REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA, CIENCIA Y TECNOLOGÍA UNI VERSI VERSI DAD POLI TÉCNI CA TERRIT TERRIT ORI ORI AL D EL ESTADO ARAGUA
“FEDERICO BRITO FIGUEROA”
LA VICTORIA – ESTADO ESTADO ARAGUA PNF EN INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL
TRATAMIENTO DE AGUAS (BLANCAS Y RESIDUALES)
AUTORES: TSU. Martínez, Francisco; C.I.: 20.356.239 TSU. Betancourt, Rubén; CI: 20.695.855
PROFESOR: Ing. Contreras, José La Victoria, Junio de 2015
INTRODUCCIÓN
El agua es uno de los recursos naturales más fundamentales, y junto con el aire, la tierra y la energía constituye los cuatro recursos básicos en que se apoya el desarrollo. La importancia de la calidad del agua ha tenido un lento desarrollo. Hasta finales del siglo XIX no se reconoció el agua como origen de numerosas enfermedades infecciosas. Hoy en día, la importancia tanto de la cantidad como de la calidad del agua está fuera de toda duda.
El agua es uno de los compuestos más abundantes de la naturaleza y cubre aproximadamente las tres cuartas partes de la superficie de la tierra. Sin embargo, en contra de lo que pudiera parecer, diversos factores limitan la disponibilidad de agua para uso humano. Más del 97% del agua total del planeta se encuentra en los océanos y otras masas salinas, y no están disponibles para casi ningún propósito. Del 3% restante, por encima del 2% se encuentra en estado sólido, hielo, resultando prácticamente inaccesible. Por tanto, se puede decir que para el hombre y sus actividades industriales industriales y agrícolas, sólo resta un 0,62% que se encuentra en lagos, ríos y agua subterráneas. La cantidad de agua disponible es ciertamente escasa, aunque mayor problema es aún su distribución irregular en el planeta.
El uso de los recursos naturales provoca un efecto sobre los ecosistemas de donde se extraen y en los ecosistemas en donde se utilizan. El caso del agua es uno de los ejemplos más claros: un mayor suministro de agua significa una mayor carga de aguas residuales. Si se entiende por desarrollo sostenible aquel que permita compatibilizar el uso de los recursos con la conservación de los ecosistemas. Hay que considerar también que el hombre influye sobre el ciclo del agua de dos formas distintas, bien sea directamente mediante extracción de las mismas y posterior vertido de aguas contaminadas como se ha dicho, o bien sea indirectamente alterando la vegetación y la calidad de las aguas.
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INTRODUCCIÓN
El agua es uno de los recursos naturales más fundamentales, y junto con el aire, la tierra y la energía constituye los cuatro recursos básicos en que se apoya el desarrollo. La importancia de la calidad del agua ha tenido un lento desarrollo. Hasta finales del siglo XIX no se reconoció el agua como origen de numerosas enfermedades infecciosas. Hoy en día, la importancia tanto de la cantidad como de la calidad del agua está fuera de toda duda.
El agua es uno de los compuestos más abundantes de la naturaleza y cubre aproximadamente las tres cuartas partes de la superficie de la tierra. Sin embargo, en contra de lo que pudiera parecer, diversos factores limitan la disponibilidad de agua para uso humano. Más del 97% del agua total del planeta se encuentra en los océanos y otras masas salinas, y no están disponibles para casi ningún propósito. Del 3% restante, por encima del 2% se encuentra en estado sólido, hielo, resultando prácticamente inaccesible. Por tanto, se puede decir que para el hombre y sus actividades industriales industriales y agrícolas, sólo resta un 0,62% que se encuentra en lagos, ríos y agua subterráneas. La cantidad de agua disponible es ciertamente escasa, aunque mayor problema es aún su distribución irregular en el planeta.
El uso de los recursos naturales provoca un efecto sobre los ecosistemas de donde se extraen y en los ecosistemas en donde se utilizan. El caso del agua es uno de los ejemplos más claros: un mayor suministro de agua significa una mayor carga de aguas residuales. Si se entiende por desarrollo sostenible aquel que permita compatibilizar el uso de los recursos con la conservación de los ecosistemas. Hay que considerar también que el hombre influye sobre el ciclo del agua de dos formas distintas, bien sea directamente mediante extracción de las mismas y posterior vertido de aguas contaminadas como se ha dicho, o bien sea indirectamente alterando la vegetación y la calidad de las aguas.
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Nuestro mundo por muchos años ha sido descuidado y maltratado por nosotros los seres humanos. La industrialización y el modernismo son algunos factores que ayudan a la contaminación de nuestro ambiente.
El tratamiento de aguas es el conjunto de operaciones unitarias de tipo físico, químico, físico-químico o biológico cuya finalidad es la eliminación o reducción de la contaminación o las características no deseables de las aguas, bien sean naturales, de abastecimiento, de proceso o residuales (llamadas, en el caso de las urbanas, aguas negras). La finalidad de estas operaciones es obtener unas aguas con las características adecuadas al uso que se les vaya a dar, por lo que la combinación y naturaleza exacta de los procesos varía en función tanto de las propiedades de las aguas de partida como de su destino final.
Debido a que las mayores exigencias en lo referente a la calidad del agua se centran en su aplicación para el consumo humano y animal estos se organizan con frecuencia en tratamientos de potabilización y tratamientos de depuración de aguas residuales, aunque ambos comparten muchas operaciones.
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1. PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS BLANCAS O POTABLE
Conjunto de estructuras en las que se trata el agua de manera que se vuelva apta para el consumo humano. Existen diferentes tecnologías para potabilizar el agua, pero todas deben cumplir los mismos principios: 1. Combinación de barreras múltiples (diferentes etapas del proceso de potabilización) para alcanzar bajas condiciones de riesgo. 2. Tratamiento integrado para producir el efecto esperado. 3. Tratamiento por objetivo (cada etapa del tratamiento tiene una meta específica relacionada con algún tipo de contaminante). Si no se cuenta con un volumen de almacenamiento de agua potabilizada, la capacidad de la planta debe ser mayor que la demanda máxima diaria en el periodo de diseño. Además, una planta de tratamiento debe operar continuamente, aún con alguno de sus componentes en mantenimiento; por eso es necesario como mínimo dos unidades para cada proceso de la planta.
1.1. TIPOS DE PLANTAS DE AGUAS POTABLES
PTAP de tecnología convencional: incluye los procesos de coagulación, floculación, decantación (o sedimentación) y filtración.
PTAP de filtración directa: incluye los procesos de coagulación-decantación y filtración rápida, y se puede incluir el proceso de floculación.
PTAP de filtración en múltiples etapas (FIME): incluye los procesos de filtración gruesa dinámica, filtración gruesa ascendente y filtración lenta en arena. También puede utilizarse una combinación de tecnologías, y en cada una de las
tecnologías nombradas es posible contar con otros procesos que pueden ser necesarios específicamente para remover determinada contaminación.
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1.2. NECESIDAD DEL TRATAMIENTO DEL AGUA 1.2.1. COMPOSICIÓN DEL AGUA
El agua que es usada para la producción de agua potable contiene moléculas de agua además de otras substancias. De hecho una de las propiedades esenciales del agua es que puede disolver fácilmente ciertas substancias. El agua que cae a la tierra por la lluvia disuelve una gran variedad de substancias en el agua, partículas y gases como el oxigeno, que puede encontrarse en el aire. También los contaminantes presentes en el aire se disuelven por el agua de lluvia. Cuando el agua de escorrentía fluye por la tierra también disuelve gran cantidad de compuestos como son partículas de arena, materia orgánica, microorganismos y minerales. El agua que se filtra en el suelo y forma las aguas subterráneas como el agua contenida en acuíferos, generalmente tienen una gran cantidad de minerales disueltos, como resultado del contacto con el suelo y las rocas. Las actividades humanas, como son la agricultura y la industria generan gran cantidad de contaminantes que luego se descargan a las aguas residuales.
1.2.2. CAPACIDAD DE AUTO PURIFICACIÓN DEL AGUA
El agua tiene la capacidad de auto-depurarse. Los contaminantes son eliminados del agua mediante procesos biológicos. Cuando el agua sedimenta en la tierra o las capas subterráneas se producen la filtración natural del agua. Los contaminantes se descomponen, o se mantendrán en las capas subterráneas. La capacidad de auto-depuración del agua no es suficiente para producir agua apta para consumo humano. Además existen gran cantidad de contaminantes introducidos en las aguas debido a las actividades agrícolas o industriales. En 1970 se descubrió que las emisiones y descargas de aguas residuales industriales y agrícolas eran las fuentes causantes de la contaminación. Después se empezaron a aplicar medidas de control y prevención de la contaminación. Las aguas residuales deben de cumplir con ciertos requerimientos y estándares legales antes de su descarga por esta razón el agua debe de ser tratada antes de su descarga.
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A pesar de estas medidas el agua generalmente necesita tratarse para poder ser agua apta para consumo humano, y cumplir con las exigencias legales que regulan la materia, desde el punto de vista de estándares físicos, bacteriológicos y químicos. El agua no debería de contener olores o sabores, y debe de ser agua clara y químicamente estable (ej. sin compuestos corrosivos). El tipo de tratamiento que necesita el agua, depende en gran medida de la composición y calidad del agua. El tratamiento del agua se basa fundamentalmente en estos dos procesos: eliminación física de partículas sólidas, y principalmente minerales y materia orgánica y desinfección química para matar los microorganismos existentes en el agua.
1.2.3. SIGNIFICADO DE DESINFECCIÓN DEL AGUA
La desinfección del agua significa la extracción, desactivación o eliminación de los microorganismos patógenos que existen en el agua. La destrucción y/o desactivación de los microorganismos supone el final de la reproducción y crecimiento de esto microorganismos. Si estos microorganismos no son eliminados el agua no es potable y es susceptible de causar enfermedades. El agua potable no puede contener estos microorganismos.
1.2.3.1. MEDIOS PARA LA DESINFECCION DEL AGUA
La desinfección se logra mediante desinfectantes químicos y/o físicos. Estos agentes también extraen contaminantes orgánicos del agua, que son nutrientes o cobijo para los microorganismos. Los desinfectantes no solo deben matar a los microorganismos sino que deben además tener un efecto residual, que significa que se mantienen como agentes activos en el agua después de la desinfección para prevenir el crecimiento de los microorganismos en las tuberías provocando la recontaminación del agua.
Compuestos químicos para la desinfección del agua:
Cloro (Cl)
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Dióxido de Cloro (ClO 2)
Hipoclorito (OCl -)
Ozono (O3)
Halógenos: Bromo (Br 2), Iodo (I)
Cloruro de Bromo (BrCl)
Metales: cobre (Cu2+), plata (Ag+)
Permanganato potasico (KMnO 4)
Fenoles
Alcoholes
Jabones y detergentes
Sales de amonio
Peroxido de Hidrogeno
Distintas ácidos y bases
Compuestos físicos para la desinfección del agua:
Luz Ultravioleta (UV)
Radiación electrónica
Rayos Gamma
Sonido
Calor
1.2.3.2. FUNCIÓN DE LA DESINFECCIÓN
La inactivación química de los contaminantes microbiológicos en agua natural o no tratada es normalmente uno de los pasos finales de la purificación para la reducción d microorganismos patógenos en el agua. La combinación de diferentes pasos para la purificación del agua (oxidación, coagulación, sedimentación, desinfección, filtración) se utiliza para la producción de agua potable y segura para la salud. Como medida adicional en muchas plantas de tratamiento utilizan un método secundario de desinfección del agua, para evitar y proteger las aguas de la contaminación biológica que se pudiera producir en la red de
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distribución. Normalmente se utilizan un tipo de desinfectante diferente al que se utilizo en el proceso de purificación durante etapas previas. El tratamiento secundario de desinfección asegura que las bacterias no se multiplican en el sistema de distribución del agua. Esto es necesario porque las bacterias pueden permanecer en el sistema y en el agua a pesar de un tratamiento primario de desinfección, o pueden aparecer posteriormente durante procesos de retro-lavado o por mezcla de aguas contaminadas (ej. por inclusión de bacterias en las procedentes de aguas subterráneas que se introducen debido a grietas en el sistema de tuberías o distribución).
1.2.3.3. MECANISMO DE DESINFECCIÓN
La desinfección normalmente provoca la corrosión de la pared celular de los microorganismos, o cambios en la permeabilidad de la célula, cambios en la actividad de protoplasma celular o actividad encimatica (debido al cambio estructural de las encimas). Estos problemas en la célula evitan la multiplicación de los microorganismos. Los desinfectantes también provocan la oxidación y destrucción de la materia orgánica que son generalmente nutrientes y fuente de alimentación de los microorganismos.
1.3. PRINCIPALES OPERACIONES UNITARIAS EMPLEADAS EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA Los principales procesos de transferencia utilizados en el tratamiento del agua para consumo humano son los siguientes:
Transferencia de sólidos.
Transferencia de iones.
Transferencia de gases.
Transferencia molecular o de nutrientes.
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1.3.1. TRANSFERENCIA DE SÓLIDOS
Se consideran en esta clasificación los procesos de cribado, sedimentación, flotación y filtración.
a. Cribado o cernido: Consiste en hacer pasar el agua a través de rejas o tamices, los cuales retienen los sólidos de tamaño mayor a la separación de las barras, como ramas, palos y toda clase de residuos sólidos. También está considerado en esta clasificación el microcernido, que consiste básicamente en triturar las algas reduciendo su tamaño para que puedan ser removidas mediante sedimentación, ver figura 1.
Figura 1. Cribado o cernido b. Sedimentación: Consiste en promover condiciones de reposo en el agua, para remover, mediante la fuerza gravitacional, las partículas en suspensión más densas. Este proceso se realiza en los desarenadores, presedimentadores, sedimentadotes y decantadores; en estos últimos, con el auxilio de la coagulación, ver figura 2.
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Figura 2. Sedimentación c. Flotación: El objetivo de este proceso es promover condiciones de reposo, para que los sólidos cuya densidad es menor que la del agua asciendan a la superficie de la unidad de donde son retirados por desnatado. Para mejorar la eficiencia del proceso, se emplean agentes de flotación. Mediante este proceso se remueven especialmente grasas, aceites, turbiedad y color (ver figura 3). Los agentes de flotación empleados son sustancias espumantes y microburbujas de aire.
Figura 3. Esquema Trampa de Grasas d. Filtración: Consiste en hacer pasar el agua a través de un medio poroso, normalmente de arena, en el cual actúan una serie de mecanismos de remoción cuya eficiencia depende de las características de la suspensión (agua más partículas) y del medio poroso. Este proceso se utiliza como único tratamiento cuando las aguas son
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muy claras o como proceso final de pulimento en el caso de aguas turbias. Los medios porosos utilizados además de la arena, que es el más común son la antracita, el granate, la magnetita, el carbón activado, la cáscara de arroz, la cáscara de coco quemada y molida y también el pelo de coco en el caso de los filtros rápidos. En los filtros lentos lo más efectivo es usar exclusivamente arena; no es recomendable el uso de materiales putrescibles, ver figura 4.
Figura 4. Filtración
1.3.2. TRANSFERENCIA DE IONES
La transferencia de iones se efectúa mediante procesos de coagulación, precipitación química, absorción e intercambio iónico.
a. Coagulación química : La coagulación química consiste en adicionar al agua una sustancia que tiene propiedades coagulantes, la cual transfiere sus iones a la sustancia que se desea remover, lo que neutraliza la carga eléctrica de los coloides para favorecer la formación de flóculos de mayor tamaño y peso. Los coagulantes más efectivos son las sales trivalentes de aluminio y fierro. Las condiciones de pH y alcalinidad del agua influyen en la eficiencia de la coagulación. Este proceso se utiliza principalmente para remover la turbiedad y el color, ver figura 5.
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Figura 5. Sistema de aplicación coagulante b. Precipitación química: La precipitación química consiste en adicionar al agua una sustancia química soluble cuyos iones reaccionan con los de la sustancia que se desea remover, formando un precipitado. Tal es el caso de la remoción de hierro y de dureza carbonatada (ablandamiento), mediante la adición de cal.
c. Intercambio iónico: Como su nombre lo indica, este proceso consiste en un intercambio de iones entre la sustancia que desea remover y un medio sólido a través del cual se hace pasar el flujo de agua. Este es el caso del ablandamiento del agua mediante resinas, en el cual se realiza un intercambio de iones de cal y magnesio por iones de sodio, al pasar el agua a través de un medio poroso constituido por zeolitas de sodio. Cuando la resina se satura de iones de calcio y magnesio, se regenera introduciéndola en un recipiente con una solución saturada de sal.
d. Absorción: La absorción consiste en la remoción de iones y moléculas presentes en la solución, concentrándolos en la superficie de un medio adsorbente, mediante la acción de las fuerzas de interfaz. Este proceso se aplica en la remoción de olores y sabores, mediante la aplicación de carbón activado en polvo.
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1.3.3. TRANSFERENCIA DE GASES
Consiste en cambiar la concentración de un gas que se encuentra incorporado en el agua mediante procesos de aireación, desinfección y recarbonatación.
a. Aireación: La aireación se efectúa mediante caídas de agua en escaleras, cascadas, chorros y también aplicando el gas a la masa de agua mediante aspersión o burbujeo. Se usa en la remoción de hierro y manganeso, así como también de anhídrido carbónico, ácido sulfhídrico y sustancias volátiles, para controlar la corrosión y olores, ver figura 6.
Figura 6. Sistema de Aireación b. Desinfección: Consiste en la aplicación principalmente de gas cloro y ozono al agua tratada.
c. Recarbonatación: Consiste en la aplicación de anhídrido carbónico para bajar el pH del agua, normalmente después del ablandamiento.
1.3.4. TRANSFERENCIA MOLECULAR
En el proceso de purificación natural del agua las bacterias saprofitas degradan la materia orgánica y transforman sustancias complejas en material celular vivo o en sustancias más simples y estables, incluidas los gases de descomposición.
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También los organismos fotosintéticos convierten sustancias inorgánicas simples en material celular, utilizando la luz solar y el anhídrido carbónico producto de la actividad de las bacterias y, a la vez, generan el oxígeno necesario para la supervivencia de los microorganismos aeróbicos presentes en el agua. Este tipo de transferencia se lleva a cabo en la filtración, en la cual los mecanismos de remoción más eficientes se deben a la actividad de los microorganismos.
1.4. ESQUEMA DE PLANTA DE POTABILIZACIÓN Entrada de agua. Es el sitio de captación del afluente que procede del río. Consta de una estructura en forma de rejilla, cuya función es la de retener objetos o materiales grandes tales como piedras, palos, ramas, etc.
Desarenadores. Son tanques cuya ubicación está aguas abajo de la captación; el agua llega a ellos por medio de canaletas y su objetivo es retener arena y piedras.
Tranquilla de entrada de agua a la planta. Es un tanque donde llega el agua proveniente de los desarenadores. El agua fluye a través de tuberías y presenta también una rejilla donde queda retenido cualquier material que hayan dejado pasar los desarenadores, o que por alguna otra forma llegó al sitio en cuestión.
Tanque de mezcla rápida. Es el sitio donde se dosifican las diferentes sustancias o compuestos implícitos en la potabilización del agua, ocurriendo así el proceso o etapa de coagulación, donde el coagulante disminuye las fuerzas adversas a la aglomeración de los coloides o partículas (desestabilización). En este tanque se mezclan los compuestos antes mencionados puestos en suspensión, a una velocidad de agitación alta en un tiempo muy corto, de tal manera de lograr la dispersión de éstos en todo el depósito.
Tanque de mezcla lenta. En este tanque ocurre el proceso de floculación que se da a una velocidad de agitación baja y en un tiempo mayor, para que las partículas o coloides se aglomeren y formen flóculos. La etapa de floculación ocurre una vez neutralizada casi todas las cargas de los coloides, por cargas inducidas por el coagulante (sulfato de aluminio) y los flóculos empiezan a ensancharse o a tomar mayor tamaño, ver figura 7.
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Figura 7. Tanque de mezcla lenta Sedimentadores. Son tanques con dispositivos especiales donde las partículas, ya con unos tamaños específicos y provenientes del tanque anterior, sedimentan por gravedad formando un material que es enviado nuevamente al río (aguas abajo), mediante las válvulas del dren de dichos sedimentadores. El objetivo primordial de una buena sedimentación es lograr remover la turbiedad, tanto natural como coagulada.
Filtros. El agua ya clarificada en los sedimentadores pasa a los filtros. Estos tanques presentan un lecho filtrante estratificado (arena, grava, pelotas de cerolita, antracita), en donde fluye en forma descendente, bajando el agua clarificada y quedando retenida en la última capa (arena fina), unidades de color, turbiedad y bacterias que no quedaron retenidas en los procesos anteriores. La filtración elimina casi la totalidad de sólidos y microorganismos restantes. Este material es removido mediante el lavado de filtros; el flujo del agua de lavado es ascendente, con la finalidad de lograr que el lecho se expanda y poder eliminar así las impurezas que éstos pueda presentar y drenarlas hasta el río.
Desinfección. . Para asegurar aún más la potabilidad del agua, se le agrega cloro que elimina el exceso de bacterias y lo que es muy importante, su desarrollo en el recorrido hasta las viviendas.
Tanques de almacenamiento. Es el sitio donde se almacena el agua apta para el consumo humano y en el que, por razones de seguridad sanitaria, se hace una inyección del
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desinfectante, dosificación de gas cloro, a fin de asegurar la potabilidad del agua, en los últimos sectores ubicados en la Red de Distribución.
Figura 8. Esquema de Potabilización del Agua
1.5. DEFINICIÓN DEL NIVEL DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL
Actualmente, la tendencia es instrumentar y tener cada día más control en las plantas potabilizadoras. Por ello, se incluye este apartado que contiene aspectos de interés práctico para los organismos operadores. Entre los parámetros que pueden ser monitoreados en línea y tiempo real se encuentra el cloro residual, el pH, los sólidos suspendidos, la turbiedad y algunos iones específicos como los nitratos y nitritos.
1.5.1. CLORACIÓN
Los métodos analíticos que se aplican son colorimétricos, amperométricos y polarográficos. El amperométrico es el de mayor uso para medir en línea (ver figura 9).
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Emplea dos metales disímbolos que se encuentran en una solución o electrólito a los que se aplica un voltaje para que fluyan electrones del electrodo negativo al positivo generando una corriente eléctrica. La cantidad de corriente que fluye es proporcional al contenido de cloro. Un medidor amperométrico; Consiste de una entrada para la muestra, un regulador de flujo, bombas dosificadoras para introducir los reactivos, celda de medición y convertidor electrónico de la señal. La muestra entra en cantidad conocida y actúa como electrólito a medida que pasa a través de la celda. Puesto que el cloro puede existir en forma de diversos compuestos químicos, la muestra es acondicionada con reactivos para medir el contenido total de cloro. cloro. La corriente que se genera genera en la celda es muy sensible sensible a las variaciones variaciones de temperatura, a razón de 3% por cada grado. Por ello, es preciso contar con un mecanismo me canismo que ajuste la lectura por este concepto y registre el valor. La sensibilidad de estos aparatos es de ± 3% del total de la escala, lo que implica que para mediciones de 0 a 1 mg/l, y de 0 a 20 mg/l se tienen desviaciones del orden de 0.03 a 0.6 mg/l. La confiabilidad es del ± 1%, siempre y cuando la temperatura del agua se mantenga m antenga en el intervalo 0 a 500C.
Figura 9. Amperométrico
1.5.2. PH
El pH es una de las mediciones más empleadas para evaluar la calidad del agua (alcalinidad y contenido de CO2, por ejemplo) ejemplo) así como para dar seguimiento seguimiento a procesos
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(como la neutralización ácido-base, el ablandamiento, la precipitación, coagulación, desinfección y el control de la corrosión, entre otros). Para medir el pH se emplea un electrodo con membrana de vidrio que crea cr ea un potencial eléctrico en función del contenido de H+ que es medido por el electrodo de referencia. El potencial generado es medido y amplificado mediante un acondicionador electrónico de señales. El circuito completo está compuesto por el electrodo de vidrio, la membrana, el fluido de proceso, el electrodo de referencia y el cable de éste, ver figura 10.
El voltaje de salida hacia el amplificador está dado por: Ei + Er – Eg Eg = 0. y (5.4) Ei = Eg – Er Er (5.5) Donde: Ei: Potencial de entrada al amplificador, mV Eg: Potencial del electrodo de vidrio, mV Er: Potencial del electrodo de referencia, mV
El potencial del electrodo de vidrio se puede obtener en fo rma aproximada: Eg = K1 + K2 (pH) (5.6) El voltaje en la salida del amplificador es: Ei = K1 + K2(pH) – Er Er (5.7) donde: K1: Potencial asimétrico, mV K2: Ganancia en el electrodo que depende de la temperatura, mV/pH
Figura 10. Sensor típico de PH
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Circuito eléctrico equivalente del medidor de PH La sensibilidad tanto del electrodo como del sistema transmisor de la señal e s de ± 0.02 unidades y en caso de que el sistema no cuente con un ajuste automático de temperatura se introduce un error adicional de 0.002 unidades de pH por cada grado centígrado centígrado de diferencia con la temperatura de calibración. La confiabilidad es de ± 0.02 a ± 0.04 unidades de pH y la estabilidad de 0.002 a 0.2 unidades de pH por semana que, de hecho, se relaciona con la frecuencia con la cual el medidor de pH debe ser calibrado. Cuando se mide el pH en un fluido en movimientos, la velocidad de la muestra puede provocar variaciones de la lectura real de orden de 0.2 a 0.3 unidades de pH.
1.5.3. SÓLIDOS SUSPENDIDOS
El principio de medición se basa en la atenuación o dispersión de un haz de radiación por los sólidos contenidos contenidos en una muestra. El tipo de rayo empleado puede ser luz (óptico), ultrasonido o nuclear. Los empleados para agua potable son de tipo óptico. En todo tipo de analizador es posible elegir:
Salidas de alarma para niveles bajos y altos
Salidas de voltaje o de corriente para medición remota, no disponible en todas las presentaciones
Pared o panel de desplegado
Cable para interconexión entre el sensor y el transmisor t ransmisor
Técnicas ópticas: Se basan en la dispersión de un haz de luz en función del tamaño y número de partículas. La luz transmitida a través de la muestra se reduce en forma proporcional a la dispersada. El arreglo de las lámparas así como de las fotoceldas depende del fabricante del equipo. Un sistema electrónico analiza la cantidad de luz recibida y la correlaciona con el contenido de sólidos suspendidos de la muestra, ver figura 11.
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Figura 11. Dispersión de la luz por los sólidos suspendidos contenidos en una muestra y su medición en un sistema óptico La precisión de las técnicas ópticas es de ± 5% del total de la escala. Cuentan con una amplia gama de intervalos de medición. En el intervalo de 0 a 3000 mg/l, el error es de ± 150 mg/l y para el de 0 a 10 % es de ±5.0 g/l. La confiabilidad es del ± 1% del total de la escala.
Lista de verificación para las principales mediciones en línea
Tabla 1. Verificación de cloro residual
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Tabla 2. Verificación de pH
Tabla 3. Verificación de Sólidos de Suspensión
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2. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
El tratamiento de aguas residuales consiste en una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen como fin eliminar los contaminantes físicos, químicos y biológicos presentes en el agua efluente del uso humano. La tesis fundamental para el control de la polución por aguas residuales ha sido tratar las aguas residuales en plantas de tratamiento que hagan parte del proceso de remoción de los contaminantes y dejar que la naturaleza lo complete en el cuerpo receptor. Para ello, el nivel de tratamiento requerido es función de la capacidad de auto purificación natural del cuerpo receptor. A la vez, la capacidad de auto purificación natural es función, principalmente, del caudal del cuerpo receptor, de su contenido en oxígeno, y de su "habilidad" para reoxigenarse.1 Por lo tanto el objetivo del tratamiento de las aguas residuales es producir efluente reutilizable en el ambiente y un residuo sólido o fango (también llamado biosólido o lodo) convenientes para su disposición o reutilización. Es muy común llamarlo depuración de aguas residuales para distinguirlo del tratamiento de aguas potables. Las aguas residuales son generadas por residencias, instituciones y locales comerciales e industriales. Éstas pueden ser tratadas dentro del sitio en el cual son generadas (por ejemplo, tanques sépticos u otros medios de depuración) o bien pueden ser recogidas y llevadas mediante una red de tuberías – y eventualmente bombas – a una planta de tratamiento municipal. Los esfuerzos para recolectar y tratar las aguas residuales domésticas de la descarga están típicamente sujetos a regulaciones y estándares locales, estatales y federales (regulaciones y controles). A menudo ciertos contaminantes de origen industrial presentes en las aguas residuales requieren procesos de tratamiento especializado. Típicamente, el tratamiento de aguas residuales comienza por la separación física inicial de sólidos grandes (basura) de la corriente de aguas domésticas o industriales empleando un sistema de rejillas (mallas), aunque también pueden ser triturados esos materiales por equipo especial; posteriormente se aplica un desarenado (separación de sólidos pequeños muy densos como la arena) seguido de una sedimentación primaria (o tratamiento similar) que separe los sólidos suspendidos existentes en el agua residual. Para eliminar metales disueltos se utilizan reacciones de precipitación, que se utilizan para eliminar plomo
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y fósforo principalmente. A continuación sigue la conversión progresiva de la materia biológica disuelta en una masa biológica sólida usando bacterias adecuadas, generalmente presentes en estas aguas. Una vez que la masa biológica es separada o removida (proceso llamado sedimentación secundaria), el agua tratada puede experimentar procesos adicionales (tratamiento terciario) como desinfección, filtración, etc. El efluente final puede ser descargado o reintroducido de vuelta a un cuerpo de agua natural (corriente, río o bahía) u otro ambiente (terreno superficial, subsuelo, etc.). Los sólidos biológicos segregados experimentan un tratamiento y neutralización adicional antes de la descarga o reutilización apropiada. Estos procesos de tratamiento son típicamente referidos a un:
Tratamiento primario (asentamiento de sólidos)
Tratamiento secundario (tratamiento biológico de la materia orgánica disuelta presente en el agua residual, transformándola en sólidos suspendidos que se eliminan fácilmente)
Tratamiento terciario (pasos adicionales como lagunas, micro filtración o desinfección)
2.1. TRATAMIENTO FÍSICO
Tamizado
Remoción de gas.
Remoción de arena.
Precipitación con o sin ayuda de coagulantes o floculantes.
Separación y filtración de sólidos. El agregado de cloruro férrico ayuda a precipitar en gran parte a la remoción de fósforo
y ayuda a precipitar biosólidos o lodo.
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2.2. TRATAMIENTO BIOLÓGICO
Lechos oxidantes o sistemas aeróbicos.
Post – precipitación.
Liberación al medio de efluentes, con o sin desinfección según las normas de cada jurisdicción.
Biodigestión anaeróbica y humedales artificiales utiliza la materia orgánica biodegradable de las aguas residuales, como nutrientes de una población bacteriana, a la cual se le proporcionan condiciones controladas para controlar la presencia de contaminantes.
2.3. TRATAMIENTO QUÍMICO
Este paso es usualmente combinado con procedimientos para remover sólidos como la filtración. La combinación de ambas técnicas es referida en los Estados Unidos como un tratamiento físico-químico.
Eliminación del hierro del agua potable. Los métodos para eliminar el exceso de hierro incluyen generalmente transformación del agua clorada en una disolución generalmente básica utilizando cal apagada; oxidación del hierro mediante el ion hipoclorito y precipitación del hidróxido férrico de la solución básica. Mientras todo esto ocurre el ion OCl está destruyendo los microorganismos patógenos del agua.
Eliminación del oxígeno del agua de las centrales térmicas. Para transformar el agua en vapor en las centrales térmicas se utilizan calderas a altas temperaturas. Como el oxígeno es un agente oxidante, se necesita un agente reductor como la hidracina para eliminarlo.
Eliminación de los fosfatos de las aguas residuales domésticas. El tratamiento de las aguas residuales domésticas incluye la eliminación de los fosfatos. Un método muy simple consiste en precipitar los fosfatos con cal apagada. Los fosfatos pueden estar presentes de muy diversas formas como el ion Hidrógeno fosfato.
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Eliminación de nitratos de las aguas residuales domésticas y procedentes de la industria. Se basa en dos procesos combinados de nitrificación y desnitrificación que conllevan una producción de fango en forma de biomasa fácilmente vertible.
2.4. ETAPAS DEL TRATAMIENTO
2.4.1. TRATAMIENTO PRIMARIO
El tratamiento primario es para reducir aceites, grasas, arenas y sólidos gruesos. Este paso está enteramente hecho con maquinaria, de ahí que se conoce también como t ratamiento mecánico.
Remoción de sólidos o Cribado. La remoción de los sólidos habitualmente se realiza mediante el cribado. Los sólidos que se remueven son de gran tamaño, por ejemplo, botellas, palos, bolsas, balones, llantas, etc. Con esto se evita tener problemas en la planta de tratamiento de aguas, ya que si no se remueven estos sólidos pueden llegar a tapar tuberías o dañar algún equipo, ver figura 12.
Figura 12. Remoción de sólidos o Cribado Remoción de arena. Esta etapa (también conocida como escaneo o maceración) típicamente incluye un canal de arena donde la velocidad de las aguas residuales es cuidadosamente controlada para permitir que la arena y las piedras de ésta tomen partículas,
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pero todavía se mantiene la mayoría del material orgánico con el flujo. Este equipo es llamado colector de arena. La arena y las piedras necesitan ser quitadas a tiempo en el proceso para prevenir daño en las bombas y otros equipos en las etapas restantes del tratamiento. Algunas veces hay baños de arena (clasificador de la arena) seguido por un transportador que transporta la arena a un contenedor para la deposición. El contenido del colector de arena podría ser alimentado en el incinerador en un procesamiento de planta de fangos, pero en muchos casos la arena es enviada a un terraplén, ver figura 13.
Figura 13. Remoción de arena Investigación y maceración. El líquido libre de abrasivos es pasado a través de pantallas arregladas o rotatorias para eliminar material flotante y materia grande como trapos; y partículas pequeñas como chícharos y maíz. Los escaneos son recolectados y podrán ser regresados a la planta de tratamiento de fangos o podrán ser dispuestos al exterior hacia campos o incineración. En la maceración, los sólidos son cortados en partículas pequeñas a través del uso de cuchillos rotatorios montados en un cilindro revolvente, es utilizado en plantas que pueden procesar esta basura en partículas. Los maceradores son, sin embargo, más caros de mantener y menos fiables que las pantallas físicas, ver figura 14.
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Figura 14. Investigación y maceración Sedimentación. Muchas plantas tienen una etapa de sedimentación donde el agua residual se pasa a través de grandes tanques circulares o rectangulares. Estos tanques son comúnmente llamados clarificadores primarios o tanques de sedimentación primarios. Los tanques son lo suficientemente grandes, tal que los sólidos fecales pueden situarse y el material flotante como la grasa y plásticos pueden levantarse hacia la superficie y desnatarse. El propósito principal de la etapa primaria es producir un líquido homogéneo capaz de ser tratado biológicamente y unos fangos o lodos que pueden ser tratados separadamente. Los tanques primarios de asentamiento se equipan generalmente con raspadores conducidos mecánicamente que llevan continuamente los fangos recogidos hacia una tolva en la base del tanque donde, mediante una bomba, se pueden llevar hacia otras etapas del tratamiento, ver figura 15.
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Figura 15. Sedimentación
2.4.2. TRATAMIENTO SECUNDARIO
El tratamiento secundario está diseñado para degradar sustancialmente el contenido biológico del agua residual, el cual deriva los desechos orgánicos provenientes de residuos humanos, residuos de alimentos, jabones y detergentes. La mayoría de las plantas municipales utilizan procesos biológicos aeróbicos para este fin.
Desbaste. Consiste habitualmente en la retención de los sólidos gruesos del agua residual mediante una reja, manual o autolimpiable, o un tamiz, habitualmente de menor paso o luz de malla. Esta operación no solo reduce la carga contaminante del agua a la entrada, sino que permite preservar los equipos como conducciones, bombas y válvulas, frente a los depósitos y obstrucciones provocados por los sólidos, que habitualmente pueden ser muy fibrosos: tejidos, papeles, etc., ver figura 16.
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Figura 16. Desbaste Fangos Activados o Lodos Activados. Las plantas de fangos activos usan una variedad de mecanismos y procesos para usar oxígeno disuelto y promover el crecimiento de organismos biológicos que remueven substancialmente materia orgánica. También puede atrapar partículas de material, ver figura 17.
Figura 17. Fangos Activos Camas filtrantes (camas de oxidación). En plantas más viejas y plantas receptoras de cargas variables, se utilizan camas filtrantes de goteo, en las que el licor de las aguas residuales es rociado en la superficie de una profunda cama compuesta de coque (carbón), piedra caliza o fabricada especialmente de medios plásticos. Tales medios deben tener altas superficies para soportar las biopelículas que se forman. El licor es distribuido mediante unos brazos perforados rotativos que irradian de un pivote central. El licor distribuido gotea en la cama y es recogido en drenes en la base. Estos drenes también proporcionan un recurso de
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aire que se infiltra hacia arriba de la cama, manteniendo un medio aerobio. Las películas biológicas de bacterias, protozoarios y hongos se forman en la superficie del medio y se comen o reducen los contenidos orgánicos. Esta biopelícula es alimentada a menudo por insectos y gusanos, ver figura 18.
Figura 18. Camas de Oxidación Placas rotativas y espirales. En algunas plantas pequeñas son usadas placas o espirales de revolvimiento lento que son parcialmente sumergidas en un licor. Se crea un flóculo biótico que proporciona el substrato requerido.
Reactor biológico de cama móvil. El reactor biológico de cama móvil (MBBR, por sus siglas en inglés) asume la adición de medios inertes en vasijas de fangos activos existentes para proveer sitios activos para que se adjunte la biomasa. Esta conversión hace como resultante un sistema de crecimiento. Las ventajas de los sistemas de crecimiento adjunto son: 1. Mantener una alta densidad de población de biomasa 2. Incrementar la eficiencia del sistema sin la necesidad de incrementar la concentración del licor mezclado de sólidos (MLSS) 3. Eliminar el costo de operación de la línea de retorno de fangos activos (RAS).
Filtros aireados biológicos. Filtros aireados (o anóxicos) biológicos (BAF) combinan la filtración con reducción biológica de carbono, nitrificación o desnitrificación. BAF incluye
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usualmente un reactor lleno de medios de un filtro. Los medios están en la suspensión o apoyados por una capa en el pie del filtro. El propósito doble de este medio es soportar altamente la biomasa activa que se une a él y a los sólidos suspendidos del filtro. La reducción del carbón y la conversión del amoniaco ocurren en medio aerobio y alguna vez alcanzado en un solo reactor mientras la conversión del nitrato ocurre en una manera anóxica. BAF es también operado en flujo alto o flujo bajo dependiendo del diseño especificado por el fabricante.
Reactores biológicos de membrana. MBR es un sistema con una barrera de membrana semipermeable o en conjunto con un proceso de fangos. Esta tecnología garantiza la remoción de todos los contaminantes suspendidos y algunos disueltos. La limitación de los sistemas MBR es directamente proporcional a la eficaz reducción de nutrientes del proceso de fangos activos. El coste de construcción y operación de MBR es usualmente más alto que el de un tratamiento de aguas residuales convencional de esta clase de filtros.
Sedimentación secundaria. El paso final de la etapa secundaria del tratamiento es retirar los flóculos biológicos del material de filtro, y producir agua tratada con bajos niveles de materia orgánica y materia suspendida. En una planta de tratamiento rural, se realiza en el tanque de sedimentación secundaria.
2.4.3. TRATAMIENTO TERCIARIO
El tratamiento terciario proporciona una etapa final para aumentar la calidad del efluente al estándar requerido antes de que éste sea descargado al ambiente receptor (mar, río , lago, campo, etc.) Más de un proceso terciario del tratamiento puede ser usado en una planta de tratamiento. Si la desinfección se practica siempre en el proceso final, es siempre llamada pulir el efluente.
Filtración. La filtración de arena retiene gran parte de los residuos de materia suspendida. El carbón activado sobrante de la filtración retiene las toxinas residuales.
Lagunaje. El tratamiento de lagunas proporciona sedimentación y mejora biológica adicional por almacenaje en charcos o lagunas artificiales. Se trata de una imitación de los
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procesos de autodepuración que un río o un lago somete las aguas residuales de forma natural. Estas lagunas son altamente aerobias y se da a menudo la colonización por macrofitos nativos, especialmente cañas. Los invertebrados de alimentación del filtro pequeño tales como Daphnia y especies de Rotifera ayudan eficazmente al tratamiento reteniendo partículas finas. El sistema de lagunaje es barato y fácil de mantener pero presenta los inconvenientes de necesitar gran cantidad de espacio y de ser poco capaz para depurar las aguas de grandes núcleos, ver imagen 19.
Figura 19. Lagunaje Humedales artificiales. Los humedales artificiales incluyen camas de caña o una serie de métodos similares que proporcionan un alto grado de mejora biológica aerobia y pueden utilizarse a menudo en lugar del tratamiento secundario para las poblaciones pequeñas, también para la fitorremediación.
Remoción de nutrientes. Las aguas residuales pueden contener también altos niveles de los nutrientes nitrógeno y fósforo. Eso en ciertas formas puede ser tóxico para peces e invertebrados en concentraciones muy bajas (por ejemplo amoníaco) o puede crear condiciones insanas en el ambiente de recepción (por ejemplo: mala hierba o crecimiento de algas). Las algas pueden producir toxinas, y su muerte y consumo por bacterias (decaimiento) pueden agotar el oxígeno en el agua y asfixiar peces y otr a vida acuática. Cuando se recibe una descarga de los ríos a los lagos o a los mares bajos, los nutrientes agregados pueden causar pérdidas entrópicas severas perdiendo muchos peces sensibles a la contaminación en el agua. La retirada del nitrógeno o del fósforo de las aguas residuales se puede alcanzar mediante la precipitación química o biológica. La remoción del nitrógeno se efectúa con la oxidación biológica del nitrógeno del amoníaco a nitrato (nitrificación que implica nitrificar bacterias tales como Nitrobacter y Nitrosomonus), y entonces mediante la reducción, el nitrato se convierte en nitrógeno
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gaseoso (desnitrificación), que se envía a la atmósfera. Estas conversiones requieren condiciones cuidadosamente controladas para permitir la formación adecuada de comunidades biológicas. Los filtros de arena, las lagunas y las camas de lámina se pueden utilizar para reducir el nitrógeno. Algunas veces, la conversión del amoniaco tóxico en nitrato solamente se hace como tratamiento terciario. La oxidación anaeróbica se define como aquella en que la descomposición se ejecuta en ausencia de oxígeno disuelto y se usa el oxígeno de compuestos orgánicos, nitratos y nitritos, los sulfatos y el CO 2, como aceptador de electrones. En el proceso conocido como desnitrificación, los nitratos y nitritos son usados por las bacterias facultativas, en condiciones anóxicas, condiciones intermedias, con formación de CO 2, agua y nitrógeno gaseoso como productos finales. La retirada del fósforo se puede efectuar biológicamente en un proceso llamado retiro biológico realzado del fósforo. En este proceso, bacterias específicas llamadas organismos acumuladores de polifosfato, se enriquecen y acumulan selectivamente grandes cantidades de fósforo dentro de sus células. Cuando la biomasa enriquecida en estas bacterias se separa del agua tratada, los biosólidos bacterianos tienen un alto valor del fertilizante. La retirada del fósforo se puede alcanzar también, generalmente por la precipitación química con las sales del hierro (por ejemplo: cloruro férrico) o del aluminio (por ejemplo: alumbre). El fango químico que resulta, sin embargo, es difícil de operar, y el uso de productos químicos en el proceso del tratamiento es costoso. Aunque esto hace la operación difícil y a menudo sucia, la eliminación química del fósforo requiere una huella significativamente más pequeña del equipo que la de retiro biológico y es más fácil de operar.
Desinfección. El propósito de la desinfección en el tratamiento de las aguas residuales es 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 que es tratada (por ejemplo: turbiedad, pH, etc.), del tipo de desinfección que es utilizada, de la dosis de desinfectante (concentración y tiempo), y de otras variables ambientales. El agua turbia será tratada con menor éxito puesto que la materia sólida puede blindar organismos, especialmente de la luz ultravioleta o si los tiempos del contacto son bajos. Generalmente, tiempos de contacto cortos, dosis bajas y altos flujos influyen en contra
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de una desinfección eficaz. Los métodos comunes de desinfección incluyen el ozono, la clorina, o la luz UV. La Cloramina, que se utiliza para el agua potable, no se utiliza en el tratamiento de aguas residuales debido a su persistencia. La desinfección con cloro sigue siendo la forma más común de desinfección de las aguas residuales en Norteamérica debido a su bajo historial de costo y del largo plazo de la eficacia. Una desventaja es que la desinfección con cloro del material orgánico residual puede generar compuestos orgánicamente clorados que pueden ser carcinógenos o dañinos al ambiente. La clorina o las "cloraminas" residuales puede también ser capaces de tratar el material con cloro orgánico en el ambiente acuático natural. Además, porque la clorina residual es tóxica para especies acuáticas, el efluente tratado debe ser químicamente desclorinado, agregándose complejidad y costo del tratamiento. La luz ultravioleta (UV) se está convirtiendo en el medio más común de la desinfección en el Reino Unido debido a las preocupaciones por los impactos de la clorina en el tratamiento de aguas residuales y en la clorinación orgánica en aguas receptoras. La radiación UV se utiliza para dañar la estructura genética de las bacterias, virus, y otros patógenos, haciéndolos incapaces de la reproducción. Las desventajas dominantes de la desinfección UV son la necesidad del mantenimiento y del reemplazo frecuentes de la lámpara y la necesidad de un efluente altamente tratado para asegurarse de que los microorganismos objetivo no están blindados de la radiación UV (es decir, cualquier sólido presente en el efluente tratado puede proteger microorganismos contra la luz UV). El ozono (O 3) se genera al pasar oxígeno (O 2) por un potencial de alto voltaje, lo que añade un tercer átomo de oxígeno y forma O 3. El ozono es muy inestable y reactivo y oxida la mayoría del material orgánico con que entra en contacto, de tal manera que destruye muchos microorganismos causantes de enfermedades. El ozono se considera más seguro que la clorina porque, mientras que la clorina tiene que ser almacenada en el sitio (altamente venenoso en caso de un lanzamiento accidental), el ozono es colocado según lo necesitado. La ozonización también produce menos subproductos que la desinfección con cloro. Una desventaja de la desinfección del ozono es el alto costo del equipo de la generación del ozono, y que la cualificación de los operadores deben ser elevada.
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3. TRATAMIENTO DE LOS FANGOS
Los sólidos primarios gruesos y los biosólidos secundarios acumulados en un proceso del tratamiento de aguas residuales se deben tratar y disponer de una manera segura y eficaz. Este material a menudo se contamina inadvertidamente con los compuestos orgánicos e inorgánicos tóxicos (por ejemplo: metales pesados). El propósito de la digestión es reducir la cantidad de materia orgánica y el número de los microorganismos presentes en los sólidos que causan enfermedades. Las opciones más comunes del tratamiento incluyen la digestión anaerobia, la digestión aerobia, y el abonamiento.
3.1. DIGESTIÓN ANAERÓBICA
La digestión anaeróbica es un proceso bacteriano que se realiza en ausencia del oxígeno. El proceso puede ser la digestión termofílica en la cual el fango se fermenta en tanques en una temperatura de 55 °C o mesofílica, en una temperatura alrededor de 36 °C. Sin embargo permitiendo tiempo de una retención más corta, así en los pequeños tanques, la digestión termofílica es más expansiva en términos de consumo de energía para calentar el fango, ver figura 20. La digestión anaerobia genera biogás con una parte elevada de metano que se puede utilizar para el tanque y los motores o las micro turbinas del funcionamiento para otros procesos en sitio. En plantas de tratamiento grandes, se puede generar más energía eléctrica de la que las máquinas requieren. La generación del metano es una ventaja dominante del proceso anaeróbico. Su desventaja dominante es la del largo plazo requerido para el proceso (hasta 30 días) y el alto costo de capital.
Ventajas
Con respecto a la tecnología, se puede decir que lo que influye es la soportabilidad, la cual en este tipo de tratamiento puede sostener altas cargas orgánicas aun operando a tiempos de residencia hidráulica muy cortos y el tiempo, ya que puede soportar altos
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periodos sin alimentación del proceso y también se puede llegar a obtener una alta concentración de biomasa contenida en los sistemas. Cabe destacar que la consolidación de esta tecnología, se basa en el diseño y la operación del mismo. Que a diferencia del sistema aerobio es necesario zonas aerobias, y estabilidad de la sedimentación.
Otro aspecto es el volumen, ya que en efectos anaerobios, la producción de este tratamiento se puede llevar a cabo utilizando el 80 % menos de lodo en comparación con los sistemas aerobios y también llegar a producir gas. Este tipo de gas se le denomina como el gas metano, el cual tiene un aprovechamiento en la planta, ya que no requiere mucho consumo energético durante su operación y sirve para que se pueda utilizar como una fuente de energía alterna, usando la demanda de requerimientos nutricionales, los cuales son bajos y no la demanda de los desechos industriales que necesita el sistema aerobio.
Y en base a la infraestructura en comparación con los sistemas aerobios, no se requiere de grandes espacios, ya que el tratamiento anaerobio se puede usar una infraestructura relativamente pequeña para la alta tasa de los sistemas.
Figura 20. Digestores Anaeróbicos 3.2. DIGESTIÓN AERÓBICA
La digestión aeróbica es un proceso bacteriano que ocurre en presencia del oxígeno. Bajo condiciones aeróbicas, las bacterias consumen rápidamente la materia orgánica y la convierten en el dióxido de carbono. Una vez que haya una carencia de la materia orgánica,
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las bacterias mueren y son utilizadas como alimento por otras bacterias. Esta etapa del proceso se conoce como respiración endógena. La reducción de los sólidos ocurre en esta fase. Porque ocurre la digestión aeróbica mucho más rápidamente, los costos de capital de digestión aerobia son más bajos. Sin embargo, los gastos de explotación son característicos por ser mucho mayores para la digestión aeróbica debido a los costes energéticos para la aireación necesitada para agregar el oxígeno al proceso, ver figura 21.
La composta o abonamiento. El abonamiento o composta es también un proceso aeróbico que implica el mezclar 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 aplicados con seguridad a la tierra usada como material de la enmienda del suelo (con las ventajas similares a la turba) o usada para la agricultura como fertilizante a condición de que los niveles de componentes tóxicos son suficientemente bajos.
La depolimerización termal. La depolimerización termal utiliza pirólisis acuosa para convertir los organismos complejos reducidos al aceite. El hidrógeno en el agua se inserta entre los vínculos químicos en polímeros naturales tales como grasas, las proteínas y la celulosa. El oxígeno del agua combina con el carbón, el hidrógeno y los metales. El resultado es aceite, gases combustibles de la luz tales como metano, propano y butano, agua con las sales solubles, bióxido de carbono, y un residuo pequeño del material insoluble inerte que se asemeja a la roca y al carbón pulverizado. Se destruyen todos los organismos y muchas toxinas orgánicas. Las sales inorgánicas tales como nitratos y fosfatos siguen siendo en el agua después del tratamiento en los niveles suficientemente altos que el tratamiento adicional está requerido. La energía de descomprimir el material se recupera, y el calor y la presión de proceso se accionan generalmente de los gases combustibles ligeros. El aceite se trata generalmente más lejos para hacer un grado ligero útil refinado del aceite, tal como algunos diésel y aceites de calefacción, y después se vende.
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La elección de un método de tratamiento sólido de las aguas residuales depende de la cantidad de sólidos generados y de otras condiciones específicas del lugar. Sin embargo, generalmente el abonamiento es lo más a menudo posible aplicado a los usos en pequeña escala seguidos por la digestión aerobia y entonces la digestión anaerobia para grandes escalas como en los municipios.
Figura 21. Digestores Aerobios
4. IMPACTO AMBIENTAL
Los contaminantes de las aguas servidas municipales, o aguas servidas domésticas, son los sólidos suspendidos y disueltos que consisten en: materias orgánicas e inorgánicas, nutrientes, aceites y grasas, sustancias tóxicas, y microorganismos patógenos. Los desechos humanos sin un tratamiento apropiado, eliminados en su punto de origen o recolectados y transportados, presentan un peligro de infección parasitaria (mediante el contacto directo con la materia fecal), hepatitis y varias enfermedades gastrointestinales, incluyendo el cólera y tifoidea (mediante la contaminación de la fuente de agua y la comida). Cabe mencionar que el agua de lluvia urbana puede contener los mismos contaminantes, a veces en concentraciones sorprendentemente altas. Cuando las aguas servidas son recolectadas pero no tratadas correctamente antes de su eliminación o reutilización, existen los mismos peligros para la salud pública en las proximidades del punto de descarga. Si dicha descarga es en aguas receptoras, se presentarán
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peligrosos efectos adicionales (p.ej. el hábitat para la vida acuática y marina es afectada por la acumulación de los sólidos; el oxígeno es disminuido por la descomposición de la materia orgánica; y los organismos acuáticos y marinos pueden ser perjudicados aún más por las sustancias tóxicas, que pueden extenderse hasta los organismos superiores por la bioacumulación en las cadenas alimenticias). Si la descarga entra en aguas confinadas, como un lago o una bahía, su contenido de nutrientes puede ocasionar la eutrofización, con molesta vegetación que puede afectar a las pesquerías y áreas recreativas. Los desechos sólidos generados en el tratamiento de las aguas servidas (grava, cerniduras, y fangos primarios y secundarios) pueden contaminar el suelo y las aguas si no son manejados correctamente. Los proyectos de aguas servidas son ejecutados a fin de evitar o aliviar los efectos de los contaminantes descritos anteriormente en cuanto al ambiente humano y natural. Cuando son ejecutados correctamente, su impacto total sobre el ambiente es positivo. Los impactos directos incluyen la disminución de molestias y peligros para la salud pública en el área de servicio, mejoramientos en la calidad de las aguas receptoras, y aumentos en los usos beneficiosos de las aguas receptoras. Adicionalmente, la instalación de un sistema de recolección y tratamiento de las aguas servidas posibilita un control más efectivo de las aguas servidas industriales mediante su tratamiento previo y conexión con el alcantarillado público, y ofrece el potencial para la reutilización beneficiosa del efluente tratado y de los fangos. Los impactos indirectos del tratamiento de las aguas residuales incluyen la provisión de sitios de servicio para el desarrollo, mayor productividad y rentas de las pesquerías, mayores actividades y rentas turísticas y recreativas, mayor productividad agrícola y forestal o menores requerimientos para los fertilizantes químicos, en caso de ser reutilizado el efluente y los fangos, y menores demandas sobre otras fuentes de agua como resultado de la reutilización del efluente. De éstos, varios potenciales impactos positivos se prestan para la medición, por lo que pueden ser incorporados cuantitativamente en el análisis de los costos y beneficios de varias alternativas al planificar proyectos para las aguas servidas. Los beneficios para la salud humana pueden ser medidos, por ejemplo, mediante el cálculo de los costos evitados, en forma de los gastos médicos y días de trabajo perdidos que resultarían de un saneamiento
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defectuoso. Los menores costos del tratamiento de agua potable e industrial y mayores rentas de la pesca, el turismo y la recreación, pueden servir como mediciones parciales de los beneficios obtenidos del mejoramiento de la calidad de las aguas receptoras. En una región donde es grande la demanda de viviendas, los beneficios provenientes de proporcionar lotes con servicios pueden ser reflejados en parte por la diferencia en costos entre la instalación de la infraestructura por adelantado o la adecuación posterior de comunidades no planificadas. A menos que sean correctamente planificados, ubicados, diseñados, construidos, operados y mantenidos, es probable que los proyectos de aguas servidas tengan un impacto total negativo y no produzcan todos los beneficios para los cuales se hizo la inversión, afectando además en forma negativa a otros aspectos del medio ambiente.
5. PROBLEMAS SOCIOCULTURALES
Las instalaciones de tratamiento requieren tierra; su ubicación puede resultar en la repoblación involuntaria. Es más, las obras de tratamiento y eliminación pueden crear molestias en las cercanías inmediatas, al menos ocasionalmente. A menudo, las tierras y los barrios elegidos, corresponden a los "grupos vulnerables" que son los menos capacitados para afrontar los costos de la reubicación y cuyo ambiente vital ya está alterado. Se debe tener cuidado de ubicar las instalaciones de tratamiento y eliminación donde los olores o ruidos no molestarán a los residentes u otros usuarios del área, manejar la reubicación con sensibilidad, e incluir en el plan de atenuación del proyecto, provisiones para mitigar o compensar los impactos adversos sobre el medio ambiente humano. Si no se incluye estas consideraciones en la planificación del proyecto, existe el riesgo sustancial.
6. SISTEMAS DE BOMBEO
Los principales dispositivos, actualmente en uso, para la elevación de las aguas residuales son bombas eyectoras, bombas centrífugas y bombas helicoidales.
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6.1. EYECTORES NEUMÁTICOS
Los eyectores tienen la ventaja de poder recibir las aguas residuales sin cribado previo lo que no causa daño al sistema, están constituidos por una cámara metálica a la cual el agua residual es conducida directamente desde un colector alimentador. Cuando el nivel alcanza una altura determinada, automáticamente un comando eléctrico acciona un compresor que inyecta aire en la cámara con lo que el agua residual es impulsada a la tubería de salida. Las válvulas de entrada y salida también funcionan automáticamente no requiriéndose de operación manual alguna. Debido a que los eyectores funcionan con aire a presión es obvio que juntamente con la cámara receptora se debe instalar un compresor y eventualmente un recipiente de aire comprimido. El conjunto se debe complementar con la instalación de un tablero eléctrico de control. Las unidades menores son instaladas en compartimientos totalmente subterráneos. Según los catálogos de conocidas fábricas de otros países, los modelos usuales tienen capacidades para caudales comprendidos entre 2 y 20 L/s, para alturas manométricas que varían entre 3 y 15 m. La potencia del motor del compresor varía de 1,50 a 20 HP para instalaciones dotadas de compartimiento de aire comprimido y de 1,5 a 30 HP para las que no lo poseen. Excepto en pequeñas instalaciones, es recomendable que por lo menos los eyectores, sean instalados cada uno con capacidad suficiente para evacuar el caudal máximo previsto.
6.2. BOMBAS CENTRÍFUGAS
Las bombas centrífugas, accionadas por motores eléctricos o de combustión interna, son dispositivos de uso más frecuente y son fabricadas distintas varias capacidades. De un modo general presentan elevado rendimiento y son insustituibles cuando se deben salvar grandes alturas. Las bombas de este tipo, destinadas a bombear aguas residuales, están regidas por los mismos principios de las bombas centrífugas comunes utilizadas en el bombeo de agua
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limpia. Desde el punto de vista técnico, hay ciertas peculiaridades que caracterizan a las bombas para aguas residuales. Por el hecho de impulsar líquidos sucios que contienen materias en suspensión, deben poseer un tipo especial de rotor (impulsor), además de registros de inspecciones junto a las bocas de entrada y de salida para permitir su limpieza. Las especificaciones técnicas para proyectos, recomiendan generalmente que las bombas centrífugas para aguas residuales tengan aberturas que permitan el paso de objetos o materiales sólidos con diámetro especial, de tipo tubular o abierto. Las bombas deben generalmente trabajar ahogadas, esto es con carga en la entrada, de manera que el funcionamiento, en su inicio, se produzca sin la necesidad de la operación previa de cebado. De ésta manera se obtienen las siguientes ventajas:
1. Prescindir de la válvula de pie, cuyo funcionamiento sería deficiente, con líquidos que contienen sólidos.
2. Se facilitan las condiciones para la automatización del funcionamiento del equipo de bombeo. En la mayoría de los casos, las bombas centrífugas para aguas residuales utilizadas en estaciones elevatorias, trabajan en forma intermitente, debido a la oscilación de los caudales de llegada, es por esto que es recomendable lograr que la operación sea totalmente automatizada. Entre los tipos de bombas centrífugas para aguas residuales que se utilizan en estaciones elevatorias, se destacan las siguientes:
a. De eje horizontal. b. De eje vertical para instalación en pozo húmedo, esto es, dentro del pozo de bombeo. c. De eje vertical para instalación en pozo seco. d. Conjunto motor-bomba sumergible. Las bombas de eje vertical de los tipos b y c ofrecen, frente a los otros tipos, la ventaja de poder ser operadas por motores instalados en niveles superiores libres de posibles inundaciones. La longitud del eje de accionamiento, que no debe ser exagerado, y los problemas de su mantenimiento, son aspectos que deben ser examinados convenientemente en la Fase de Proyecto. El tipo conocido de motor-bomba sumergible, engloba en una sola carcasa, la bomba centrífuga propiamente dicha y el motor eléctrico de accionamiento. Fijado en el eje guía, puede ser accionado hacia arriba o hacia abajo por medio de una cadena de
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suspensión. Para determinar la capacidad de una bomba centrífuga y seleccionar el modelo correspondiente, es necesario como en el caso de agua limpia, conocer fundamentalmente el caudal de bombeo y la altura dinámica total.
6.3. BOMBAS TORNILLO
Las bombas helicoidales constituyen una modernización del llamado tornillo de Arquímedes. En los últimos años, su uso se ha intensificado principalmente en Europa. Su funcionamiento es al aire libre, y por tanto a presión atmosférica. La altura que se puede vencer, equivale al desnivel existente entre las extremidades del tornillo, colocado en suposición de funcionamiento. Son recomendadas para grandes caudales y pequeñas alturas de elevación. Para este tipo de bombas no hay necesidad de calcular la altura dinámica, solamente se requiere el desnivel geométrico entre la cota mínima alcanzada por las aguas residuales en la cámara de llegada y la cota del canal receptor o cámara de salida. La capacidad de bombeo, en términos de caudal, es definida de modo general por el diámetro del tornillo y la velocidad de retención. La potencia absorbida es calculada por la fórmula general utilizada en bombas centrífugas.
Donde:
P = Potencia absorbida en H.P. Q = Caudal de bombeo L/s. Hest = Altura estática de elevación. N = Rendimiento (65 a 70 %) El rendimiento es relativamente bajo, debido principalmente a fugas que se verifican en la separación existente entre la hélice y la canaleta que la contiene.
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7. ÓSMOSIS
Fenómeno físico relacionado con el movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión simple a través de la membrana, sin gasto de energía. La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo celular de los seres vivos, ver figura 22. Se denomina membrana semipermeable a aquella estructura que contiene poros o agujeros, al igual que cualquier filtro, de tamaño molecular. El tamaño de los poros es tan minúsculo que deja pasar las moléculas pequeñas pero no las grandes, normalmente del tamaño de micrómetros. Por ejemplo, deja pasar las moléculas de agua, que son pequeñas, pero no las de azúcar, que son más grandes. Si una membrana como la descrita separa un líquido en dos particiones, una de agua pura y otra de agua con azúcar, suceden varias cosas, explicadas a fines del siglo XIX por Van't Hoff y Gibbs empleando conceptos de potencial electroquímico y difusión simple, entendiendo que este último fenómeno implica no sólo el movimiento al azar de las partículas hasta lograr la homogénea distribución de las mismas y esto ocurre cuando las partículas que vienen se equiparan con las que aleatoriamente van, sino el equilibrio de los potenciales químicos de ambas particiones. Los potenciales químicos de los componentes de una solución son menores que la suma del potencial de dichos componentes cuando no están ligados en la solución. Este desequilibrio, que está en relación directa con la osmolaridad de la solución, genera un flujo de partículas solventes hacia la zona de menor potencial que se expresa como presión osmótica mensurable en términos de presión atmosférica, por ejemplo: "existe una presión osmótica de 50 atmósferas entre agua desalinizada y agua de mar". El solvente fluirá hacia el soluto hasta equilibrar dicho potencial o hasta que la presión hidrostática equilibre la presión osmótica. El resultado final es que, aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración y viceversa, hay un flujo neto mayor de moléculas de agua que pasan desde la zona de baja concentración a la de alta. Dicho de otro modo: dado suficiente tiempo,
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parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración. Las moléculas de agua atraviesan la membrana semipermeable desde la disolución de menor concentración, disolución hipotónica, a la de mayor concentración, disolución hipertónica. Cuando el trasvase de agua iguala las dos concentraciones, las disoluciones reciben el nombre de isotónicas.
Figura 22. Ósmosis
7.1. FUNDAMENTO FÍSICO
Es un sistema binario reaccionante, en que los componentes no acarrean carga eléctrica y existe una temperatura uniforme e igual para dos reservorios, se tiene que la producción de entropía es la combinación lineal de productos entre flujos y fuerzas del sistema:
Donde los flujos son simplemente el flujo de difusión relativo del compuesto 1 y el flujo relativo de velocidades de los componentes:
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Las fuerzas termodinámicas son diferencias entre magnitudes intensivas entre los dos reservorios: potencial químico y presión
Las leyes fenomenológicas son:
De lo que se deduce, para una situación estacionaria (j v = 0) que una diferencia de concentraciones en los depósitos provoca una diferencia de presiones y viceversa. Son los fenómenos de ósmosis y ósmosis inversa, dados por la relación:
A la diferencia de presiones Δ p
que provoca una determinada diferencia de
concentración Δc1 se denomina presión osmótica.
7.2. ÓSMOSIS INVERSA
Lo descrito hasta ahora ocurre en situaciones normales, en que los dos lados de la membrana estén a la misma presión; si se aumenta la presión del lado de mayor concentración, puede lograrse que el agua pase desde el lado de alta concentración al de baja concentración de sales.
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Se puede decir que se está haciendo lo contrario de la ósmosis, por eso se llama ósmosis inversa. Téngase en cuenta que en la ósmosis inversa a través de la membrana semipermeable sólo pasa agua. Es decir, el agua de la zona de alta concentración pasa a la de baja concentración. Si la alta concentración es de sal, por ejemplo agua marina, al aplicar presión, el agua del mar pasa al otro lado de la membrana. Sólo el agua, no la sal. Es decir, el agua se ha desalinizado por ósmosis inversa, y puede llegar a ser potable, ver figura 23.
Figura 23. Ósmosis Inversa
8. DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO)
La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) es una prueba usada para la determinación de los requerimientos de oxígeno para la degradación bioquímica de la materia orgánica en las aguas municipales, industriales y en general residual; su aplicación permite calcular los efectos de las descargas de los efluentes domésticos e industriales sobre la calidad de las aguas de los cuerpos receptores. Los datos de la prueba de la DBO se utilizan en ingeniería para diseñar las plantas de tratamiento de aguas residuales.
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La prueba de la DBO es un procedimiento experimental, tipo bioensayo, que mide el oxígeno requerido por los organismos en sus procesos metabólicos al consumir la materia orgánica presente en las aguas residuales o naturales. Las condiciones estándar del ensayo incluyen incubación en la oscuridad a 20 ºC por un tiempo determinado, generalmente cinco días. Las condiciones naturales de temperatura, población biológica, movimiento del agua, luz solar y la concentración de oxígeno no pueden ser reproducidas en el laboratorio. Los resultados obtenidos deben tomar en cuenta los factores anteriores para lograr una adecuada interpretación. Las muestras de agua residual o una dilución conveniente de las mismas, se incuban por cinco días a 20 ºC en la oscuridad. La disminución de la concentración de oxígeno disuelto (OD), medida por el método Winkler o una modificación del mismo, durante el periodo de incubación, produce una medida de la DBO.
8.1. DETERMINACIÓN RESPIROMÉTRICA DBO CON OXI700 DE ORBECOHELLIGE
El sistema sensor OXI700 de Orbeco-Hellige para 6 puntos de medición permite el análisis cómodo y exacto de la demanda bioquímica de oxigeno (DBO) por el principio respirométrico. El oxígeno consumido se determina mediante reducción de presión dentro del sistema de medición cerrado de DBO. Debido al uso de modernos sensores de presión, se ha podido prescindir del nocivo mercurio, ver figura 24.
Figura 24. OXI700 de Orbeco-Hellige
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8.1.1. CAMPOS DE MEDICIÓN Y VOLUMEN DE PRUEBA
El valor DBO de una prueba dependerá de la concentración de sustancias orgánicas y puede diferir bastante. Por ello el sistema DBO Orbeco-Hellige está adaptado a los volúmenes de prueba dependiendo del campo de medición según la siguiente tabla. De ella resulta un campo de medición total de 0 – 4000 mg/l. Durante la determinación DBO las bacterias consumen el oxígeno disuelto en la prueba de agua residual. Este oxígeno consumido, es reemplazado por el oxígeno, que se encuentra en la cámara de aire de la botella de prueba. El dióxido de carbono producido queda combinado químicamente por una solución de hidróxido de potasio, que se encuentra dentro de un pequeño depósito en el interior de la botella. Por ello se produce un descenso de la presión. El descenso de presión es directamente proporcional al valor de DBO que es registrado por el sensor DBO Orbeco-Hellige. El valor de DBO se visualizará directamente en mg/l. Los valores de DBO se pueden visualizar en la pantalla, sin tener que convertirlos con complicados factores, como valores de DBO en mg/l. De esta manera es posible, por ejemplo, calcular una serie de mediciones que por ejemplo han concluido en domingo, en la semana siguiente. Atendiendo a las distintas aplicaciones podrá seleccionar el período de medición entre 1 y 28 días. Mientras algunas determinaciones para aplicaciones científicas son de corto período de medición, los análisis regulares de DBO se extienden a un período de 5 días. Por ejemplo, una determinación respirométrica con un período de medición de 28 días se realizará en una determinación OECD.
8.1.2. VALORACIÓN DE LOS ANÁLISIS
El sistema de medición OXI700 Orbeco-Hellige registra con un tiempo de medición total de 24 horas, con cada hora un valor. Con un tiempo de medición de 48 horas se registra
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y se memoriza un valor analizado cada 2 horas. Con un período de medición entre 3 y 28 días, se registra un valor analizado cada 24 horas. Tanto los valores momentáneos como memorizados pueden ser consultados en cualquier momento. En el diagrama se representa un ejemplo de la valoración de DBO5. Se puede reconocer sencillamente el proceso de desarrollo de DBO en un tiempo de medición de 5 días.
Valoración Visualización: 150 mg/ l 1er día do 220 mg/ l 2 día er 240 mg/ l 3 día 250 mg/ l 4to día to 260 mg/ l 5 día
Tabla 4. Valorización de Análisis
8.1.3. FUNCIÓN AUTO-INICIO
Debido a variaciones preliminares de temperaturas de las pruebas, se producen cambios de presión dentro del sistema de medición durante la temperaturización de las pruebas en el armario termostato, por ejemplo con 20 °C, para la determinación de DBO Estos cambios producirán errores en la determinación respirométrica. El OXI700 OrbecoHellige posee una función de auto inicio para evitar estos fallos. La determinación comenzará una vez la temperatura de las pruebas coincidan con las pruebas en el armario termostato. Con ello se eliminan grandes variaciones de temperatura y con ello fluctuaciones de presión, los cuales no tienen nada que ver con la determinación respirométrica.
8.1.4. SISTEMA DE MEDICIÓN COMPLETO OXI700
Aparte del sistema en sí de medición DBO para la determinación y memorización de valores DBO, el sistema OXI700 Orbeco-Hellige contiene botellas de prueba y cabezales de
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medición con un sistema inductivo de agitar resistente al desgaste, matraz aforado de rebose para la diferencia de volumen de prueba, inhibidor de nitrificación con hidróxido de potasio como absorbente. Para confirmar el correcto funcionamiento del OXI700 recomendamos el uso del Test. Este Test contiene tabletas de test 8 BOD CM1, que causan un consumo definido de Oxígeno. Las tabletas son fáciles de usar. Simplemente coloque una tableta en el frasco de BOD, arranque el proceso de medición, lea el valor de BOD después de cinco días y compare con el valor definido. Si este valor está dentro del margen de tolerancia, significa que el equipo está funcionando correctamente.
9. DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO)
La demanda química de oxígeno (DQO) es un parámetro que mide la cantidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios químicos que hay disueltas o en suspensión en una muestra líquida. Se utiliza para medir el grado de contaminación y se expresa en miligramos de oxígeno diatómico por litro (mgO 2/l). Aunque este método pretende medir principalmente la concentración de materia orgánica, sufre interferencias por la presencia de sustancias inorgánicas susceptibles de ser oxidadas (sulfuros, sulfitos, yoduros), que también se reflejan en la medida. Es un método aplicable en aguas continentales (ríos, lagos o acuíferos), aguas negras, aguas pluviales o agua de cualquier otra procedencia que pueda contener una cantidad apreciable de materia orgánica. Este ensayo es muy útil para la apreciación del funcionamiento de las estaciones depuradoras.
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9.1. PROCEDIMIENTO
DE
ENSAYO
(MÉTODO
DEL
DICROMATO
POTÁSICO)
El procedimiento se basa en la oxidación de la materia utilizando dicromato potásico como oxidante en presencia de ácido sulfúrico e iones de plata como catalizador. La disolución acuosa se calienta bajo reflujo durante 2 h a 150 °C. Luego se evalúa la cantidad del dicromato sin reaccionar titulando con una disolución de hierro (II). La demanda química de oxígeno se calcula a partir de la diferencia entre el dicromato añadido inicialmente y el dicromato encontrado tras la oxidación. Basándose en el mismo principio se puede utilizar la espectroscopia ultravioleta-visible, mediante mediciones fotométricas del color producido por la reducción del dicromato a ion cromo (III) (Cr +3) posterior a la digestión.
9.2. MEDIDOR DQO HI-83214
El medidor DQO HI-83214 es ideal para la medición diaria de la demanda química de oxígeno. Este medidor DQO sirve para determinar, por ejemplo, la demanda química de oxígeno en aguas residuales industriales. Las autoridades sanitarias locales son las encargadas de fijar los valores iniciales de la demanda química de oxígeno, ver figura 25.
Figura 25. Medidor DQO HI-83214
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- Gran pantalla LCD - Interfaz RS-232 - Alta precisión - Consideración del tiempo de reacción - Con batería o con adaptador de 12 V para - Tecla de selección de los parámetros de corriente de 230 V medición Especificaciones técnicas ver tabla al respecto situada más abajo Rangos de medición 3 lámparas de volframio con filtros Fuente de luz para longitudes de onda de 420 / 525 / 610 nm 4 fotocélulas de silicona Detector de la luz 2 baterías de 9 V o adaptador de red de 12 V Alimentación máx.. 50 °C, máx.. 95 % H.r. Temperatura ambiental 230 x 170 x 70 mm Dimensiones 640 Peso
Tabla 5. Especificaciones del DQO HI-83214 9.3. REACTIVOS PARA LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO
El fotómetro dispone de diferentes rangos de medición que hacen posible determinar el valor de la demanda química de oxígeno según la EPA 410.4 y la ISO 15705:2002. La concentración puede variar según la aplicación. Existen dos o tres equipos de reactivos diferentes a elegir que garantizan una alta precisión en la medición. Cada equipo se compone de 25 pruebas de cubeta.
Las cubetas de medición tienen 16 mm de diámetro y contienen 3 ml de reactivo. Para realizar la medición sólo hay que añadir 2 ml de muestra.
Las cubetas de medición son de cristal de alta calidad. Dichas cubetas se entregan en un embalaje especial de transporte para protegerlas de posibles daños.
Las cubetas preparadas con reactivos reducen la carga de trabajo al mínimo y hacen posible un manejo seguro en la determinación de la demanda química de oxígeno.
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9.3.1. RANGO DE MEDIDAS
Parámetro Necesidad O2 baja (ISO 15705) Necesidad O2 media (ISO 15705) Necesidad O2 baja (EPA) Necesidad O2 media (EPA) Necesidad O2 alta Necesidad O2 baja (sin mercurio) Necesidad O2 media (sin mercurio)
Rango medición
Resolución
Precisión
0 ... 150 mg/l O 2
1 mg/l O2
± 4 mg/l
0 ... 1000 mg/l O2
1 mg/l O2
± 22 mg/l
0 ... 150 mg/l O 2
1 mg/l O2
± 4 mg/l
0 ... 1500 mg/l O2
1 mg/l O2
± 22 mg/l
1500...15000 mg/l O 2
10 mg/l O2
± 220 mg/l
0 ... 150 mg/l O 2
1 mg/l O2
± 6 mg/l
0 ... 1500 mg/l O2
1 mg/l O2
± 30 mg/l
Tabla 6. Rango de medidas del DQO HI-83214
10. CARBONO ORGÁNICO TOTAL
Se denomina Carbono Orgánico Total al carbón que forma parte de las sustancias orgánicas de las aguas superficiales. Actualmente existen muchas sustancias naturales y artificiales que contribuyen a incrementar los niveles de TOC en el ambiente, no obstante, esta sustancia puede ser descompuesta por microorganismos, durante el proceso de consumo de oxígeno.
En el laboratorio se puede calcular directamente la cantidad de Carbono Orgánico Total en una muestra de agua, a través de la medición de la cantidad del dióxido de carbono que se libera después del tratamiento con oxidantes químicos.
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10.1. FORMA DE MEDICIÓN
Por oxidación. LAR AG ofrece un método único y patentado de oxidación a alta temperatura a 1200 ºC. Esta temperatura permite la oxidación completa de todos los compuestos de carbono sin la ayuda de catalizadores. Puede medir concentraciones de TOC hasta 50.000 mg/l sin necesidad de dilución. En un reactor cerámico especial, resistente al calor, la muestra de agua se evapora y todos los compuestos de carbono son oxidados completamente a CO 2. Posteriormente, la concentración de CO 2 se analiza con un detector infrarrojo no dispersivo (NDIR). De este modo, TC, TOC y TIC pueden ser determinados en tan solo 3 minutos.
Detección. El monitoreo de la conductividad es la medición más económica y común para la detección de contaminantes iónicos (usualmente minerales). La conductividad detectará la presencia de ácidos y bases orgánicas, pero no es sensible a la mayoría de los otros contaminantes orgánicos. Por esta razón, los analizadores de TOC oxidan la materia orgánica mediante una luz UV (185nm) que rompe los enlaces de carbono-carbono mediante la generación de hidroxilos para producir agua y dióxido de carbono que puede ser detectado. En su forma iónica, el ácido carbónico es fácilmente detectado por la conductividad en agua pura. El aumento de la conductividad después de la oxidación, entrega una medida de la cantidad de ácido carbónico producido. Con una adecuada calibración y correlación proporcionará una lectura en ppb (partes por billón) de TOC. Algunos fabricantes (principalmente europeos) han desarrollado un analizador de TOC basado en la oxidación ultravioleta de un flujo continuo de muestra. Los compuestos orgánicos son oxidados con dióxido de carbono, y las mediciones de conductividad son hechas tanto aguas arriba como aguas abajo de la radiación ultravioleta (UV) que genera la lámpara. La primera medición entrega la conductividad de los contaminantes en la muestra, mientras que la segunda detecta el incremento de la conductividad debido al dióxido de carbono producido. Las mediciones de conductividad y sus diferencias son comparadas usando una curva de TOC.
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En ésta se muestra el paso del flujo por este tipo de sensores de TOC: la oxidación toma lugar en una bobina de cuarzo que rodea la lámpara UV. Se puede observar que no hay válvulas de solenoide, membranas o reactivos, por lo que el tiempo de respuesta es particularmente rápido, tomando sólo 60 segundos para que la muestra pase desde la entrada hasta el segundo sensor de conductividad. El diseño simple reduce en gran medida el mantenimiento y el reemplazo de la lámpara. Esta tecnología es usada sólo en agua pura con conductividad menor o igual a 2 microsiemens por centímetro (uS/cm) y con un TOC de 0,05 a 1000 partes por billón (ppb). La alcalinidad también debería ser mucho menor que la concentración de TOC, ya que neutraliza la oxidación y el esperado aumento de la conductividad. Por esta razón, esta tecnología es recomendada al final del sistema de tratamiento de agua.
10.2. EFECTOS SOBRE LA SALUD HUMANA Y EL MEDIO AMBIENTE
No existe conocimiento de que el Carbono Orgánico Total provoque efectos adversos sobre la salud humana. Sin embargo, elevadas concentraciones de TOC en las aguas superficiales genera una disminución muy importante del oxígeno disuelto, teniendo como consecuencia la pérdida de biodiversidad marina.
11. PH
El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones hidronio [H 3O]+ presentes en determinadas disoluciones. En disolución acuosa, la escala de pH varía, típicamente, de 0 a 14. Son ácidas las disoluciones con pH menores que 7 (el valor del exponente de la concentración es mayor, porque hay más iones en la disolución) y alcalinas las de pH superiores a 7. Si el disolvente es agua, el pH = 7 indica neutralidad de la disolución.
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11.1. PH METRO
El pH-metro es un sensor utilizado en el método electroquímico para medir el pH de una disolución. La determinación de pH consiste en medir el potencial que se desarrolla a través de una fina membrana de vidrio que separa dos soluciones con diferente concentración de protones. En consecuencia se conoce muy bien la sensibilidad y la selectividad de las membranas de vidrio delante el pH, ver figura 26. Una celda para la medida de pH consiste en un par de electrodos, uno de calomel (mercurio, cloruro de mercurio) y otro de vidrio, sumergidos en la disolución en la que queremos encontrar el pH. La varita de soporte del electrodo es de vidrio común y no es conductor, mientras que el bulbo sensible, que es el extremo sensible del electrodo, está formado por un vidrio polarizable (vidrio sensible de pH). Se llena el bulbo con la solución de ácido clorhídrico 0.1N saturado con cloruro de plata. El voltaje en el interior del bulbo es constante, porque se mantiene su pH constante (pH 7) de manera que la diferencia de potencial solo depende del pH del medio externo.
Figura 26. pH metro
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11.1.1. MANTENIMIENTO
El electrodo de vidrio es relativamente inmune a las interferencias del color, turbidez, material coloidal, cloro libre, oxidante y reductor. La medida se afecta cuando la superficie de la membrana de vidrio está sucia con grasa o material orgánico insoluble en agua, que le impide hacer contacto con la muestra, por lo tanto, se recomienda la limpieza escrupulosa de los electrodos. Los electrodos tienen que ser enjuagados con agua destilada entre muestras. No se tienen que secar con un trapo, porque se podrían cargar electrostáticamente. Luego se deben colocar suavemente sobre un papel, sin pelusa, para quitar el exceso de agua.
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Diagrama de Proceso de Tratamiento de Aguas Residuales Alfonzo Rivas & Cia.
Figura 27. PTER Alfonzo Rivas & Cia.
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CONCLUSIÓN
Antiguamente, cuando la densidad de población era muy baja, las aguas residuales eran devueltas directa mente a sus cauces. Pero en ese entonces no existía la amplia gama de productos químicos que hay actualmente, como detergentes, disolventes, pinturas, medicamentos, entre otros.
El rápido crecimiento de las ciudades y la construcción de nuevos espacios, son otras de las situaciones que pueden poner en peligro el medio ambiente. Con la creciente necesidad