PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES "DULCES NOMBRES", MONTERREY, MEXICO Robinson Dwight, White James, González Reinaldo Burns & McDonnell Engineering Company 4800 East 63rd Street Kansas City, Missouri 64130 La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales "Dulces Nombres" ubicada en la ciudad de Monterrey, Estado de Nuevo León, es actualmente la planta de tratamiento más grande de México, diseñada para tratar 5.000 litros por segundo (Lps) de aguas residuales. La planta fué conceptualizada bajo la modalidad Diseño/Construcción (Lave-en-Mano) que comenzó a finales de 1992 y el arranque se inició en Diciembre de 1995. Las aguas servidas son altas en concentraciones de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y Sólidos Suspendidos Totales (SST) debido al aporte de efluentes industriales de la zona. El diseño y la distribución de la planta son tales que su capacidad puede ser aumentada fácilmente al doble del valor actual cuando así se amerite. La planta de tratamiento cuenta con cuatro componentes principales que son: Tratamiento Preliminar, Tratamiento Primario, Tratamiento Secundario y Tratamiento/Disposición de Sólidos. Otros componentes de la planta incluyen: Sistema de Agua Potable, Sistema de Agua No-Potable, Laboratorio e Instalaciones Administrativas y de Servicios/Mantenimiento. Los tratamientos preliminar y primario son sistemas de tratamiento convencionales, mientras que el corazón de la planta o tratamiento secundario lo constituye el sistema de lodos activados por oxígeno puro. Los lodos generados en la planta son estabilizados mediante digestión anaeróbia, siendo el gas metano generado en dicho proceso utilizado para generación de energía, la cual se consume internamente. Los lodos estabilizados se disponen en un relleno para lodos ubicado en la planta. Palabras Clave: llave-en-mano, lodos activados por oxígeno puro, digestión anaeróbia, generación de energía, disposición en relleno ANTECEDENTES La ciudad de Monterrey en el Estado de Nuevo León está actualmente liderizando en México una nueva era de control de contaminación de aguas con un sistema de tratamiento de aguas residuales que servirá de modelo para el futuro. La ciudad de Monterrey acometió un proyecto millonario de saneamiento que incluye la construcción de sistemas de recolección de aguas residuales, estaciones de bombeo y tres plantas de tratamiento para esas aguas residuales recolectadas. De las tres plantas de tratamiento, la más grande es la de "Dulces Nombres" ubicada en el noreste de la ciudad de Monterrey, con una capacidad de tratamiento de 5.000 litros por segundo. Dicha instalación no solo servirá a una extensa población en Monterrey, sino también a un amplio sector industrial. El proyecto de saneamiento se inició a finales de 1992 mediante la licitación de proyectos Lave-en- Mano para el diseño y construcción de las tres plantas de tratamiento. Burns & McDonnell en conjunto con la empresa Desarrollo y Construcciones Urbanas, S.A. (DYCUSA) en respuesta a la licitación presentaron la oferta más baja para la planta de tratamiento "Dulces Nombres". El proyecto se inició a finales de 1992 y la planta comenzó el proceso de arranque en Diciembre de 1995. Como parte de la propuesta, DYCUSA/Burns & McDonnell operarán la planta por un período de tres años. Actualmente la planta está tratando aguas residuales de la ciudad y está en proceso de estabilización/optimización de los sistemas de tratamiento.
BASES DE DISEÑO La planta recibe aguas servidas con concentraciones altas de DBO y SST debido al aporte de efluentes industriales. Las calidades de entrada (afluente) y salida (efluente) de la planta de tratamiento se presentan a continuación en la Tabla 1. Tabla 1 Calidad del Afluente y Efluente de la Planta de Tratamiento Parametro Afluente Efluente DBO, mg/l 350 30 SST, mg/l 347 30 Nitrógeno Amoniacal, mg/l 14 2 Nitrógeno Orgánico, mg/l 23 5 Coliformes Totales, NMP/100 ml - 1.000 La planta fue diseñada y distribuida para que su capacidad actual pueda ser fácilmente expandida al doble de su valor cuando sea requerido. La planta cuenta con cuatro componentes principales que son: Tratamiento Preliminar, Tratamiento Primario, Tratamiento Secundario y Tratamiento/Disposición de Lodos. Además, cuenta con otros componentes tales como: Sistema de Agua Potable, Sistema de Agua No-Potable, Laboratorio e Instalaciones Administrativas y de Servicios/Mantenimiento. Un esquema simplificado del proceso con los sistemas de tratamiento se presenta en la Figura 1. Fig. 1. Esquema Simplificado del Proceso de Tratamiento de las Aguas Residuales
TRATAMIENTO PRELIMINAR El Tratamiento Preliminar consiste de rejillas, estación de bombeo y remoción de cribas. Las rejillas mecánicas son cuatro rejillas de operación automática con capacidad de 5,0 m 3 /seg cada una. Los canales que conducen a las rejillas son cubiertos para el control de olores. El material separado en las rejillas es recolectado en contenedores para su traslado y disposición en el relleno de lodos. La estación de bombeo transfiere las aguas residuales hasta el sistema de remoción de cribas. Esta estación de bombeo cuenta con seis bombas verticales con capacidad de 1,9 m 3 /seg cada una (400 HP). El sistema de remoción de cribas consta de tres compartimientos de remoción de sólidos tipo "vortex" con capacidad de 3,16 m 3 /seg cada uno. Las cribas y sólidos separados son bombeados en forma de lodo (slurry) a tres clasificadores de cribas (grit classifiers). Dichos clasificadores constan de un receptor (hopper) y un tornillo transportador inclinado tipo "sin fin", el cual separa el agua antes que los sólidos sean transportados al relleno de sólidos. TRATAMIENTO PRIMARIO El tratamiento primario se realiza a través de cuatro clarificadores primarios. Cada clarificador tiene un diámetro de 61,0 metros y el nivel de agua se mantiene a 4,0 metros. La taza de desbordamiento superficial a flujo promedio es de 37,0 m 3 /día/m 2 y a flujo pico es de 50,0 m 3 /día/m 2. Se asumen remociones de DBO y SST de aproximadamente 35% y 68%, respectivamente. Los clarificadores proveen remoción contínua de sólidos y espuma que son enviados a los digestores anaeróbios para estabilización. Los clarificadores fueron diseñados para proveer un tratamiento contínuo del flujo total de la planta con una unidad fuera de servicio. El lodo es trasladado a los digestores mediante cuatro bombas centrífugas de 32,8 Lps de capacidad cada una (25 HP) y la espuma es trasladada mediante ocho bombas sumergibles centrífugas de 12,6 Lps de capacidad cada una (10 HP). TRATAMIENTO SECUNDARIO El tratamiento secundario incluye: tratamiento biológico mediante lodos activados por oxígeno puro, clarificadores secundarios y desinfección con cloro. El sistema de lodos activados por oxígeno puro fué seleccionado por varias razones: 1) Un análisis preliminar de costos para este caso en particular mostró ser 10% menor que otros sistemas convencionales evaluados, 2) El uso de oxígeno puro permite que el tratamiento sea realizado en un tiempo de residencia hidráulica menor, 3) Al tener un tiempo de residencia hidráulica de aproximadamente la mitad del necesario en otros sistemas convencionales, el tamaño del reactor biológico se reduce considerablemente. El efluente de los clarificadores primarios es enviado a los compartimientos cerrados del sistema de lodos activados. Los compartimientos consisten de cinco trenes y cada tren está dividido en cuatro etapas. Las dimensiones de cada compartimiento (tren) son 416,0 metros por 852,0 metros con un nivel de agua de 5,58 metros. El oxígeno de alta pureza es generado en sitio por equipos de separación a partir del aire (Planta Crogénica de Generación de Oxígeno: 5.000 HP y tanque de almacenamiento de oxígeno a baja presión con capacidad de 320,0 m 3 ). Aereadores mecánicos superficiales proveen tanto la transferencia de oxígeno como la mezcla del agua servida con el oxígeno y con los lodos de retorno de los clarificadores secundarios. El uso de oxígeno puro permite mantener niveles altos de oxígeno disuelto (aproximadamente 5,0 mg/l) en todas las etapas de tratamiento, lo cual acelera el proceso de degradación biológica. El tiempo de retención hidráulica del sistema de lodos activados es de 5,3 horas, mientras que el tiempo de retención de lodos es de 8,0 días. La concentración de sólidos suspendidos
en el licor mezclado (SSLM) debe mantenerse a aproximadamente 3.800 mg/l para aceptar una carga orgánica de 0,42 Kg DBO/Kg SSLM. El licor mezclado fluye de los compartimientos del reactor biológico a los clarificadores secundarios. El sistema de clarificadores secundarios consiste de seis clarificadores y una estación de bombeo para los lodos de retorno y para los lodos de desecho. Los clarificadores son de 65,84 metros de diámetro y un nivel de agua de 4,88 metros. La taza de desbordamiento superficial a flujo promedio es de 21,16 m 3 /día/m 2 y a flujo pico es de 28,77 m 3 /día/m 2. El equipo de remoción de lodo de los clarificadores es del tipo de succión rápida. La estación de bombeo incluye las bombas de retorno de lodo a los compartimientos de aereación del sistema de lodos activados y las bombas para el desecho de lodos hacia los espesadores de lodo. Las bombas de retorno de lodos (dos de velocidad constante y tres de velocidad variable) son del tipo vertical centrífuga de 1.210 Lps de capacidad cada una (200 HP). Las dos bombas de desecho de lodos son del tipo sumergible de velocidad variable con capacidad de 100 Lps cada una (30 HP). La espuma es removida de cada clarificador por bombas (seis en total) sumergibles de velocidad variable de 16,77 Lps de capacidad cada una (30 HP). El agua residual tratada en su totalidad es desinfectada con cloro antes de ser descargada a Rio Pesquería. El agua residual tratada o efluente desinfectado es utilizado dentro de la planta para usos no potables. Durante situaciones de flujos muy altos, una parte del agua residual que entra a la planta de tratamiento debe ser desviada y enviada directamente a la descarga final. Sin embargo, el caudal desviado es desinfectado con cloro. El cloro fué seleccionado como desinfectante ya que se considera como el más efectivo para la desinfección de aguas residuales parcialmente tratadas. La demanda de cloro en el efluente tratado es de aproximadamente 6,0 mg/l y en las aguas residuales que son desviadas directamente se estima una demanda de 11,0 mg/l. El cloro líquido se recibe en la planta en carros-tanque de 82,0 toneladas métricas de capacidad. De los carros-tanque el cloro pasa a cuatro evaporadores de 4.500 Kg/día de capacidad cada uno y luego a cuatro dosificadores de 4.500 Kg/día de capacidad cada uno, los cuales controlan la alimentación de cloro a la linea de descarga del efluente tratado y a la linea de desvio. El efluente tratado o de uso no potable es usado para preparar la solución de cloro antes de ser aplicado. TRATAMIENTO Y DISPOSICION DE LODOS Todo el lodo producido en la planta de tratamiento es tratado en digestores anaeróbios antes de ser enviados a disposición final. El lodo de los clarificadores primarios es enviado directamente a los digestores anaeróbios a una concentración de sólidos de aproximadamente 4,0%. El lodo activado de desecho es enviado desde los clarificadores secundarios hacia los espesadores por gravedad tipo de banda a una concentración de sólidos de aproximadamente 0,75%. Los espesadores de banda espesan los lodos hasta una concentración de sólidos de aproximadamente 6,0% para luego ser enviados a los digestores anaeróbios. Existen cuatro digestores anaeróbios que proveen tratamiento biológico o estabilización a los lodos primarios y secundarios combinados antes de ser deshidratados y enviados a disposición final en el relleno de lodos. El diámetro de cada digestor es de 36,58 metros con nivel de lodo de 12,19 metros. El lodo en cada digestor es mezclado mediante cinco mezcladores del tipo external draft tube and center mixer de 25 HP cada uno. El tiempo de retención hidráulica es de 19,5 días y la carga de sólidos suspendidos volátiles (SSV) es de 1,8 Kg SSV/m 3. La producción promedio de gas metano esparada es de 44.500 m 3 /día. El lodo activado de desecho es espesado en cinco espesadores por gravedad tipo de banda (2,0 metros de ancho) con capacidad hidráulica promedio de 25,2 L/seg/espesador y capacidad de carga de sólidos promedio de 676,0 Kg/hr/espesador. Los requerimientos de agua de lavado son de 2,5 L/seg/espesador. El consumo máximo esperado de polímero es de 4,0 Kg/Ton métrica de lodo. El lodo espesado es enviado a los digestores anaeróbios mediante dos bombas del tipo cavidad progresiva (progressive cavity) de 24,0 Lps de capacidad cada una. Los lodos una vez estabilizados en los digestores
anaeróbios son deshidratados utilizando ocho filtros prensa de banda. Cada filtro prensa es de 2,0 metros de ancho de banda, capacidad hidráulica promedio de 5,8 L/seg/filtro y capacidad de carga de sólidos promedio de 840,0 Kg/hr/filtro. La concentración de sólidos esperada de los lodos deshidratados es de 18%. El consumo máximo esperado de polímero es de 4,0 Kg/Ton métrica de lodo. Los requerimientos de agua de lavado son de 5,7 L/seg/filtro. Los lodos deshidratados son enviados al relleno de lodos ubicado en los terrenos adyacentes a la planta de tratamiento de aguas residuales. Este relleno también recibe los lodos deshidratados de las otras dos plantas de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Monterrey. OTROS COMPONENTES DE LA PLANTA La planta de tratamiento de aguas residuales cuenta con su propios sistemas de tratamiento de agua potable y no potable, laboratorio, instalaciones administrativas e instalaciones de operaciones y servicio. El sistema de agua no potable (sistemas de alta y baja presión) usa el efluente tratado clorinado para lo siguiente: hidrantes para riego de áreas verdes, agua de sello de bombas, agua de enfriamiento para la planta de generación de oxígeno, agua de lavado para los espesadores y deshidratadores de lodo, preparación de la solución de cloro antes de su aplicación y el sistema de agua contra incendio. El sistema de agua de alta presión cubre los hidrantes para riego, el agua de sello de las bombas y el agua para la solución de cloro. Este sistema de alta presión cuenta con cuatro bombas tipo turbina vertical con capacidad de 32,8 Lps cada una a un cabezal de 65,2 metros (40 HP). El sistema de agua de baja presión cubre el servicio de agua de lavado para los espesadores y deshidratadores de lodo. Este sistema de baja presión cuenta con cuatro bombas tipo turbina vertical con capacidad de 88,3 Lps cada una a un cabezal de 46,3 metros (75 HP). La bomba del sistema de agua contra incendios es del tipo turbina vertical, de motor Diesel, de capacidad 94,6 Lps a un cabezal de 65,2 metros (120 HP). El sistem de agua potable tiene una capacidad de tratamiento de 1,0 Lps. Sus componentes incluyen: pozo de suministro de agua, sistema de tratamiento y sistema de distribución. El sistema de tratamiento incluye pre-cloración del agua de pozo utilizando hipoclorito de sodio, filtro a presión de capas multiples para la remoción de los sólidos suspendidos, filtro de carbón activado para declorinación y remoción de hierro y manganeso, intercambio iónico para la remoción de dureza, osmósis inversa para pulimento y post-cloración del agua tratada con hipoclorito de sodio. El edificio administrativo y laboratorio es una instalación de 1.090 m 2 de área para las operaciones del personal administrativo y el laboratorio. El laboratorio tiene un área total de aproximadamente 350 m 2, incluyendo áreas separadas para preparación y almacenamiento de muestras, análisis químicos y biológicos, análisis de metales, análisis microbiológicos, área de pesada y área del almacen de suministro. Este laboratorio también será utilizado para los análisis de metales de las otras dos plantas de tratamiento. El edificio de operaciones y servicios tiene un área aproximada de 400 m 2 e incluye las instalaciones de mantenimiento, baños y roperos para el personal de planta, sala de conferencias/entrenamiento y comedor. Las instalaciones de mantenimiento tienen un área aproximada de 165 m 2 e incluye un área de almacenamiento, un área para mantenimiento mecánico y un área para mantenimiento eléctrico.