en un canal circular u ovalado equipado con dispositivos de aireación mecánica. El agua residual tamizada entra en el canal, se agita y circula a una velocidad entre 0.24 y 0.35 m/s. Normalmente, los canales de oxidación funcionan según un esquema de aireación prolongada con largos tiempos de detención y de retención de sólidos. En la mayoría de las aplicaciones se emplean tanques de sedimentación secundaria. Aireación prolongada: El proceso de aireación prolongada es similar al de lodos activados convencional excepto en que funciona en la fase de respiración endógena de la curva de crecimiento, lo cual precisa una carga orgánica reducida y un largo periodo de aireación. Este proceso se emplea mucho en plantas prefabricadas para pequeñas comunidades. Reactor de Mezcla Completa: El proceso es una aplicación del régimen de flujo de un reactor de flujo continuo agitado. El agua residual decantada y el lodo activado recirculado se introducen, normalmente, en varios puntos del tanque de aireación. La carga orgánica y la demanda de oxigeno son uniformes en toda la longitud del tanque. Algunos parámetros de diseño para los procesos de lodos activados se mencionan en la siguiente tabla I: Tabla I. Parámetros de diseño para algunos sistemas tipo lodos activados Modificación de Proceso Θ c,d F/M, kgdbo 5 / kg SSVLM d Carga volumétrica, kg DBO 5 / m 3 d SSLM, mg/l V/Q, h Qr/Q Eficiencia de remoción de DBO, % Convencional ,500-3, Mezcla completa Aireación extendida Zanja de oxidación ,500-4, ,000-6, ,000-6, El sistema de Reactor de Mezcla Completa es utilizado en aplicaciones generales, es resistente frente a cargas de choque, pero es susceptible al desarrollo de crecimientos de organismos filamentosos y requiere de un sistema 3

4 primario o de pretratamiento, que generalmente se compone de rejillas y desarenador. - Rejillas: su principal función, junto con un sistema de colección, es prevenir que troncos, madera, rocas, botellas de plásticos y otros objetos voluminosos entren a la planta de tratamiento. La unidad de rejillas consiste de barras de acero verticales o inclinadas, espaciadas a intervalos iguales, situadas en forma perpendicular al canal a través del cual fluye el agua residual, éstas son usadas antes de las bombas para el manejo del agua residual, medidores, desarenadotes y sedimentadotes primarios. La abertura de las barras se define en función del tipo de basura que se quiera retener. Las rejillas se diseñan usando la siguiente ecuación: W = nd i + (n+1)d b Ecuación 1 Donde, w = ancho de canal n = espacios entre barras n+1 = número de barras d i = separación entre barras D b = espesor o diámetro de barras - Desarenador: elimina el arena del agua residual, protegiendo a los equipos mecánicos de la abrasión y el desgaste; los materiales que caen en la categoría de arenas son: partículas de arena, grava y trazas minerales, y orgánicos no putrescibles como granos de café y semillas. Diseño de las plantas de tratamiento de lodos activados tipo mezcla completa. Para llevar a cabo el diseño de una planta de tratamiento de tipo lodos activados mezcla completa con el programa desarrollado, donde se incluye el cálculo del reactor y el sedimentador secundario, se requiere de la siguiente información: Datos de alimentación inicial y calidad del efluente: Caudal de diseño (Q) Demanda Bioquímica de Oxígeno del afluente (DBOa) Demanda Bioquímica de Oxígeno del efluente (DBOe) Concentración de Sólidos Suspendidos Volátiles en el efluente del reactor (X). Concentración de Sólidos Suspendidos Volátiles en la línea de recirculación (Xr) Qr Relación de recirculación ( R = ) Q 4

5 Constantes cinéticas y criterios de diseño establecidos por algunos autores: k: Constante de degradación de la materia orgánica, d -1 Y: Masa de células producidas por unida de masa consumida de materia orgánica. f : Factor de conversión de DBO5 en DBOu: (0.45 a 0.68) Kd Constante de degradación endógena, d -1 Θc Tiempo de retención celular, días H Profundidad del reactor y profundidad del sedimentador secundario, m C.S.:Carga superficial del sedimentador secundario, m 3 /m 2 d Para el dimensionamiento del sistema biológico se emplearon las siguiente ecuaciones, propuestas por Metcalf y Eddy: Volumen del reactor: Vr = ( So S) ( 1+ kdθc ) YQθc X Ecuación 2 Tiempo de retención hidráulica: Vr TRH = Ecuación 3 Q Producción de lodos: Caudal de recirculación: Requerimiento de oxígeno: ( S) Px = YobsQ So Ecuación 4 Qr = RQ Ecuación 5 Kg O día 2 ( S) Q So = 1. 42Px Ecuación 6 f Relación F/M: So F / M = Ecuación 7 θ X Carga Volumétrica: 5

6 Dimensionamiento del sedimentador: SoQ CV = Ecuación 8 Vr Para el dimensionamiento del sedimentador secundario se emplearon los siguientes criterios (Metcalf y Eddy): Carga Superficial (C.S.) de 8 a 16 m 3 /m 2 d y un tirante de agua de 4 m. Para calcular el tiempo de residencia hidráulico del sedimentador, se divide el Volumen del sedimentador secundario entre el caudal de entrada al sedimentador. METODOLOGÍA Las ecuaciones antes mencionadas son las utilizadas en la metodología empelada por Metcalf and Eddy, Ramalho y Aurelio Hernández. Para efectuar el cálculo se empleó el ambiente de desarrollo integrado Visual Basic 6.0 el cual es un lenguaje de programación visual, también llamado lenguaje de 4ª generación, esto quiere decir que un gran número de tareas se realizan sin escribir código, simplemente con operaciones gráficas realizadas con el ratón sobre la pantalla. Visual Basic 6.0, está orientado a la realización de programas para Windows, pudiendo incorporar todos los elementos de este entorno informático como: ventanas, botones, cajas de diálogo y de texto, botones de opción y de selección, barras de desplazamiento, gráficos, menús, etc. Los programas interactivos exigen la intervención del usuario en tiempo de ejecución, bien para suministrar datos, bien para indicar al programa lo que debe hacer por medio de menús, éstos limitan y orientan la acción del usuario. Por su parte los programas orientados a eventos son los programas típicos de Windows, tales como Netscape, Word, Excel y PowerPoint; cuando uno de estos programas ha arrancado, lo único que hace es quedarse a la espera de las acciones del usuario, que en este caso son llamadas eventos, el usuario dice si quiere abrir y modificar un fichero existente, o bien comenzar a crear un fichero desde el principio. Estos programas pasan la mayor parte de su tiempo esperando las acciones del usuario (eventos) y respondiendo a ellas. Las acciones que el usuario puede realizar en un momento determinado son variadísimas, y exigen un tipo especial de programación: la programación orientada a eventos. Este tipo de programación es sensiblemente más complicada que la secuencial y la interactiva, pero Visual Basic 6.0 la hace especialmente sencilla y agradable. 6

7 Figura 1. Diagrama de Flujo del Programa Computacional para el Diseño de Plantas de Aguas Residuales Tipo Lodos Activados Mezcla Completa. En la Figura 1 los rombos son representan las decisiones que se pueden tomar en el proceso, las líneas con flecha representan el flujo o curso que toman los datos, las líneas con punto son conectores, es decir, una vez analizada la información desplegada y cerrar la ventana, regresa al usuario a la pantalla anterior y las demás figuras representan ventanas desplegadas con los datos calculados. Como se muestra en la Figura 1, al iniciar el programa, se despliega una pantalla donde se introducirán los datos, con los cuales se desea dimensionar la planta de tratamiento de aguas residuales, dicha pantalla es tomada como la principal, debido a que en esta se realizan todos los cálculos necesarios, cuyas 7

8 ecuaciones fueron introducidas como parte del código de diseño del programa, como se muestra en la Figura 2. Figura 2. Pantalla principal del programa Una vez introducidos todos los datos necesarios, y activar el botón Calcular de la pantalla principal, se realizan los cálculos y se despliega una segunda pantalla, donde se observa un diagrama de flujo ilustrado del tratamiento de agua residual que comúnmente se lleva a cabo en lodos activados de tipo mezcla completa. En la pantalla de la Figura 3 se cuenta con ligas en los puntos más importantes del proceso, como lo son el reactor, clarificador, rejillas, bomba de recirculado, entre otros; los cuales despliegan la información de dimensionamiento calculada con los datos que fueron introducidos anteriormente en la pantalla principal. La Figura 3 muestra los datos del reactor que fueron calculados con datos previamente alimentados, al fondo se puede observar la ventana del programa que contiene el diagrama de flujo antes mencionado. 8

9 Figura 3. Diagrama de Flujo de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales y pantalla con los datos del reactor calculados RESULTADOS Y CONCLUSIONES Con apoyo de este programa se realizaron cálculos hipotéticos de literatura, reportados por Metcalf/Eddy, también se utilizaron datos reales de algunas plantas de tratamiento; que se han construido en la ciudad de Tijuana y que operan eficientemente en cuanto a remoción de materia orgánica. Los resultados obtenidos de estas plantas no presentaron diferencias significativas en los resultados que arrojo el programa, en cuanto a dimensiones de los sistemas y algunos criterios de operación y diseño calculados. En cambio al utilizar datos de plantas de tratamiento que no están operando eficientemente; se determinó que no cumplen con los criterios de diseño indicados en la tabla I, en cuanto a la relación F/M, eficiencia de remoción y relación de recirculación, ya que algunas plantas no tienen forma de evaluar el caudal y mucho menos el de recirculación, como para poder calcular y controlar este factor y por ende la relación F/M; aunado a otros problemas de operación que se identificaron a simple vista, por problemas de aireación, por la presencia de olores desagradables. Ni tienen un sistema de monitoreo constante del proceso. Lo que nos lleva a concluir que posiblemente no fueron diseñadas adecuadamente, tienen problemas de operación y mantenimiento, o bien están sobrecargadas en cuanto a materia orgánica. Consideramos que este programa es una herramienta útil para dimensionar o proyectar una planta de tratamiento de lodos activados, tipo mezcla completa. O 9

10 bien, se puede utilizar para evaluar algunos parámetros de operación del sistema de tratamiento. AGRADECIMIENTOS A la Comisión Estatal de Servicios Públicos de Tijuana y Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California, por su apoyo en la realización de este proyecto REFERENCIAS Metcalf and Eddy, (1996). Capítulo 8 Procesos Biológicos Unitarios. Ingeniería de Aguas Residuales, Tratamiento, Vertido y Reutilización. McGraw-Hill, Tercera Edición, México D.F. p Cevallos, Fco. Javier; (1992) Microsoft Visual Basic, aplicaciones para Windows; 1ra. Edición, Ed. Ra-ma, García de Jalón, Javier; (1999), Aprenda Visual Basic 6.0; Ed. San Sebastián. Crites, Tchobanoglous, (2000) Capítulo 6 Tratamiento biológico y remoción de nutrientes. Tratamiento de Aguas Residuales en Pequeñas Poblaciones, Editorial McGraw Hill, Primera edición. México D.F. 2000, p CNA, (1993), Operación y Mantenimiento de Plantas de Tratamiento de Lodos Activados, INRA, S.A. consultores, Mexico D.F., pags Loyola Robles Adalberto, (2000) Alternativas de Tratamiento de Aguas residuales, IMTA, Mexico D.F., pags