1 “AÑO DEL BUEN SERVICIO AL CIUDADANO”
UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN FACULTAD DE INGENIERÍA AGRARIA, INDUSTRIAS ALIMENTARIAS Y AMBIENTAL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
TRABAJO N° 01
“TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UN INGENIO AZUCARERO” PROFESOR: Dr. José Vicente Nunja García
ALUMNOS: Castillo Zavaleta, Carlos Orlando Córdova Meléndez, Gabriela Georgette Díaz Huerta, Migayl Sogel VIII CICLO
2 15 – 05 – 17 RESUMEN La producción azucarera es una industria que para su funcionamiento necesita grandes cantidades de agua para cada uno de sus procesos, como: el lavado inicial de la caña de azúcar, el sistema de caldera, el sistema de enfriamiento y otros servicios Las cuales generan efluentes con una alta concentración de sólidos totales disueltos, sólidos totales suspendidos, DBO5 y DQO, también tienen como parte de su composición elevadas concentraciones de calcio, fosforo, nitrógeno, potasio, entre otros compuestos orgánicos, los cuales pueden ser aprovechados en la agricultura. Por esto para neutralizar los efectos negativos sobre el ambiente y aprovechar sus beneficios se debe realizar un tratamiento adecuado. El tratamiento de agua residual que originan las industrias azucareras consiste en lo siguiente: tratamiento previo, tratamiento primario, tratamiento secundario (biológico), tratamiento terciario, tratamiento de los lodos obtenidos y adicionalmente tratamiento de lagunas. El tratamiento biológico a utilizar es el de lodos activos, aunque no sea la opción más económica, es la apropiada para reducir la DQO y la DBO de los efluentes de manera rápida y segura. Palabras claves: Tratamiento de efluentes
ABSTRACT Sugar production is an industry that requires large amounts of water for each of its processes, such as the initial washing of sugar cane, the boiler system, the cooling system and other procedures. These generate effluents with a high concentration of total dissolved solids, total suspended solids, BOD5 and COD, also it has high concentrations of calcium, phosphorus, nitrogen, potassium among other organic compounds which can be used in agriculture.
3 Because of the above, it is necessary to neutralize the negative effects on the environment and to take advantage of its benefits through an adequate treatment. Wastewater Treatment originated by the sugar industries consists of the following: pretreatment, primary treatment, secondary (biological) treatment, tertiary treatment, treatment of the sludge obtained and additionally treatment of lagoons. The biological treatment used is active sludge treatment, although it is not the most economical option, it is the appropriate one to reduce the COD and BOD of the effluents quickly and safely Key words: Effluents treatment
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CONTENIDO ÍNDICE DE ILUSTRACIONES............................................................................vii ÍNDICE DE TABLAS...........................................................................................viii INTRODUCCIÓN.................................................................................................ix I.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA..........................................................10 1.1.
Problema General.................................................................................10
1.2.
Problemas específicos..........................................................................10
II.
OBJETIVO....................................................................................................11 2.1.
Objetivo General....................................................................................11
2.2.
Objetivos Específicos............................................................................11
III.
ORIGEN Y TIPO DE AGUA RESIDUAL...................................................12
3.1.
Fabricación de azúcar crudo.................................................................12
3.2.
Fabricación de azúcar estándar y refinada...........................................14
IV.
CARACTERISTICAS DE LAS DESCARGAS..........................................14
V.
RECIRCULACIONES...............................................................................18 5.1.
Agua de evaporadores..........................................................................18
5.2.
Agua de columnas Barométricas..........................................................18
5.3.
Agua de lavado de Caña.......................................................................19
VI.
TIPOS DE LAGUNAS...............................................................................19
6.1.
Lagunas anaerobias..............................................................................20
6.2.
Lagunas facultativas..............................................................................20
6.3.
Laguna facultativa aerobia....................................................................20
6.4.
Laguna facultativa aireada....................................................................21
6.5.
Laguna completamente aireada o de mezcla total...............................21
6.6.
Lagunas aerobias de maduración.........................................................21
VII. 7.1.
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA AZUCARERA...........22 Pre tratamiento......................................................................................22
5 7.1.1.
Desbaste.........................................................................................22
7.1.2.
Homogenización.............................................................................22
7.1.3.
Neutralización.................................................................................23
7.1.4.
Separación de aceites y grasas.....................................................23
7.2.
Tratamiento primario.............................................................................23
7.2.1. 7.3.
Decantador primario.......................................................................23
Tratamiento secundario.........................................................................23
7.3.1.
Tratamiento aerobio........................................................................24
7.3.2.
Proceso de lodos activos................................................................25
7.4.
Tratamiento terciario..............................................................................27
7.4.1.
Filtración.........................................................................................27
7.4.2.
Remoción de nutrientes..................................................................27
7.4.3.
Desinfección...................................................................................27
7.5.
Tratamiento de lodos.............................................................................28
7.5.1.
Digestión anaeróbica......................................................................28
7.5.2.
Digestión aerobia............................................................................28
7.5.3.
Compost..........................................................................................28
7.5.4.
Disposición de lodos.......................................................................29
VIII. COSTOS DE TRATAMIENTO..................................................................29 8.1.
Costos de reinversión............................................................................29
8.2.
Costo de la mano de obra y personal administrativo............................30
8.3.
Costo de energía eléctrica....................................................................30
8.4.
Costo de químicos.................................................................................31
IX.
CONCLUSIONES.....................................................................................32
X.
RECOMENDACIONES.............................................................................33
BIBLIOGRAFIA...................................................................................................34 ANEXOS.............................................................................................................35
6 ILUSTRACIONES............................................................................................35
7
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Fases del crecimiento microbiano y zonas en que operan los procesos biológicos aerobios.............................................................................35 Ilustración 2: Proceso convencional de lodos activos........................................35
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ÍNDICE DE TABLAS Tabla N° 1: Demanda y Descarga de Agua en la Fabricación de Azúcar Crudo y Estándar..............................................................................................................14 Tabla N° 2: Caracteristicas Promedio del Agua Residual de la Fabricación de Azúcar Cruda......................................................................................................15 Tabla N° 3: Caracteristicas Promedio del Agua Residual de la Fabricación de Azúcar Estándar.................................................................................................16 Tabla N° 4: Características Promedio de las Purgas a las Calderas.................17
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INTRODUCCIÓN Las industrias azucareras generan un gran impacto en el ambiente, poniendo en riesgo la salud y bienestar de poblaciones aledañas, así como el desequilibrio de los ecosistemas que allí se desarrollan. Uno de los principales componentes naturales que se afectan en la producción de azúcar es el agua, debido a los grandes volúmenes de esta que son requeridos y también por sus efluentes, las cuales son descargadas en los cuerpos hídricos. Es así que se ve la necesidad de realizar un correcto tratamiento de aguas residuales para salvaguardar los Estándares de Calidad Ambiental de nuestras fuentes de agua, teniendo en cuenta las características de sus descargas y uso.
I.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA I.1. Problema General ¿La contaminación de las aguas es uno de los factores importantes que rompe esa armonía entre el hombre y su medio ambiente, precisándose en consecuencia luchar contra ella para recuperar el equilibrio necesario?
I.2. Problemas específicos ¿El uso del agua en un Ingenio Azucarero es sinónimo de contaminación? ¿Un Ingenio Azucarero
provoca
grandes
cantidades
de
contaminación para la flora, fauna y seres vivos aledaños a este? ¿Mitigar o eliminar la contaminación del agua, es un gran reto, pero con técnicas y maquinarias se puede lograr esto?
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II.
OBJETIVO II.1. Objetivo General Analizar los diferentes métodos de tratamiento de aguas residuales para compensar el impacto ambiental de la actividad azucarera para recuperar el equilibrio.
II.2. Objetivos Específicos Investigar los métodos utilizados por los ingenios azucareros para mitigar el impacto ambiental de sus aguas residuales. Dar a conocer el impacto ambiental en los seres vivos que genera las aguas residuales de un ingenio azucarero. Proponer un método factible para el tratamiento de las aguas residuales de los ingenios azucareros.
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III.
ORIGEN Y TIPO DE AGUA RESIDUAL La industria azucarera utiliza grandes cantidades de agua, sobre todo en el lavado de la caña y la condensación de vapor, también incluye el lavado del carbón animal y carbón activo, suministro de agua a las calderas, soluciones del proceso, lavado de los filtros, para el intercambio de iones en el enfriamiento sin contacto, agua para compensar las pérdidas en la alimentación de la caldera, agua para la ceniza volante y agua para el lavado de los pisos. Las refinerías de azúcar requieren de un 40 a 60% más agua que las fábricas de azúcar crudo, siendo cl proceso empleado el factor que determina la cantidad de agua a usar.
III.1. Fabricación de azúcar crudo Las tres principales fuentes de agua residual en la fabricación de azúcar crudo son: (1) agua de lavado de la caña, (2) agua de condensación de las columnas barométricas y (3) en menor grado, agua de lavado de equipo, tuberías y pisos . La cantidad de desechos líquidos y sus características varían ampliamente, dependiendo de las condiciones locales y delos métodos de operación. El agua utilizada en el lavado de la caña constituye la mayor fuente de contaminación
en
un
ingenio,
aunque
puede
ser
disminuida
considerablemente si la recolección se efectúa manualmente. En términos generales,
el
agua
de
lavado
de
la
caña
contiene
concentraciones altas de sólidos suspendidos, de los cuales una gran cantidad se presenta en forma coloidal o finamente divididos. Debido al daño que sufre la caña cuando se recolecta por medios mecánicos, el agua de lavado puede contener concentraciones substanciales de azúcar, por lo que, desde el punto de vista de la DBO, este desecho constituye la mayor fuente de contaminación. Las aguas de los molinos y de los filtros son incorporadas a la solución industrial y por lo tanto no son desechadas.
12 Los derrames ocasionales en las diferentes partes de los procesos, las filtraciones en las tuberías, las purgas dalas calderas y en general las variaciones
en
operación
constituyen
una
fuente
potencial
de
contaminación. Este tipo de desechos varía radicalmente con el tiempo y de planta a planta, dependiendo de la naturaleza de los procesos y del cuidado puesto en la operación de los mismos. Durante el período de operación de los ingenios, aproximadamente cada tres semanas se efectúa una limpieza de todas las superficies calóricas para remover las impurezas residuales, siguiendo la siguiente secuencia: (1) lavado con agua, (2) ebullición por varias horas con sosa cáustica concentrada, (3) lavado con ácido clorhídrico diluido y (4) enjuague con agua. Las soluciones limpiadoras y el agua de enjuague contribuyen en pequeña escala al volumen total descargado por un ingenio, pudiéndose tener características muy objetables debido principalmente a los constituyentes inorgánicos. El agua de condensados representa la mayor fuente de contaminación después del agua de lavado de caña, y cuando ésta no se lava, el agua condensada representa el total de la contaminación orgánica del proceso, atribuyéndose esta característica al arrastre de azúcar dentro del evaporador o bien a un control inadecuado. Las características del agua de condensados pueden variar virtualmente de agua pura a soluciones con un alto contenido de compuestos orgánicos capaces de producir una DBO entre 303 y 600 mg/l. Existen desechos sólidos durante la fabricación del azúcar que generalmente no se consideran como tales, ya que su reutilización o venta es altamente probable. Entre este tipo de desechos se encuentra el bagazo, la cachaza y la melaza. En resumen, las características contaminantes de las aguas residuales procedentes de las plantas productoras de azúcar crudo tienen los orígenes siguientes: (1) substancias extrañas que trae consigo la caña antes de llegar al ingenio, (2) residuos de caña, diferentes al azúcar, (3) compuestos químicos usados para limpieza de equipo y (4) pérdidas de azúcar durante el proceso.
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III.2. Fabricación de azúcar estándar y refinada Las fuentes de agua residual de una refinería de azúcar varían dependiendo del tipo de agente decolorante que se utilice, ya sea carbón animal o bien carbón activado. En una refinería que utilice carbón animal como agente decolorante, el mayor flujo de desechos corresponde a las aguas de lavado de carbón en primer término, seguido por las aguas de proceso y las aguas de los enfriadores. Para una refinería que utilice carbón activado como agente decolorante, las principales fuentes de agua residual, de mayor a menor importancia, son las siguientes: (1) condensados de las columnas barométricas, (2) agua de enfriadores, (3) agua de procesos, incluyendo el agua empleada en la regeneración de las unidades de intercambio iónico y (4) lavado de agua de pastas de carbón.
IV.
CARACTERISTICAS DE LAS DESCARGAS Se agrupan la caracterización de las descargas según los tipos principales de producción, azúcar cruda y azúcar estándar. En los siguientes cuadros s, e muestran los resultados de los análisis realizados, incluyen el valor promedio y el rango de variación de las concentraciones para los parámetros reportados. Tabla N° 1: Demanda y Descarga de Agua en la Fabricación de Azúcar Crudo y Estándar Concepto Demanda
Azúcar Crudo (m3/día) 59,962
Azúcar Estándar (m3/día) 36,000
Enfriamiento
5,443
6,211
Calderas
---
2,246
Procesos
54,518
23,655
Servicios
---
3,888
Recirculaciones 39,053 ---Descarga 60,394 ---Tabla N° 2: Caracteristicas Promedio del Agua Residual de la Fabricación de Azúcar Cruda
14 Parámetros
Promedi o
pH
7
Temperatura (°C)
31
Sólidos
5
Sedimentables (ml/l) Materia
Flotante
1
(g/l) Grasas y Aceites
36
(mg/l) Sólidos
Totales
428
Totales
205
(mg/l) Sólidos
Volátiles (mg/l) Sólidos
65
Suspendidos Totales (mg/l) Sólidos
59
Suspendidos Volátiles (mg/l) DBO (mg/l)
149
DQO (mg/l)
153
Nitrogeno
Total
1
Totales
7
(mg/l) Fosfatos (mg/l)
Tabla N° 3: Caracteristicas Promedio del Agua Residual de la Fabricación de Azúcar Estándar
15 Parámetros
Promedi o
pH
7
Temperatura (°C)
37
Sólidos
3
Sedimentables (ml/l) Materia
Flotante
1
(g/l) Grasas y Aceites
66
(mg/l) Sólidos
Totales
917
Totales
456
(mg/l) Sólidos
Volátiles (mg/l) Sólidos
418
Suspendidos Totales (mg/l) Sólidos
335
Suspendidos Volátiles (mg/l) DBO (mg/l)
714
DQO (mg/l)
1091
Nitrógeno
Total
14
Totales
21
(mg/l) Fosfatos (mg/l)
Tabla N° 4: Características Promedio de las Purgas a las Calderas Parámetros
Concentración (mg/l)
16 pH
10*
DBO
1 400
DQO
2 725
Fosfatos Totales
35
Ortofosfatos
0,05
Nitrógeno
0,05
Amoniacal Nitrógeno Orgánico
19
Sólidos Totales
3 986
Sólidos
Totales
2 848
Totales
1 138
Flotantes Sólidos Volátiles Sólidos
1 088
Suspendidos Totales Sólidos
873
Suspendidos Flotantes Sólidos
215
Suspendidos Volátiles Sólidos
Disueltos
937
Totales Sólidos Sedimentables * Adimensional ** ml/l
0.3**
17
V.
RECIRCULACIONES V.1. Agua de evaporadores En la evaporación se elimina agua en forma de vapor y posteriormente esta se condesa, dichos condensados en ocasiones llevan consigo arrastres de azúcar, lo que representa una contaminación, por la demanda bioquímica de oxígeno. Además de los condensados, también se desechan aguas de lavados de los evaporadores y calentadores, en los cuales se utilizan ácido clorhídrico y sosa cáustica para su limpieza.
V.2. Agua de columnas Barométricas Otro desecho de la etapa de cristalización son las aguas de los condensados del vapor que se genera al evaporar el jarabe en los tachos. Este generalmente tiene un bajo contenido de DBO y representa un volumen elevado, mientras que los residuos concentrados son generalmente de pequeño volumen, pero un elevado contenido de materia orgánica. Parashar (1969). Ha dividido los efluentes de las fábricas de azúcar en dos categorías, denominadas cargas de alta contaminación y cargas sin contaminación. Los efluentes de alta carga tienen un DBO de 2,000.0 a 3,000.0 ppm. Estas aguas pueden alcanzar grandes temperaturas, por lo que al ser vertidas en otros cuerpos de agua o al suelo ocasionan infertilidad, muerte de microorganismos benéficos y en el caso del agua reducción en la cantidad de oxígeno disuelto.
V.3. Agua de lavado de Caña En la molienda el agua de lavado de caña muy importante por su volumen, aunque su contenido de materia orgánica e inorgánica no sea alto. En la molienda también se generan aguas que vienen de las chumaceras de los molinos, contaminadas con grasa y aceites, que son usados para la lubricación y entran en la clasificación de residuos peligrosos de acuerdo a la NOM- 052-ECOL- 93. También se utilizan esos contaminantes en distintos equipos de toda la planta. Al ser vertidos en cuerpos de agua o al suelo, las aguas de lavado generan alteraciones importantes en el equilibrio del ecosistema correspondiente,
18 como puede ser la intoxicación de flora y fauna debido a la presencia de compuestos químicos, grasas, aceites, o el crecimiento excesivo de ciertas “algas” (en los cuerpos de agua) debido a la gran cantidad de nutrientes que las aguas residuales de este proceso contienen y cuyo problema principal es que acaban con el oxígeno disuelto provocando así la muerte de otros organismos. También pueden ocasionar la esterilidad del suelo.
VI. TIPOS DE LAGUNAS El sistema de tratamiento por lagunas ha tenido diversas adaptaciones tecnológicas, según el grado de tratamiento deseado Las posibles variaciones en lagunas de tratamiento de aguas servidas se pueden clasificar de distintas maneras, pero una de las más habituales las clasifica según la participación del oxígeno disuelto en el sistema:
VI.1. Lagunas anaerobias Las lagunas anaerobias son aquellas que tienen una gran carga orgánica por unidad de área. La carga orgánica en este tipo de lagunas es de 220 a 550 Kg DBO/día por hectárea de terreno. El tiempo de retención promedio del agua en la laguna es de 20 a 50 días y la profundidad varía de 2.5 a 5 metros. En este tipo de lagunas ocasionalmente, se tienen condiciones aerobias en la superficie de la laguna, pero la mayor parte del tiempo las condiciones anaerobias persisten en toda la laguna. En este tipo de lagunas, el material orgánico suspendido sedimenta en el fondo del recipiente y se descompone anaeróbicamente formando inicialmente ácidos orgánicos y posteriormente la digestión en condiciones de anaerobiosis conduce a la descomposición de dichos ácidos volátiles orgánicos a bióxido de carbono y metano principalmente.
VI.2. Lagunas facultativas Las lagunas facultativas, son la variación más importante en la depuración de aguas residuales en este tipo de tratamiento. Una laguna facultativa típicamente maneja cargas orgánicas de entre 55 y 200 Kg
19 DBO/día por hectárea de terreno, con un tiempo de retención de entre 5 y 30 días. La profundidad de la laguna es de 1.2 a 2.5 m. En este tipo de lagunas facultativas se tienen varias capas o zonas en las cuales se tienen condiciones aerobias, facultativas y anaerobias.
VI.3. Laguna facultativa aerobia Las condiciones aerobias que existen en la parte superior de una laguna facultativa aerobia se deben a la acción conjunta del viento y de la actividad fotosintética que se presenta en el cuerpo de agua. Los nutrientes que se hallan presentes en las aguas residuales, principalmente nitrógeno y fósforo, favorecen la eutrofización del acuífero. Las algas formadas en la superficie al efectuar el proceso de fotosíntesis y producir más biomasa, requieren de bióxido de carbono del aire o del medio circundante para la síntesis de carbohidratos y proteínas y al mismo tiempo liberan oxígeno. La reacción simple del proceso de fotosíntesis es: Algas + Nutrientes (P, N) + CO2 + Energía Solar ⇒ Biomasa (carbohidratos, proteínas) + O2 El oxígeno producido en este proceso de fotosíntesis que se efectúa en la capa superficial, así como el que se integra desde la atmósfera hacia el agua a través del viento, es consumido por los microorganismos que degradan aeróbicamente el material orgánico, y eventualmente una parte de este oxígeno se transfiere a la capa más interna que es la capa facultativa.
VI.4. Laguna facultativa aireada Una laguna facultativa aireada es similar a una laguna facultativa aerobia. Su diferencia con la facultativa aerobia es en la forma de tener una capa superficial aerobia. En la laguna facultativa aireada la oxigenación se lleva a efecto por medio de aireadores mecánicos superficiales. Una de las ventajas en esta variación del proceso es que no se forma la biomasa autotrófica de algas y microorganismos que crecen y se desarrollan por efecto de la energía solar.
20
VI.5. Laguna completamente aireada o de mezcla total Las lagunas completamente aireadas o de mezcla total, son aquellas en las cuales por agitación mecánica los sólidos suspendidos no se encuentran depositados en el fondo del estanque, sino 29 que están completamente mezclados, en forma similar a como ocurre en un digestor biológico de lodos activados. Al tener mayor contacto los lodos con el agua a depurar, el proceso es más eficiente y se requiere de menor tiempo de residencia para lograr una disminución significativa de la demanda bioquímica de oxígeno.
VI.6. Lagunas aerobias de maduración Las lagunas de maduración es una forma de depurar las aguas residuales tratadas, así como de desinfectar dichas aguas tratadas. Una laguna de maduración se emplea cuando se tiene un agua que previamente ha recibido un tratamiento para disminuir su DBO y se pretende incrementar la calidad del agua. Por ejemplo: si un agua con alto contenido de material orgánico se trata inicialmente en una laguna facultativa y el efluente de esta laguna facultativa se pasa a una segunda laguna, ésta será de maduración. En la laguna de maduración se forma una capa aerobia, en la cual se desarrolla una biomasa de algas y microorganismos fotosintéticos que proporcionan el oxígeno necesario para la degradación aerobia del sustrato residual.
VII. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA AZUCARERA VII.1.
Pre tratamiento
El pre tratamiento de aguas residuales se lo realiza para disminuir el contenido de sólidos en suspensión o acondicionar las aguas residuales antes de pasar a un tratamiento secundario.
21 VII.1.1.
Desbaste
El desbaste se realiza por medio de rejillas (rejas, mallas o cribas), y tiene como objeto retener y separar los cuerpos voluminosos flotantes y en suspensión, que arrastra consigo el agua residual. La reja de desbaste es adecuada para la retención y separación de sólidos gruesos que arrastra el agua residual. Se coloca al inicio de la planta depuradora. VII.1.2.
Homogenización
La homogeneización tiene por objeto uniformizar los caudales y características del afluente cuando los vertidos son irregulares, discontinuos o diferentes de unos momentos a otros, evitando que descargas puntuales puedan afectar todo el proceso posterior. Para conseguir la homogeneización y evitar la sedimentación de sólidos, el depósito debe estar provisto de un sistema de agitación, mecánico o por aire. VII.1.3.
Neutralización
La neutralización de vertidos elimina la acidez o alcalinidad que tienen las aguas residuales. Los vertidos ácidos se neutralizan con la adición de cal, se dosifica como lechada de cal, o pasando el vertido por un depósito de carbonato de calcio (efectivo cuando la acidez es variable). Los vertidos alcalinos pueden ser neutralizados con un ácido fuerte, en general ácido sulfúrico por ser el más barato. VII.1.4.
Separación de aceites y grasas
La separación de aceites y grasas, puede realizarse aprovechando la diferencia de densidades. La separación por gravedad se puede realizar si las diferencias de densidad y el tamaño de los glóbulos son suficientes para conseguir la separación en un tiempo razonable. La construcción con placas corrugadas dispuestas en paralelo en un plano inclinado disminuye el espacio necesario y favorece la coalescencia y concentración de los aceites.
22
VII.2.
Tratamiento primario
El tratamiento primario, conocido también como tratamiento mecánico prepara las aguas residuales para su posterior tratamiento biológico, elimina ciertos contaminantes y reduce las variaciones de caudal y concentración de las aguas que llegan a la planta. VII.2.1.
Decantador primario
Algunas plantas tienen una etapa de sedimentación donde el agua residual pasa a través de grandes tanques rectangulares o circulares, comúnmente llamados decantadores o tanques de sedimentación primarios. El propósito principal de esta etapa es producir un líquido homogéneo capaz de ser tratado biológicamente y un lodo que puede ser tratado por separado.
VII.3.
Tratamiento secundario
Los procesos biológicos se utilizan para convertir la materia orgánica que se encuentra finamente dividida y disuelta en el agua residual en sólidos sedimentables floculantes que puedan separarse en tanques de sedimentación. En
un
tratamiento
biológico,
las
bacterias
activas
y
otros
microorganismos destruyen y metabolizan las materias orgánicas solubles y coloidales, reduciendo la DBO y la DQO a valores inferiores a 100 mg/l. La velocidad de degradación depende de que se hallen presentes los microorganismos adecuados. A pesar de usar estos procesos junto con los físicos y químicos empleados en tratamientos preliminares del agua residual, no son considerados como sustitutivos de aquéllos. La sedimentación primaria es muy eficaz para separar los sólidos suspendidos de cierto tamaño en tanto que los procesos biológicos separan sustancias orgánicas solubles o que estén dentro del tamaño coloidal. Las características, de los microorganismos que intervienen en las reacciones biológicas para degradar la materia orgánica, son las que permiten implantar una clasificación de los procesos biológicos para el tratamiento de aguas residuales. En función de la dependencia del
23 oxígeno por parte de los microorganismos, los mismos que son los responsables de las reacciones biológicas. VII.3.1.
Tratamiento aerobio
En estos procesos la biomasa está constituida por microorganismos aerobios o facultativos, consumidores de oxígeno. El carbono de la materia orgánica disuelta en el agua se convierte parcialmente en CO2, con producción de energía. Para entender la forma de trabajar de distintos procesos aerobios, consideremos la curva decrecimiento bacteriano que tendríamos en un proceso discontinuo. La curva de crecimiento se obtiene haciendo un recuento del número de células vivas a lo largo del tiempo. Si la representamos gráficamente obtenemos una curva como de la forma de la figura 1. En la primera fase, de crecimiento exponencial, los microorganismos disponen de todo el sustrato o alimento que necesitan y se desarrollan a plena capacidad, hasta que, por su elevado número y el consumo realizado, el sustrato disponible se vuelve escaso. Su crecimiento decae hasta alcanzar una población máxima. Por último, entran en una fase de decadencia, la fase endógena, en la cual, agotada la fuente de suministro exterior, se inicia un consumo de las propias reservas y una muerte progresiva de las células. VII.3.2.
Proceso de lodos activos
El proceso de lodos activados ha sido utilizado para el tratamiento de aguas residuales tanto industriales como
urbanas desde hace
aproximadamente un siglo, su nombre proviene de la producción de una masa activada de microorganismos capaz de estabilizar un residuo por vía aerobia. Si se realiza un examen microscópico al lodo generado en este proceso, revela
que
está
formado
por
una
población
heterogénea
de
microorganismos que cambian continuamente en función de las variaciones de composición de las aguas residuales y de las condiciones ambientales. Los microorganismos presentes son bacterias unicelulares,
24 hongos, algas, protozoos y rotíferos. De éstos las bacterias son las más importantes. La base de este tratamiento, se fundamenta en que un grupo de microorganismos en el reactor biológico, asentados en flósculos, asimilan aeróbicamente la materia orgánica del afluente, originando nuevos microorganismos, compuestos inorgánicos y desapareciendo la materia orgánica de las aguas. Los microorganismos formados crecen y habitan en una estructura protectora, conocida como flóculo. La corriente sedimentada de flóculos toma el nombre de lodos activos, conocidos también como fangos activos o activados. La presencia de cationes metálicos tales como Fe+3, Al+3, y Ca+2, promueven la coagulación de los lodos, mejorando su velocidad de sedimentación. Favorece la formación de flóculos sedimentables la presencia de sustancias aglutinadoras, formadoras de una matriz, donde las células se alojan, anidando unas junto a otras. Estas
sustancias
reticulares
están
formadas
principalmente
por
polisacáridos, tipo celulosa, ADN y ARN de células muertas. La presencia limitada de bacterias filamentosas, favorece la formación de flóculos sedimentables. El tratamiento biológico se suele llevar a cabo utilizando un diagrama de flujo como el que muestra la figura. El agua residual se introduce en un reactor, donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. Al contenido del reactor se lo conoce como licor de mezcla (ML). En el interior del reactor se realiza dos transformaciones diferentes que van de acuerdo a las siguientes ecuaciones:
Oxidación y síntesis: CHONS+ O2+ Nutrientes Bacterias CO 2 + NH 3 +C 5 H 7 N O2+Otros poductos Respiración endógena: C5 H 7 N O 2 +5 O2 Bacterias 5 CO2 +2 H 2 O+ NH 3+ Energia
25 El aire en el reactor es introducido por medio de difusores o aireadores mecánicos, éstos también mantienen el licor de mezcla en estado de mezcla completa. Luego la mezcla es conducida hasta un tanque de sedimentación
(decantador
secundario).
Parte
de
los
lodos
sedimentados se recircula manteniendo en el reactor la concentración deseada de lodos, la otra parte se purga del sistema. En un proceso de fangos activados suele utilizarse dos tipos de tanques de aireación: de flujo pistón y de mezcla completa. En el proceso de fangos activados de flujo pistón, el agua residual pasa a través del tanque y sale en el mismo orden que entra como licor de mezcla, en cambio en el proceso de lodos activos con mezcla completa, la alimentación y el lodo reciclado se combinan y se introducen en diversos puntos del tanque de aireación, y el líquido aireado abandona el reactor por canales de efluente. El flujo y demanda de oxígeno, en el reactor de mezcla completa son uniformes a lo largo del tanque. Si se suponen condiciones de flujo pistón, la demanda de oxígeno disminuye a lo largo del tanque de aireación, mientras que el flujo de oxígeno es constante.
VII.4.
Tratamiento terciario
El tratamiento terciario completa el tratamiento de las aguas residuales aumentando la calidad del efluente antes de que éste sea descargado al cuerpo receptor. VII.4.1.
Filtración
Se utiliza para eliminar sólidos que pudieron ser arrastrados a la salida del decantador secundario. Se puede emplear como medio de filtración arena, grava, antracita, o una combinación de ellos. Los filtros de arena fina
son
preferibles
cuando
hay
que
filtrar
flóculos
formados
químicamente.
VII.4.2.
Remoción de nutrientes
Las aguas residuales pueden también contener altos niveles de nutrientes (nitrógeno y fósforo) que pueden ser perjudiciales para peces
26 e invertebrados en concentraciones muy bajas. La mayoría de los procesos de tratamiento para la eliminación de nutrientes que se encuentra en funcionamiento hoy día están proyectados para la eliminación de fósforo exclusivamente. Los procesos para la eliminación de fósforo son, entre otros: Precipitación
química,
Procesos
de
lodos
activos,
Balsas
de
estabilización, Ósmosis inversa, Electrodiálisis. El proceso encaminado específicamente a la eliminación del nitrógeno es el de nitrificación y des nitrificación, el cual es una modificación del proceso convencional de lodos activos. VII.4.3.
Desinfección
Es usada para reducir substancialmente el número de organismos vivos en el agua que se descargará nuevamente dentro del ambiente. La efectividad de la desinfección depende de la calidad del agua tratada, del tipo de desinfección utilizada y de la dosis de desinfectante. La desinfección con cloro o hipoclorito sódico, es la forma más común de desinfección de las aguas residuales debido a su bajo costo y eficacia. Esta es emplea para esterilizar las aguas residuales, mediante la oxidación de la materia orgánica. −¿ + ¿+Cl¿ Cl2 + H 2 O↔ HClO+ H ¿ −¿ +¿+Cl O¿ HClO ↔ H ¿
VII.5.
Tratamiento de lodos
Los sólidos primarios gruesos y los biosólidos secundarios acumulados en el tratamiento de aguas residuales se deben tratar y disponer de manera segura y eficaz. Las formas de tratamiento más comunes son la digestión anaerobia, digestión aerobia, y el compost.
27 VII.5.1.
Digestión anaeróbica
Es un proceso bacteriano que se realiza en ausencia de oxígeno. El proceso puede ser la digestión termofílica en la cual el lodo se fermenta en tanques en una temperatura de 55°C o mesofílica, a una temperatura alrededor de 36°C. La digestión anaerobia genera biogás con una parte elevada de metano que se puede utilizar como combustible. VII.5.2.
Digestión aerobia
Es un proceso bacteriano que ocurre en presencia del oxígeno. Bajo condiciones aeróbicas, las bacterias consumen ligeramente la materia orgánica y la convierten en el dióxido de carbono. Una vez que haya una carencia de la materia orgánica, las bacterias mueren y son utilizadas como alimento por otras bacterias. VII.5.3.
Compost
Proceso aeróbico que consiste en la mezcla de los sólidos de las aguas residuales con fuentes del carbón tales como aserrín, paja o virutas de madera. En presencia del oxígeno, las bacterias digieren los sólidos de las aguas residuales y la fuente agregada del carbón y, al hacer eso, producen una cantidad grande de calor. Los procesos anaerobios y aerobios de la digestión pueden dar lugar a la destrucción de microorganismos y de parásitos causantes de enfermedades a un suficiente nivel para permitir que los sólidos digeridos que resultan sean usados como fertilizante. VII.5.4.
Disposición de lodos
Los fangos producidos en los tratamientos deben ser evacuados a zonas permitidas o ser incinerados. En ambos casos hay que reducir el contenido de agua. Para la deshidratación hay distintas opciones. La centrifugación y la filtración en vacío se siguen utilizando, pero el sistema mayormente adoptado son los filtros de bandas. Los filtros prensan y un acondicionamiento previo con cal y cloruro férrico, se emplean para conseguir mayores concentraciones, de hasta un 45%, cuando el fango ha de ser posteriormente incinerado, evitando un consumo excesivo de energía.
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VIII. COSTOS DE TRATAMIENTO La caracterización de las aguas de desecho que se someterían a un tratamiento, determina dentro del proceso variaciones importantes en el costo del mismo, dependiendo de estas la cantidad de equipo mecánico y energía eléctrica que se requiera. Una vez diseñado completamente los procesos unitarios a que serán sometidos las aguas, la inversión y los costos de operación y mantenimiento se ven seriamente influenciados por la localización geográfica de la plata, carácter del equipo de tratamiento, costo de terreno, disposiciones legales, impuestos nacionales, tabulaciones de salarios, costo de energía, oferta y costo de reactivos y materiales y resistencia y naturaleza del terreno.
VIII.1.
Costos de reinversión
Las obras civiles de las PTAR tienen una vida útil entre 20 y 40 años y los equipos electromecánicos entre 8 y 12 años. En teoría, los costos de renovación de una PTAR y sus componentes después de su vida útil deberían ser incluidos en los costos del servicio de alcantarillado. Como la mayoría de las PTAR se construyen con donaciones y, como tal, sus costos de inversión no se consideran en las tarifas, las EPS solo ejecutan pequeñas inversiones para la renovación. Para la adecuada operación y mantenimiento de la PTAR por lodos activados es aproximadamente 6 US/año cápita.
VIII.2.
Costo de la mano de obra y personal
administrativo Para su determinación se dividieron en cinco categorías y dos zonas económicas: cara y barata. Como los sueldos se estimaron en un intervalo de valores para cada categoría, su selección se debe hacer con los siguientes criterios: (a) Zona económica en que se encuentre la planta (b) Tamaño de la planta (c) Complejidad de la planta
29 (d) Disponibilidad regional de mano de obra calificada.
Tabla N 5: Clasificación por nivel del personal que labora en una planta de tratamiento NIVEL O CATEGORIA
RESPONSABILIDAD
Ejecutivo
Administrador general, gerente
Técnico superior
general.
Técnico especializado
Subgerente, jefe de área.
Técnico
Jefe
Apoyo
especialista.
de
Analista
turno,
operador,
químico,
bombero,
plomero. Ayudante, intendente, vigilante.
VIII.3.
Costo de energía eléctrica
El consumo de energía eléctrica llega a representar el principal costo por concepto de operación de las plantas, cuando el proceso recurre a la aireación para realizar su función. Se estima que puede representar hasta el 75% del costo total de la operación de una planta de tratamiento.
VIII.4.
Costo de químicos
En general, la utilización de reactivos o agentes químicos en la mayor parte de los procesos de tratamiento se limita a la desinfección del efluente tratado. En el caso de los lodos generados durante el proceso de depuración de las aguas, consumen polímero y cal, principalmente. Los principales agentes desinfectantes son cloro gas, hipoclorito de sodio e hipoclorito de calcio.
IX. CONCLUSIONES
El tratamiento de agua por medio de procesos anaerobios y aerobios conjuntamente con lagunas reducirían en gran cantidad la contaminación ofrecida hacia el agua utilizada.
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Las características de los efluentes dependen mucho del tipo de producto que se quiera obtener, azúcar cruda, estándar o refinada; de esto dependerán los procesos, el uso de agua y los químicos usados para limpieza. Lo que se puede afirmar con toda certeza es que la cantidad de sólidos totales es importante en comparación con otras industrias.
X.
RECOMENDACIONES
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BIBLIOGRAFIA
ANEXOS ILUSTRACIONES
Ilustración 1: Fases del crecimiento microbiano y zonas en que operan los procesos biológicos aerobios
Ilustración 2: Proceso convencional de lodos activos
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