Potabilización y Tratamiento de Aguas Residuales Mario Báez Vázquez
Tratamiento Secundario Introducción El tratamiento secundario es el proceso complementario de la depuración de las aguas residuales, consistente en una serie de operaciones y procesos físicos, químicos y biológicos a los que se someten los efluentes del tratamiento primario. Ya que dichos efluentes primarios contienen aún sólidos finos, sedimentables sedimentables,, coloides y disueltos, los cuales cuales deben deben ser separados para obtener un agua apropiada para otros usos o para su disposición final en cuerpos receptores. El tratamiento secundario agrupa los procesos y operaciones unitarias, capaces de eliminar los sólidos que aún contienen los efluentes primarios, los procesos utilizados en este tratamiento se clasifican en aerobios y anaerobios. Sedimentador primario
Efluente primario
Lodos
Los subproductos de la descomposición aeróbica son estables e inofensivos, en cambio los de la anaeróbica son en parte inestables y en parte molestos y poco agradables. La descomposición anaeróbica debe explotarse dentro de un sistema cerrado y se aplica más al tratamiento y acondicionamiento acondicionamiento de lodos o, digamos en aquellos casos en donde la materia orgánica es bastante concentrada. concentrada. Por lo tanto el tratamiento secundario secundario es, casi invariablemente del tipo aeróbico. Subproductos de los Procesos de Descomposición Descomposición de la Materia Materia Orgánica de las Aguas Residuales
Aeróbicos CO2 = Bióxido de carbono NO2 = Nitritos NO3 = Nitratos SO4 = Sulfatos
Anaeróbicos H2S = Ácido Ácido sulfhídrico sulfhídrico CH4 = Metano H = Hidrógeno N = Nitrógeno C8H7N = Indol C9H9N = Scatol C6H5SH = Mercaptano N6H14N2 = Cadaverino
Procesos y Sistemas Utilizados en el Tratamiento Secundario
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Tipo de Tratamiento Tratamiento Fisicoquímico
Procesos o Sistemas Procesos • • •
Tratamiento Biológico
Floculación Precipitación química Coagulación química
Sistemas Aerobios •
Microorganismos en suspensión -
•
Microorganismos adheridos a un medio fijo -
•
Lodos activados Lagunas aireadas Zanjas de oxidación Filtros percoladores Biodiscos
Combinación -
Medio granular fluidizado Torres de madera resistente Lodos activados con medio fijo
Sistemas Anaerobios Microorganismos en suspensión •
•
•
Microorganismos adheridos a un medio Filtro anaerobio Combinación -
Lagunas de Estabilización
• • • • •
Zanjas de Oxidación
• • • • • •
Tratamiento en contacto anaerobio Lecho fluidizado
Medio granular fluidizado
Aerobias Anaerobias Facultativas Aireadas Fotosintéticas Tipo I: Canal simple Tipo II: Canal duplex Tipo III: Canal doble Tipo IV: Admisión y extracción continuas con dos fosas Tipo V: Con sedimentador sedimentador concentrico concentrico Tipo VI: Con sedimentador secundario
Tratamientos Físico-químicos El desarrollo industrial ha generado una diversidad de residuos industriales que es necesario tratar para recuperar subproductos, disminuir contaminación de las aguas y de suelo, esto originó el desarrollo de los procesos físico-químicos para el tratamiento de las aguas residuales, muchos de ellos orientados a la remoción de sustancias contaminantes específicas como: metales pesados, fosfatos, nitrógeno, sales, minerales, grasas y productos orgánicos sintéticos. Los procesos físico – químicos se utilizan para favorecer la sedimentación de la materia en suspensión, y más útiles para eliminar la materia coloidal y sólidos orgánicos disueltos, la mayoría de las veces responsables de la turbidez, color, DBO en las aguas, los cuales sin sustancias químicas no hay reacción de sedimentación. Por anterior estos procesos son más costosos.
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Tipo de Tratamiento Tratamiento Fisicoquímico
Procesos o Sistemas Procesos • • •
Tratamiento Biológico
Floculación Precipitación química Coagulación química
Sistemas Aerobios •
Microorganismos en suspensión -
•
Microorganismos adheridos a un medio fijo -
•
Lodos activados Lagunas aireadas Zanjas de oxidación Filtros percoladores Biodiscos
Combinación -
Medio granular fluidizado Torres de madera resistente Lodos activados con medio fijo
Sistemas Anaerobios Microorganismos en suspensión •
•
•
Microorganismos adheridos a un medio Filtro anaerobio Combinación -
Lagunas de Estabilización
• • • • •
Zanjas de Oxidación
• • • • • •
Tratamiento en contacto anaerobio Lecho fluidizado
Medio granular fluidizado
Aerobias Anaerobias Facultativas Aireadas Fotosintéticas Tipo I: Canal simple Tipo II: Canal duplex Tipo III: Canal doble Tipo IV: Admisión y extracción continuas con dos fosas Tipo V: Con sedimentador sedimentador concentrico concentrico Tipo VI: Con sedimentador secundario
Tratamientos Físico-químicos El desarrollo industrial ha generado una diversidad de residuos industriales que es necesario tratar para recuperar subproductos, disminuir contaminación de las aguas y de suelo, esto originó el desarrollo de los procesos físico-químicos para el tratamiento de las aguas residuales, muchos de ellos orientados a la remoción de sustancias contaminantes específicas como: metales pesados, fosfatos, nitrógeno, sales, minerales, grasas y productos orgánicos sintéticos. Los procesos físico – químicos se utilizan para favorecer la sedimentación de la materia en suspensión, y más útiles para eliminar la materia coloidal y sólidos orgánicos disueltos, la mayoría de las veces responsables de la turbidez, color, DBO en las aguas, los cuales sin sustancias químicas no hay reacción de sedimentación. Por anterior estos procesos son más costosos.
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Floculación Antecedentes El término floculación se refiere a la aglomeración de partículas coaguladas en partículas floculentas. De la misma manera que la coagulación, la floculación es influenciada por fuerzas químicas y físicas tales como la carga eléctrica de las partículas, la capacidad de intercambio, el tamaño y la concentración concentración de los electrolitos, el pH y la temperatura. En la floculación, una vez introducido y mezclado el coagulante, las partículas diminutas coaguladas son puestas en contacto una con otra y con las demás partículas presentes mediante una agitación lenta prolongada, durante durante la cual las partículas se aglomeran e incrementan su tamaño y adquieren mayor densidad. Las aguas blandas se floculan mejor en un ámbito de pH entre 5.8 y 6.4. Cuando las aguas son duras deben flocularse flocularse un pH entre 6.8 y 7.8, generalmente cuando cuando se agrega el coagulante a el agua se produce una reacción entre la sustancia y las partículas coloidales, los materiales alcalinos que se encuentran en el agua son muy eficaces para eliminar la turbiedad y la absorción del color, cuando no hay suficiente alcalinidad alcalinidad en el agua que se va a flocular, es necesario agregar agregar cal o sosa calcinada para elevar elevar el pH, y cuando se quiere flocular flocular en medio ácido para eliminar el color debe debe agregarse un ácido para bajar el pH. Posteriormente se ajusta el pH del agua independientemente de su condición para un uso posterior. El floculador, es por lo tanto, un tanque con una velocidad de mezcla(lenta, intermedia y rápida), con un periodo de retención relativamente prolongado.
Tipos de Floculadotes Hidráulicos • •
Flujo horizontal Flujo vertical
Mecánicos • • • • •
Paletas de eje vertical Paletas de eje horizontal Turbina Estanques de corriente en espiral hacia adentro Mezcla rápida
Floculadores hidráulicos Los más comunes son los de flujo horizontal y vertical, funcionan con un velocidad adecuada y con un número apropiado de bafles para asegurar suficientes curvas para asegurar una floculación efectiva. Floculadores hidráulicos de flujo horizontal En Estos estanques, el agua fluye en torno a los extremos de las pantallas. Los muros del estanque son de hormigón armado y tienen surcos para la inserción de pantallas de madera ajustables, para cambiar cambiar las velocida velocidades des de agitación agitación cuando sea necesario necesario,, puesto puesto que la fuerza fuerza óptima de
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agitac agitación ión depen depende de de: caract caracterí erísti sticas cas del agua, agua, clase clase de produc producto to quími químico, co, dosifi dosifica cació ciónn del del coagulante, temperatura del agua, tiempo de coagulación y de la velocidad de flujo. Para lo anterior se tiene un tanque como el que se muestra a continuación: Las experiencias experiencias en la operación de los sistemas de floculación, sugieren velocidades velocidades dependiendo dependiendo de la turbiedad del agua: de 0.40 m/seg. para aguas muy turbias, de 0.30 m/seg. para aguas aguas con turbie turbiedad dad interme intermedia dia y de 0.25 0.25 m/seg. m/seg. para aguas aguas de baja baja turbied turbiedad, ad, cuand cuandoo la turbiedad es muy variable la velocidad se calcula para una turbiedad media.
Floculadores hidráulicos de de flujo vertical Estos estanques son similares a los de pantallas horizontales, salvo que el agua fluye verticalmente por encima encima y por abajo abajo a través través de una serie de pantallas pantallas adyacen adyacentes. tes. La única diferenc diferencia ia de importancia entre ambos es la dirección de la corriente, sus ventajas y desventajas son virtualmente las mismas en ambos tanques, tanques, solamente solamente que la subida y bajada bajada de las aguas lo hace hace ser más efectivo para conservar una mezcla más homogénea homogénea de de las partículas en suspensión. suspensión. Estanques Estanques de este tipo se muestra en la siguiente figura.
Floculadores mecánicos Se introduce potencia a el agua para asegurar una mezcla lenta mediante agitadores mecánicos. El tipo de agitador mecánico más utilizado es el de paleta, ya sea de eje horizontal o vertical, las cuales imparten un movimiento rotatorio al agua así como cierta turbulencia interna.
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Floculadores de paletas de eje horizontal La formación de floculos requiere de un mezclador más lento y suave para el acondicionamiento, para ello se disponen de agitadores formados por una serie de paletas colocadas transversalmente a lo largo y ancho del tanque. Estas paletas están dispuestas de tal modo que comunican al agua un movimiento de rotación, y así los copos en formación pasan por todas las capas del agua y aumenta el número de contactos mutuos y con nuevas materias en suspensión.
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Floculadores de Paletas de Eje Horizontal Generalmente, se disponen de dos o más hileras de paletas, con pantallas entre ellas para provocar la circulación vertical del agua. Las paletas son movidas por un motor, montado en la pared del tanque con una transmisión de cadenas a los ejes de las paletas. El diseño de los tanques de mezcla, son determinados después de las investigaciones de ingeniería, los cuales pueden ser de acero o concreto y de diferentes formas: cuadrados, rectangulares o circulares. La experiencia ha demostrado que, normalmente se necesita un tiempo de floculación de entre 30 y 45 minutos según las características del agua.
Floculadores mecánicos de mezcla rápida La ventaja principal de la mezcla mecánica sobre los demás sistemas es que permite mantener en estado de movimiento del agua, independientemente del ritmo de bombeo o de filtración, además de facilitar el ajuste de la velocidad de floculación, como observa en el tanque de la figura siguiente. En estos sistemas el agua es agitada por medios mecánicos, los sistemas de agitación mecánica fueron adoptados una vez que se reconoció el valor de un periodo prolongado de agitación del agua, capaces de provocar una fuerte turbulencia que se necesita para la mezcla y de producir una agitación leve que se debe utilizar para la floculación.
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Hay varios mecanismos para producir el grado de agitación adecuado. Los mezcladores rápidos o instantáneos tienen un diámetro reducido, de 0.90 a 3.0 m. y giran en un plano horizontal alrededor de un eje vertical, como se observa en el siguiente esquema.
El tiempo de mezcla es entre 10 y 13 segundos, la función de la agitación rápida es dispersar el coagulante por toda la masa de agua para lograr un contacto íntimo e inmediato. No es conveniente la formación de copos en los mezcladores rápidos.
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Floculadores de turbina Los floculadores de este tipo son de forma circular y en ellos la agitación se logra al introducir el agua tangencialmente en la periferia. El diámetro de estos estanques están entre 7 a 10 m. y con profundidades de entre 3 a 5 m. Los productos químicos se introducen por la tubería de agua cruda y comienza una mezcla rápida en la línea de entrada. La mezcla es más lenta al entrar por la tangente del agua en la parte superior del estanque, el agua floculada sale del estanque por ranuras horizontales provistas de pantallas cerca del fondo, como puede observarse en el esquema donde las unidades de agitación de turbina o paletas imparten movimiento rotatorio al agua generando cierta turbulencia interna.
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Consideraciones de Diseño La principal información formulada para el diseño de mezcladores rápidos, radica en la importancia de dispersar uniformemente el coagulante en el agua cruda, de manera que el tiempo y el grado de mezcla son considerados como los factores más importantes en el diseño .
Ecuaciones de Diseño El modelo básico de diseño, fue formulado por Camp y Stein en 1943, Considerando que el gradiente de velocidad es ampliamente adecuado, como un factor energético para calcular los requerimientos de la mezcla., los cuales se calculan con las siguientes ecuaciones: gH ½ ------vT
Mezcladores Hidráulicos:
G=
Mezcladores Mecánicos:
P ½ G = -------µV
ρgH -------μT
½ =
ΨH ------µT
½
Donde: G = Gradiente de velocidad, S –1 g = Aceleración de la gravedad, m/S2 H = Pérdida de energía debida a la fricción, m v = Viscosidad cinemática del agua, m 2/S T = Tiempo de retención, S P = Potencia introducida al agua, W V = Volumen del tanque, m3 µ = Viscosidad dinámica del agua, Ns/m 2, Kg/m s, Pa.s ψ = Peso específico del agua, N/m3 ρ = Densidad del agua, Kg/m3
Según Roshton La potencia requerida para establecer condiciones de turbulencia completa en un tanque de mezcla rápida, N RE > 100,000, se puede determinar por la siguiente relación: P = KρN3d5 y NRE = ρNd2/µ
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VALORES DE K PARA IMPULSORES EN TANQUES CON BAFLES Y RÉGIMEN TURBULENTO
Donde: P = Potencia requerida, W K = Constante ρ = Densidad del agua, Kg/m 3 D = Diámetro del impulsor, m N = Velocidad del impulsor, revoluciones /seg. NRE= No. de Reynolds µ = Viscosidad dinámica, Ns/m 2, Kg/ms, Pa.s
IMPULSOR HELICE CUADRADO , 3 ALETAS HELICE CON 2,3 ALETAS TURBINA, 6 ALETAS TURBINA, 6 ALETAS CURVAS TURBINA VENTILADOR, 6 ALE. TURBINA 6 ALETAS PUNTA FLECHA TURBINA PALETAS PLANAS 2 PALETAS. TURBINAS DE IMPULSOR ENCERRADO, 6 ALETAS CURVSAS. TURBINA DE IMPULSOR ENCERRADO CON ESTATOR.
Según Letterman y otros investigadores para optimizar la mezcla rápida se puede usar la expresión siguiente
GTO C1.46 = 5.9 x 106 Donde: TO = Tiempo óptimo de mezcla rápida, s C = Dosis de coagulante, mg/L
Criterios de Diseño Según el manual de diseño de plantas de tratamiento de aguas de la AWWA,se aplican los criterios de diseño. Tiempo de Contacto T, s 20 30 40 > 40
Gradiente de Velocidad para Mezcla Rápida (G, s -1) 1000 900 790 700
K 0.32 1.00 6.30 4.80 1.65 4.00 1.70 1.08 1.12
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CRITERIOS PARA DISEÑO DE FLOCULADORES MECÁNICOS
Modelo Propuesto Según AWWA
Ecuaciones Propuestas G = 5 – 100 s -1 Gt = 30,000 – 150,000 t = 20 – 60 min
Condiciones de Operación Velocidad de las paletas = 3 – 90 cm/s
Observaciones de los Floculadores Área de paletas = 10 – 25 %, del área de la sección transversal. Para controlar cortocircuitos, por lo menos 3 compartimientos en serie.
Fair y Geyer
G = 10 – 75s -1 t > 10 min Gt = 10,000 – 100,000
Velocidad de las paletas = 9 – 90 cm/s
Velocidad promedio del agua = ¼ de la velocidad de las paletas. Velocidad diferencial entre el agua y las paletas, igual a ¾ de la velocidad lineal de las paletas. Consumo de energía, generalmente de 0.5 a 1.6 Wh por m3/d de agua tratada. Coeficiente de arrastre de las paletas CD = 1.8
Insfopal
T = 15 – 60 MIN
Vel. de las paletas = 1 – 8 rpm Vel. de las paletas = 0.15 – 0.60 m/s
Distancia de los extremos de las paletas a los muros, al piso y a la superficie libre del agua = 0.15 – 0.30 m.
G = 15 – 60 s -1
Montgomery
G = 30 – 80 s -1
Velocidad de las paletas = 0.25 – 0.75 m/s
Metcalf y Eddy
G = 20 – 75 S -1 t = 15 – 30 min Gt = 10,000 – 100,000 G = 10 – 75 S -1 t = 30 – 60 min Gt = 23,000 – 210,000
Velocidad de las paletas = 0.6 – 0.9 m/s
Steel
El valor del coeficiente de arrastre C D.
CD 1.16 1.20 1.50 1.90
Coagulación Química del Agua Conceptos y definiciones
Velocidad del efluente de los floculadores = 0.15 – 0.30 m/s.
Long. paletas/ancho de la pal.
1 5 20 Infinito
El área de las paletas es menor del 25 % del área de la sección transversal, para prevenir movimiento rotacional del agua.
La velocidad diferencial entre el agua y las paletas es igual a ¾ de la velocidad lineal de las paletas.
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La coagulación química es el proceso unitario utilizado para provocar la coalescencia o agregación de materia suspendida no sedimentable y partículas colidales del agua y de aguas residuales; es el proceso por el cual se reducen las fuerzas repelentes existentes entre partículas coloidales para formar partículas mayores de buena sedimentación.
El proceso de la Coagulación Comprende • • •
Adición de productos químicos Su distribución uniforme en el agua La formación de copos o floculos que se asientan rápidamente
Inicial con alta velocidad Intermedia Final
Mezcla Etapas de la Coagulación
Formación de floculos Acondicionamiento Etapas de la Coagulación Química Mezcla
Es el proceso de unión o aglomeración, estimulada por medios mecánicos, de Asegura la dispersión adecuada y las partículas en suspensión para rápida de los productos químicos formar los floculos compactos y de asentamiento rápido. Se efectúa en el agua . generalmente en el estanque de mezcla o de coagulación. Intermedia
Inicial con alta velocidad
•
A velocidad más baja, promueve la formación de floculos o la coagulación.
•
Formación de floculos
Final •
Consiste en proporcionarle un movimiento suave y lento que favorece al aumento de tamaño de los floculos y a su acondicionamiento.
Mezcla Rápida
Acondicionamiento El acondicionamiento o sedimentación, es la separación por gravedad de los floculos que se depositan en el fondo del tanque de asentamiento.
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Es el proceso mediante el cual un coagulante se distribuye uniformemente en la masa de agua. Se efectúa generalmente en un estanque colocado inmediatamente antes del estanque de coagulación o en el extremo de entrada del proceso.
Formación de Floculos Es el proceso de unión o aglomeración estimulada, por medios mecánicos de las partículas en suspensión para formar los floculos compactos y de asentamiento rápido, se efectúa generalmente en el estanque de mezcla o en el de coagulación.
Acondicionamiento El acondicionamiento o sedimentación, es la separación por gravedad de los floculos que se depositan en el fondo del estanque de sedimentación o estanque de asentamiento .
Factores que influyen en la coagulación Muchos factores influyen en la coagulación de aguas turbias y coloreadas para su tratamiento. Entre ellos se tienen los siguientes: • • • • • • • • • •
Tipo de coagulante Cantidad de coagulante Cantidad y carácter del color y la turbiedad Características químicas del agua pH del agua Concentración de iones ( H + ) Tiempo de mezcla y floculación Temperatura del agua Fuerza de agitación Presencia de núcleos
Coagulantes Los coagulantes, son aquellos compuestos de hierro o aluminio capaces de formar un floculo y que pueden efectuar coagulación al ser agregados al agua. Los auxiliares de coagulación son sustancias que producen pocos o ningún floculo al ser usadas solas, pero mejoran los resultados obtenidos con simples coagulantes.
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Coagulantes más Utilizados Sulfato de aluminio Sulfato ferroso Cloruro férrico Sulfato férrico Caparrosa clorada Alumbre de amonio Sulfato alumínico Sulfato potásico Sulfato magnésico Silicato sódico Cal
Auxiliares de la Coagulación Cloruro de magnesio Aluminato de sodio Sílice Activada Òxido de calcio Hidróxido de calcio Hidróxido de sodio Carbonato de sodio Ácido sulfúrico Ácido clorhídrico Almidón
Dosificación de Coagulantes En los siguientes esquemas se muestran las principales y más importantes sugerencias, para la aplicación y dosificación de algunas sustancias químicas que se utilizan como coagulantes en el tratamiento de aguas, independientemente de su calidad.
Procedimientos para el Control y Manejo de los Coagulantes Coagulantes Utilizados Sulfato de amonio Sulfato ferroso
Procedimiento y Aplicación • • • • •
• •
•
Cloruro férrico líquido
• • • • •
Sulfato férrico
• • •
Cal viva
•
Cal hidratada
•
Usar máscara Se almacena en sitio seco y limpio No se almacena en forma de estiba Usar ropa adecuada para su manejo No se use aire comprimido para la limpieza de dosificadores en seco. Se debe minimizar el uso de polvo No mezclar con cal, produce un reacción explosiva. Utilizar protectores para los salpicamientos en la operación de las bombas. Usar guantes de caucho para su manejo Usar máscara para protección de cara y ojos Usar ropa adecuada para protección Se debe almacenar en un tanque con ventilación Se debe aislar térmicamente para evitar cristalización. Usar máscara y ropa adecuada para la protección. Evitar la mezcla con cal viva Se debe almacenar en sitios secos y limpios Usar máscara, guantes y ropa apropiada para su manejo. Evitar mezclarla con sustancias químicas que tengan agua de hidratación, ya que se produce una reacción
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•
exotérmica y puede producir una explosión. Almacenar en sitios secos y limpios
Sustancias Químicas Utilizadas como Coagulantes Nombre y fórmula
Nombre común
Sulfato de aluminio Al2(SO4)3.14H2O Cloruro férrico FeCl3 Cloruro férrico FeCL3. 6H2O Cloruro férrico FeCl3
Alumbre
Sulfato férrico Fe2(SO4)3 . 9H2O Sulfato ferroso FeSO4 . 7H2O Sulfato de aluminio amoniacal. Al2(SO4)3(NH4)2 SO4.24H2O Sulfato de aluminio potásico
Ferric. floc. Ferr. sul
Ferricloro cloruro de hierro Cloruro férrico cristalino
Densidad Kg/m3
Solubilidad Kg/m3
609 – 721 961 – 1009 993 – 1073 1.2 Kg/L 1009
303
15 – 22 (Al2O3)
16
Total
37 – 47 (FeCl3) 20 – 21 (Fe)
36.7 30.0
pH= 4 – 11
--
--
59 – 61 (FeCl3) 20 – 21 (Fe)
36.7 30.0
pH = 4 – 11 Óptimo
--
--
98 (FeCl3) 34 (Fe)
35.0
pH = 4 – 11
pH = 3.5 – 11.0 Semihigroscópico y coagula pH = 8.5 – 11.0 Óptimo Igroscíopico pH = 3.5 En solución al 3.5 %
Cloruo férrico anhídro
1121
Concentración comercial %
Temp. O C.
Soluble en 2 – 4 90 – 94 (Fe2(SO4)3) partes de agua fría 25 – 26 (Fe)
Características pH = 3.4 En solución al 1%
Coperas Vitriol - verde
1009 - 1057
--¡
55 ((FeSO4) 20 (Fe)
Alumbre amoniacal Alumbre cristal
1025 – 1029 993 1041 961
36 995
11 (Al2O3)
36 100
Alumbre potásico
993 – 1073 961 – 1041 961
60 120 168
10 – 11 (Al2O3
0 20 30
pH = 3.5 En solución al 3.5 %
Aluminato de sodio Na2Al2O3 Silicato de sodio Na2SiO3
Alumbre soda
801 - 961
360 395
70 – 80 (Na2Al2O4)
20 30
Requiere tolva con agitación para dosificación en seco.
Vidrio líquido o Vidrio soluble
---
Completa
---
---
pH = 12.3 En solución al 1 %
Bentonita Óxido de calcio CaO Hidróxido de calcio Ca(OH)2
Arcilla coloidal Cal viva
961 881 – 1201
Insoluble Pobre
--70 – 96 (CaO)
-----
--Alcalina e Incrustante
Cal apagada
320 – 801
Pobre
82 – 93 (Ca(OH)2)
---
Alcalina e Incrustante
Valores Óptimos de pH de los Coagulantes Coagulantes Alumbre Sulfato ferroso Sulfato ferro y cloro Cloruro férrico
pH 4–7 > 8.5 3.5 – 6.5 y > 8.5 3.5 – 6.5 y > 8.5
Potabilización y Tratamiento de Aguas Residuales Mario Báez Vázquez Sulfato férrico
3.5 – 7.0 y < 9.0
Alcalinidad Requerida para la Coagulación Coagulante Alumbre Al2(SO4)3 . 14.3H2O
Alcalinidad Requerida 0.50 HCO3 como CaCO 3 0.28 Cal como CaO 0.37 Cal como Ca(OH) 2 0.53 Soda ash como Na 2CO3 0.92 HCO3 como CaCO 3 0.52 Cal como CaO 0.68 Cal como Ca(OH) 2 0.98 Soda ash com Na 2CO3 0.75 HCO3 COMO CaCO 3 0.42 Cal como CaO 0.55 Cal como Ca(OH) 2 0.79 Soda ash como Na 2CO3
Cloruro férrico FeCl3 Sulfato férrico Fe2(SO4)3
Combinaciones de los Coagulantes más Comunes Usados en los Tratamientos de Aguas Coagulantes Dosificación Típica Alumbre + Sosa cáustica Alumbre + Cal hidratada Alumbre + Carbonato de sodio Alumbre + Aluminato de sodio Sulfato férrico * Cal hidratada Sulfato ferroso + Cal hidratada Sulfato ferroso + Cloro Aluminato de sodio + Cloruro férrico Alumbre + Sílice activada
3 :1 3 :1 1 : 1 –2 : 1 4 :3 5 :2 4 :1 8 :1 1 :1 9 : 1 – 14 : 1
Criterios Generales para la Dosificación de Coagulantes en los Tratamientos de Aguas Coagulantes Alumbre Cloruro férrico líquido Sulfato férrico Sulfato ferroso Cal viva
Cal apagada
Procedimiento y Aplicación Se recomienda una concentración de la solución de 60 gr./L o 6 %; tiempo mínimo de retención de la cámara de disolución de 5 minutos; tuberías de PVC, polietileno o material similar, y aplicación por gravedad. Se recomienda no diluirlo y emplear tuberías de plástico o de acero recubierto de caucho. Para cloruro férrico sólido, se emplea lo mismo que para alumbre, la solución debe tener concentración mayor del 25 %. Es recomendable aplicar una solución al 25 % y en ningún caso menor del 1 %; tiempo de retención de la cámara de disolución, 20 minutos, tuberías de plástico, de caucho o de acero inoxidable 316. Se recomienda la forma granular, solución al 6 % con tiempo de retención de 5 minutos en la cámara de disolución; tuberías de plástico, de caucho, de plomo o de acero inoxidable 316. Se recomienda cal que pase tamiz de ¾ “ y sea retenida por lo menos el 95 % sobre tamiz No. 100, para facilitar manejo y evitar polvo; dosificación por gravedad, hasta donde sea posible para canales abiertos; accesorios en plástico, en caucho, en acero o en concreto. Es recomendable usarla en solución máxima al 6 %, tiempo de retención de 5 minutos
Potabilización y Tratamiento de Aguas Residuales Mario Báez Vázquez en la cámara de disolución y uso solamente en plantas pequeñas con dosificaciones menores de 113 Kg/h.
Ensayos para el Control del Proceso de Coagulación Los ensayos más usados para el control del proceso de coagulación son los siguientes: • • • • •
Ensayo de las Jarras pH Turbiedad Filtrabilidad Potencial Zeta
Ensayo de Jarras El ensayo de las jarras es uno de los más importantes en el control del proceso de coagulación química de aguas, con los siguientes propósitos: • • • • • •
•
Selección del tipo de coagulación más efectiva Determinación del pH óptimo de coagulación Evaluación de la dosis óptimas del coagulante Determinación de la dosis de ayudas de coagulación. Determinación del orden más efectivo de adición de los diferentes productos químicos. Determinación de los niveles óptimos de mezcla, gradientes de velocidad y tiempos de mezcla. Se usan como jarras de coagulación vasos de precipitado de 1 a 2 litros, como se observa en la siguiente figura.
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Filtros Percoladores También se le conoce como filtro biológico o de goteo, es una caja que encierra un material de contacto, generalmente de piedra picada de determinado tamaño que al recibir el líquido residual se va cubriendo de un crecimiento biológico, viscoso y gelatinosa conteniendo bacterias y otro tipo de microorganismos, responsables de las transformaciones bioquímicas que desdoblan la materia orgánica biodegradable, que representa la DBO del líquido en proceso de tratamiento. El líquido que entra al filtro es descargado, a través de distribuidores rotativos de flujo en la parte superior y se percola lentamente, descendiendo hasta la parte inferior en donde existen dispositivos para su recolección. El oxígeno para que se lleve a cabo el metabolismo biológico aerobio es suministrado por la circulación de aire a través de los orificios del medio filtrante y el OD del H 2O residual. Al cabo de un tiempo, inicia el crecimiento de organismos anaerobios y facultativos que junto con los organismos aerobios forman el mecanismo básico para la remoción de la materia orgánica. El efluente del filtro cuando está operando normal, está acompañado de desprendimientos biológicos fácilmente sedimentables, que son removidos por sedimentación en una unidad clarificadora situada a la salida del efluente. El efluente del filtro biológico deberá pasar a través de un sedimentador secundario para colectar la biomasa desprendida. En el esquema siguiente, se observa un filtro percolador con rata convencional.
canal sedimentador primario
tanque dosificador
filtro percolador
sedimentador secundario
agua clarificada lodos lodos lodos combinados
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Reactor Las normas generalizadas en las unidades de percolación definen una profundidad para las de baja rata del orden de 1.5 a 2.5 m. y para filtros sin recirculación con una profundidad óptima de 0.9 a 1.2 m. y los de alta rata la profundidad es menor entre 0.9 y 1.8 m. Cuando se sobre pasan las profundidades se produce un estado de anaerobiosis debido a la reducción de nitritos y nitratos y un aumento del contenido de nitrógeno amoniacal. También por debajo de 1.2 m. de profundidad, no aparece una reducción significante en la DBO del efluente de la unidad filtrante.
Medio de contacto Es un medio físico en el cual se desarrolla una película gelatinosa formada por una población heterogénea de microorganismos, cuya acción física y bioquímica descompone la materia orgánica suspendida en las aguas residuales al utilizarla como alimento. Usualmente es de roca triturada y piedra natural, su tamaño es normalmente de 5 -10 cm. de diámetro. Así, un medio de contacto muy pequeño tapa el filtro y limita la circulación del aire, piedras grandes reducen el área superficial de la roca, limitando los crecimientos biológicos aquí desarrollados.
Ventilación La ventilación es importante para mantener la aerobicidad del filtro y para ello se necesitan los siguientes requerimientos y recomendaciones: Porosidad Distribución del medio de contacto e intermitencia de aplicación del líquido. Pase adecuado del agua a través de la unidad. Diferencia de temperatura entre el aire atmosférico y el líquido cloacal se considera adecuada para producir la aireación necesaria. En los filtros de gran diámetro, más de 30 m., deben tener canales recolectores secundarios con dispositivos de ventilación cercanos a la periferia. El área de los espacios libres en los drenes inferiores no deben ser menores al • • • •
•
•
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Consideraciones de Operación Elemento
Definición
Tasa de carga hidráulica
Es un parámetro de diseño y operación que se relaciona con el flujo y el tiempo de retención hidráulica, se reporta en m 3/m2 . día. La mayoría de los filtros percoladores de medio rocoso operan entre 1 – 2 m. de profundidad.
Tasa de carga orgánica
Se caracteriza por la tasa de material desecho en términos de Kg. de DBO/m 3. día
Transferencia de oxígeno
El aire se suministra a los filtros percoladores a través de corrientes naturales de aire que resultan de las diferencias de temperatura entre el ambiente y el aire del interior del filtro. La tasa máxima de aire es de 28 g/m 2.día, la cual evita los malos olores.
Velocidad de dosificación
Es ajustable para lograr un crecimiento continuo y uniforme de la biomasa y un desprendimiento del exceso de la misma como función de la tasa de carga orgánica.
Temperatura
La temperatura del agua residual es más importante que la temperatura del aire, El efecto de T en el filtro se obtiene aplicando la ec. R T = r20 (1.035)T – 20. Donde. RT = tasa de remoción a T OC., r20 = tasa de remoción a 20 OC. , θ = 1.035, coeficiente de actividad de la T. , T = temperatura OC.
Problemas de instalación y operación.
Se incluye el crecimiento excesivo de algas que obstruyen los filtros y el desarrollo de malos olores por transferencia de oxígeno por tapar los filtros, esto origina la aparición de moscas, caracoles e insectos coleópteros.
Cargas Hidráulicas y Procesales Es de mayor interés definir las denominadas cargas hidráulicas y procesales u orgánicas del filtro, ya que éstas son responsables, en gran parte del funcionamiento y eficiencia del sistema. Además por que ellas permiten clasificar los filtros de baja, mediana y alta rata, con y sin recirculación del efluente del reactor
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Por definición, la carga hidráulica es el volumen total del líquido incluyendo recirculación, que es aplicado al filtro por día/m2. Ha existido un acuerdo más o menos unánime, en clasificar los filtros, de baja o alta rata, de acuerdo a las siguientes cargas hidráulicas, que conllevan en base a la concentración de la DBO del líquido residual, que son las siguientes. Cargas Hidráulicas y Procesales Cargas Hidráulicas Filtros de baja rata 1 a 4 m3/ día. m2 de filtro (25 a 100 gal/día.pie 2) 10.3 a 41.3 ML/día.Ha de filtro (1.1 a 4.4 MG/día. Acre)
Cargas Orgánicas Filtros de baja rata Filtros de alta rata
Filtros de alta rata 8 a 40 m3/día. m2 de filtro (200 a 1000 gal/día. pie 2)
De 80 a 400 ( gr/m3 de roca.día )
De 400 a 4800 ( gr/m3 de roca. día)
81.5 a 412 ML/día.Ha de filtro (8.7 a 44 MG/día . Acre)
De 5 a 25 Lb/1000 pie3 de roca .día
De 25 a 300 (Lb/pie 3 de roca.día)
Características de Operación de los Filtros Percoladores Factor
Filtro de baja rata 1.12 a 4.5
Filtro de alta rata 11.2 a 45
Carga orgánica: Kg BDO/m3.día
1 - 3.3
3.3 a 16.5
Profundidad: metros
1.8 a 3
0.9 a 2.4
Recirculación
Ninguna
1:1 a 4:1
Volumen de piedra
5 a 10 veces
1
Moscas en el filtro
Muchas
Pocas larvas son eliminadas
Arrastre de sólidos
Intermitente
Continua
Simple
Alguna práctica
No superior a los 5 minutos
No superior a los 15 segundos
Totalmente nitrificado
Nitrificación a bajas cargas
Carga hidráulica: miles de m3/día
Operación Intervalo de alimentación Efluente
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Clasificación de Filtros Percoladores
Bio – filtro En este proceso se incluye recirculación y una alta velocidad de aplicación a un filtro goteador de poco espesor. En este caso, la recirculación incluye el regresar parte del efluente del filtro o del tanque de sedimentación secundaria, al tanque de sedimentación primaria. Los lodos del sedimentador secundario son muy ligeros y pueden recirculares al sedimentador primario. Como se observa en al figura siguiente. al sedimentador primario
al digestor lodos Sedimentador Primario
Filtro Goteador
Sedimentador Secundario
Lodos al digestor Recirculacion
Filtro – accelo Constituye otro proceso de tratamiento de aguas residuales, que consiste hacer recircular directamente el efluente del filtro, otra vez al mismo filtro, tal como se muestra en la figura. al sedimentador primario
al digestor lodos Sedimentador Primario
Filtro Goteador
Lodos al digestor Recirculación
Sedimentador Secundario
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Aerofiltro En este proceso las aguas se distribuyen continuamente en forma de lluvia sobre el lecho del filtro. Para lechos chicos, la distribución se lleva a cabo mediante un disco distribuidor que gira a alta velocidad de 260 a 369 rpm, colocado a 50 cm. sobre la superficie del filtro, para distribuir toda el agua sobre el filtro. al sedimentador primario al digestor
lodos Filtro Goteador Sedimentador Primario
Sedimentador Secundario
( 6 – 10 Ramales ) Dosificación mayor De 92,000 m3/ Ha. día
lodos al digestor
Recirculación
Ejemplo En México los consumos per capita y por día son del orden de 250 a 350 litros/persona . día. Suponiendo una población equivalente a los que pudiera ser de 35, 54 y 70 gr. de DBO /hab. día (5 días a 20°C), con un consumo de 300 litros/habitante .día , tenemos: Para filtros de baja rata, con una carga hidráulica de: 1 a 4 m 3/día.m2 de filtro, la carga orgánica será: 1000 4000 ---------- = 3.33 a ---------- = 13.33 personas/día.m2 de filtro percolador 300 300 Para 54 gr. de DBO aplicada por persona/día De 3.33 x 54 = 179.82 a 13.33 x 54 = 719.82 gr. de DBO aplicada por m 2/día Si suponemos 1.8 metros de profundidad para la unidad. 179.82 719.82 -------------- = 99.9 a ------------- = 399.9 gr. de DBO/m3 de roca por día 1.8 1.8
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Para los filtros de alta rata, con una carga hidráulica de: 8 a 40 m 3/día . m2 8000 ----------- = 26.6 personas a 300
40000 ------------ = 133.3 personas/m2. día 300
Para los 54 de DBO aplicada por persona/día dé 26.6 x 54 = 1436.4 a 133.3 x 54 = 7198.2 gr. de DBO aplicada/m 2 de filtro 1436.4 ------------- = 798 a 1.8
7198.2 -------------- = 3999 gr. de DBO/m3 de roca . día 1.8
Especificaciones Para el diseño adecuado y buen funcionamiento de los filtros biológicos es necesario cumplir con las siguientes especificaciones: •
•
•
•
La DBO no debe ser mayor de 500 mg/L para garantizar condiciones aerobias, si la DBO > a 500 mg/l se debe operar con recirculación. Si el medio de relleno tiene una superficie alta (m 2/m3), la carga hidráulica no debe ser elevada, para evitar carga elevada de biomasa que impida la libre circulación del líquido. El pH de las aguas residuales no debe ser ni ácida o alcalina y se neutraliza en las capas superiores del filtro. El proceso aerobio requiere oxígeno para la conversión del carbono y nitrógeno de la materia orgánica, ya que en la primera capa del filtro se efectúa la liberación del NH 3 y en las siguientes se forman los NO 2 y NO3.
•
La profundidad del filtro dependerá de la carga orgánica que se aplique
•
Para el relleno del filtro se recomienda •
Material de relleno de roca de 1 – 3 metros, deben ser estas dimensiones de lo contrario se presentan problemas en al operación del filtro.
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•
Material de relleno de plástico puede llegar hasta 12 metros, supuestamente es más efectivo por las características del material.
Metodología para el Diseño
Método del Consejo Nacional de Investigación “CNI” (United States Research Council). •
•
Es una metodología empírica basada en casos cuando las características de las aguas residuales fueran similares. La eficiencia del filtro mediante la fórmula :
100 E = ----------------------------W 12 1 + C --------V. F E = Eficiencia o porcentaje de remoción de la DBO W = Carga de DBO aplicada por día (lb/día) V = Volumen del filtro (acre/pie) F = Número de pasadas efectivas por el filtro C = Coeficiente (0.0085 en sistema ingles y 0.44 en el métrico) Donde F se determina con la fórmula:
1 + R F = ---------------------( 1 + 0.1 . R )2 R = Relación de reciclo (flujo total con el que recircula)
Método de K.L. Schulze Matemáticamente se determina con la fórmula Se --------- = e- kt So
t = D / Q0.67 V = ( Gd / Q ) D
Se = DBO5 del efluente (mg/L) So = DBO5 del afluente (mg/L) t =Tiempo de contacto
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D = Profundidad del filtro (pies) Q = Carga hidráulica (millones de gal/acre. día – MGAD) k = constante igual a 0.3 Método de Schulze Modificado (Eckenfelder) La metodología de Schulze fue analizada detenidamente por W. Eckenfelder, considerando que el proceso del filtro biológico es similar al de lodos activados, pero con operación intermitente. -
El medio de relleno del filtro ( piedra, plástico, etc.) al ponerse en contacto con las aguas residuales forma una película biológica (biomasa), constituida por una zona anaerobia y otra aerobia que dependerán de la difusión del oxígeno disuelto en las aguas residuales o del aire que circula en el medio. Matemáticamente podría obtenerse con la fórmula : Se = DBO5 del efluente (mg/L) So = DBO5 del afluente (mg/L) k = Coeficiente Xv = Sólidos volátiles C . Dm t = Tiempo de retención = -------------Qn Q = Carga hidráulica en gal/min. Ft 2 (gpm/p2) D = Profundidad del filtro (pies) AV= Área del filtro (pie 2) C,n,m = Coeficientes
Se -------- = E – k.Xv . t So - k. AV. Dm
Se --------------------- = E Qn So
Clase de Medio
AV
N
C
Vidrio (esferas) Roca (2.5 – 4.0 pulg) Asbesto.
85 85
0.65 0.408 0.80
9.5 4.15 8.0
Método Recomendado por la CNA Características del proceso: -
En la siguiente tabla se presentan las características típicas de estos tipos de filtros. Las características de los diferentes medio se resumen en la siguiente tabla
Medio de Empaque
Tamaño mm
Tamaño Pulg.
Densidad aparente
Área esp. m2/m3
Área esp. Pie2/Pie3
Vacíos %
25 – 65 100 - 120
1 – 21/2 4–5
1250 – 1450 800 – 1000
55 – 70 40 – 50
17 – 21 12 – 15
40 – 50 50 – 60
Roca -
Pequeña Mediana
Potabilización y Tratamiento de Aguas Residuales Mario Báez Vázquez Plástico
30 – 100 30 – 100
Convenciona l Alta densidad
-
-
80 – 100 100 - 120
24 – 30 30 - 70
94 – 97 94 – 97
Eficiencia del Sistema La eficiencia de las partes componentes de una planta de tratamiento de aguas residuales, si deseamos conocer las eficiencias de los filtros de flujo normal de un sólo paso y para filtros con recirculación antes del sedimentador primario y con la asunción de la eficiencia del sedimentador secundario, para lo anterior tenemos las siguientes expresiones: P = Eficiencia total del sistema % P1 = Eficiencia del tratamiento primario % P2 = Eficiencia del tratamiento secundario %
P1
P2
P3
Sedimentador primario
P = P1 +
( 100 – P1 ) P2 -----------------------100
filtro biológico
y
P4
Sedimentador secundario
100 ( P – P1 ) P = --------------------100 – P1
También ler. Caso sin recirculación
100 ( C1 – C3 ) P = ----------------------C1 100 ( C1 – C2 ) P1 = ---------------------C1 100 ( C2 – C3 ) P2 = ---------------------C2
2do. Caso con recirculación
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100 ( C1 – C3 ) P = ----------------------C1 La eficiencia del sedimentador primario, para el líquido cloacal efluente sólo es:
La eficiencia del sistema secundario, para el líquido cloacal no tratado es:
C1
Sedimentador primario
P1 = 100
( C1 - C2 ) Q – ( C2 - C3 ) R -------------------------------------C1 x Q
P2 = 100
( C2 - C3 ) ( Q + R ) -----------------------------C2 x Q + ( C2 - C3 ) R
C2 Filtro
Biológico
Sedimentador secundario
R Siendo: C1 = Concentración de DBO en mg/L a la afluente C2 = Concentración de DBO mg/L después del tratamiento primario C3 = Concentración de DBO en mg/L del efluente del sedimentador secundario.
Normas de Diseño Elemento de Diseño
Especificación
C3
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Dosificación Carga hidráulica Materia filtrante
Desagües inferiores Profundidad
Para efluentes primarios las aguas residuales normales, la carga máxima sobre el filtro será el menor de los valores: 0.241 Kg. de la DBO al 5to. día/m 3, o 3.74 m. de profundidad en el filtro/día. Los distribuidores giratorios requieren una carga mínima de 60 cm. desde los orificios de los brazos hasta el nivel más bajo del agua en el tanque de dosificación. Los brazos deben estar 15 cm. por arriba de la superficie del filtro. El filtro no debe descansar más de 15 minutos a flujo promedio. La calidad y tamaño de la materia filtrante debe cumplir con las recomendaciones de “ Manual of Practice No. 13, Filtering Materials”, de acuerdo con: Retenido en tamiz 4.5” --- 100 % Retenido en tamiz 3.0” --- 95-100 % en peso Retenido en tamiz 2.0” --- 0-2 % en peso Retenido en tamiz 1.0” --- 1 % en peso Son de un tipo muy abierto, colocado sobre el fondo con pendiente mínima de 1 % y velocidad de flujo libre de 0.6 m/seg. en el desague principal La profundidad mínima de la piedra sobre los desagües inferiores debe ser de 1.5 m. y hasta de 2.2 m. puede usarse.
Filtración La filtración del agua es el proceso mediante el cual el agua es separada de las materias en suspensión haciéndola pasar a través de una capa o membrana porosa. En la práctica, éste material poroso es generalmente una capa de arena. La separación de las materias sólidas se efectúa al pasar el agua por los poros de la capa filtrante y adherirse las partículas sólidas a los granos de arena. Después de un largo período de servicio, quedan tapados los poros de la capa arenosa y ésta debe limpiarse, es recomendable someter a tratamiento previo el agua que se va a filtrar (sedimentar) antes de pasar por los filtros.
Lentos de arena Clasificación de Filtros
De superficie libre Rápidos de arena De presión Filtros Lentos de Arena
Características El agua fluye por gravedad a través de la arena a baja velocidad 1.3 – 6.5 Lts/min.m 2, son eficaces producen agua segura, la turbiedad se reduce entre 10 – 30 ppm y reduce el color
Operación Se hace con gastos bajos no mayores de 47,000 m3/día.ha, de superficie del lecho de arena, la arena limpia no es eficaz hasta que se forma una película de sedimentos,
Dimensiones Es un estanque de concreto, de 3 – 4 metros de profundidad, cuadrado, rectangular o cilíndrico. Las líneas de tubo de drenaje se cubren con unos 30 – 40 cm. de grava clasificada
Control La velocidad de operación se mantiene en régimen constante, por lo general las líneas tanto del afluente como del efluente son controladas por válvulas automáticas o manuales
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hasta en un 40 % .
posteriormente se aumenta la velocidad de filtración hasta alcanzar el gasto deseado.
y la grava se cubre con para lograr unos 90 cm. de arena de régimen. 0.25 – 0.35 mm de espesor.
dicho
Filtros Rápidos de Arena
Filtros Rápidos de Arena Características
Operación
Dimensiones
Mantenimiento
La filtración con acción rápida de superficie libre, el agua desciende por gravedad con velocidad que varía de 81.5 – 122.2 Lts/min.m2. Se recomienda que el agua sea tratada preliminarmente (sedimentación y floculación) antes de filtrarla. Los tubos laterales tienen en toda su longitud pequeñas perforaciones a través de las cuales fluye el agua.
Este sistema ofrece una filtración rápida y uniforme, distribución homogénea de las aguas de lavado y menor costo de mantenimiento. Estos filtros son eficaces en el tratamiento de aguas residuales altamente contaminadas y turbias.
El espesor del lecho filtrante es de 25 – 50 cm. de grava y de 60 – 75 cm. de arena y de 0.35 – 0.55 mm de espesor.
Se limpia con una corriente de agua en dirección contraria y lava la arena llevando al desague los sólidos acumulados. Se debe programar la limpieza para mantener la eficiencia del filtro ya que esta depende de la coagulación y sedimentación. El lavado del filtro es una de las operaciones más importantes.
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Filtros de presión Antecedentes Estos filtros están basados en los mismos principios que los filtros de arena rápidos del tipo de gravedad, pero los desagues, grava y la arena se encuentran en un tanque cilíndrico y el agua recorre el filtro bajo presión. El eje del cilindro puede ser vertical u horizontal, deben utilizarse cuando el agua cruda se suministra bajo presión y donde se desea filtrar y entregar el agua sin bombeo adicional. El tratamiento previo del agua, debe efectuarse tan cuidadosamente como para los filtros de superficie libre para obtener agua de la misma calidad final. La importancia y el carácter del tratamiento previo depende la calidad del agua que se desea .
Operación
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Presentan las mismas dificultades de funcionamiento que los filtros rápidos normales, no son recomendables para filtrar aguas de origen residual doméstico, solamente que estas hayan sido tratadas previamente con sedimentación, floculación y sedimentación secundaria y posteriormente someterla a una filtración de está naturaleza. Las dificultades de operación se deben a una aplicación indebida del agua por el operador. Su utilización para el abastecimiento de agua para uso doméstico está condicionado a cumplir con ciertos requisitos de tipo sanitario. Tal es el caso, el filtro mostrado a continuación.
Desventajas de los filtros •
• •
• •
El tratamiento del agua baja presión dificulta la mezcla, la coagulación y la sedimentación efectiva del agua que se filtra. Es más difícil la adición de productos químicos en el agua bajo presión El aspecto del agua que se filtra y la capa de arena no pueden observarse debidamente y tampoco la efectividad del lavado con agua ni el grado de agitación durante el lavado. Es difícil inspeccionar, limpiar y cambiar la arena, la grava y los desagues de los filtros a presión. El manejo de estas unidades bajo presión propicia el bombeo o la introducción bajo fuerza del agua en las capas a un ritmo exagerado.
Filtros de diatomita. El filtro de diatomita es un tipo especial de filtro de presión que utiliza tierra de diatomáceas como medio de filtración. Se inventó para uso militar en la Segunda Guerra Mundial. El filtro se encierra en un tanque a presión con conexiones de tuberías para el agua del afluente, efluente, de lavado y desague. El soporte del medio de filtración es una tela de alambre fino, una tela sintética o material
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de cerámica porosa de 3.0 mm. de espesor, este tipo de sistemas es para operar a velocidades de 4 a 20 litros/minuto o más, se recomienda para el pulimiento de aguas o bien para aguas de uso doméstico. La figura siguiente muestra un filtro de ese tipo.
Tipo de lecho filtrante Los filtros solamente utilizan un medio, arena o antracita: Medio dual: arena y antracita
Membranas filtrantes Lecho mezclado: arena o antracita y granate o ilmenita
Tipos de Medios Filtrantes
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Características de las Capas Capa No. 1 1 Arena media DR = 2.6
Capa No.2 2 Grava
Capa No. 3 3 Antracita DR = 1.5
Capa No. 4 Arena fina DR = 2.6
Capa No. 5 5 Granate DR = 4.0
Fuerza impulsora De acuerdo con la fuerza impulsora utilizada para vencer la resistencia friccional ofrecida por el lecho filtrante. Los filtros se clasifican como filtros de gravedad o de presión. El de gravedad es el más usado en plantas purificadoras de agua y el de presión se ha usado principalmente en la filtración de aguas para piscinas y pequeñas plantas de agua potable
Tasa de filtración Con el uso de medios filtrantes duales o lechos mezclados, se lograron diseños mucho más económicos en área, al usar tasas de filtración todavía mayores que las de los filtros rápidos convencionales, en la siguiente tabla se observan las principales características de los filtros de arena por gravedad:
Características de los Filtros de Arena por Gravedad Características Tasa de Filtración Medio Distribución del medio Duración carrera Pérdida de carga
Filtros Lentos de Arena
Filtros Rápidos de Arena
Filtros de Alta Tasa
120 m/d Arena
180 – 480 m/d Arena y antracita
Estratificado: fino a grueso
Estratificado: grueso a fino
Agua de lavado Profundidad del medio
2 – 5 (< 12 m/d) Arena No estratificado 20 – 60 días Inicial: 0.6 m Final: 1.2 m No usa 0.6 – 1.0 m
12 – 36 horas Inicial: 0.3 m Final: 2.4 – 3 m 2 – 4 % del agua filtrada 0.60 – 0.75 m
12 – 36 horas Inicial: 0.3 m Final: 2.4 – 3 m 6 % del agua filtrada Antracita 0.4 – 0.6 m Arena 0.15 – 0.3 m
Espesor de la grava Drenaje
0.30 m Tubería perforada
0.30 – 0.45 m Tubería perforada Falsos fondos
0.30 – 0.45 m Tubería perforada Falsos fondos
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Hidráulica de la filtración El flujo de agua a través de un filtro, a las tasas empleadas en tratamientos de aguas, obedece a la Ley de Darcy:
Modelo de Darcy h V = k -------L Donde: h = Pérdida de carga en el lecho, m L = Profundidad del lecho, m V = velocidad superficial, m/s K = Coeficiente de permeabilidad, m/s
Por lo anterior, la tasa de filtración es directamente proporcional a la cabeza o energía disponible de filtración y a la permeabilidad del lecho, e inversamente proporcional al espesor del medio. Mediante análisis dimensional e investigación experimental Rose estableció la siguiente ecuación que permite determinar la pérdida de carga por fricción a través de lechos de material granular, granos de arena esféricos de tamaño uniforme, la cual tiene aplicación en el cálculo de pérdida de energía a través de un filtro limpio. 1 L v2 24 3 р vd vd h = 1.067 CD ----- . ------. ----- y CD = ---------- + -------- + 0.34 y NRE = ------------ = -------e4 d g NRE √ NRE µ υ Donde: h = Pérdida de carga a través del lecho, m CD = Coeficiente de arrastre e = Porosidad del lecho(volumen de vacíos / volumen del lecho) L = Profundidad del lecho, m P = Densidad del agua, Kg/m 3 D = Diámetro característico de los granos, m v = Velocidad de filtración, m/s g = Aceleración de la gravedad, m/s 2 NRE = No. de Reynolds υ = Viscosidad cinemática, m 2/s. µ = Viscosidad dinámica, Pa.s
Flujo a través de lechos expandidos
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•
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•
•
•
•
La restauración de la capacidad de flujo del lecho se hace mediante remoción de las porciones obstruidas del lecho o mediante el arrastre del material acumulado en los vacíos por expansión líquida del lecho. En los filtros lentos la penetración de los sólidos es superficial y la limpieza se hace mediante remoción de la capa superior del medio a intervalos de uno a varios meses, lavado y reemplazado. En filtros rápidos, los cuales se tapan más rápidamente debido a sus cargas hidráulicas más altas, los sólidos penetran profundamente dentro del lecho y la limpieza se hace mediante lavado, en sentido inverso al flujo, a una tasa aproximadamente igual a 10 veces la tasa de filtración normal. El lavado de filtros consiste, en hacer pasar agua ascensionalmente a través del lecho filtrante, a una velocidad tal que los granos del medio filtrante se muevan a través del flujo ascensional, se frotan unos contra otros y se limpien los depósitos de sedimentos formados sobre ellos. La velocidad ascensional del agua, 10 – 14 mm/s, hace que el lecho filtrante se expanda a un espesor mayor que el del lecho en reposo, en un valor generalmente menor del 40 %. Los filtro se lavan cuando la pérdida de energía en ellos alcanza unos 2 – 3 m, cuando se observan floculos en el efluente, cuando hay fugas de turbiedad o cuando la carrera de filtración es de 36 horas. La velocidad del agua de lavado debe ser suficiente para arrastrar el material suspendido removido por el filtro, pero no tan alta como para producir arrastre del medio filtrante.
Según Kawamura A T= 20 oC, para arena y antracita típicas usadas para filtros, con densidades relativas del orden de 2.65 y 1.55 respectivamente, se tiene: Vb > 5 mm/s Para arena: Vt = 10 D60 Para antracita: Vt = 4.7 D60 Donde: Vb = Velocidad ascensional de lavado Vt = Velocidad de arrastre, m/min D60= Producto del tamaño efectivo por el coeficiente de uniformidad, mm
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Dicho autor prueba, además, que la abrasión o frote máximo ocurre cuando la velocidad de lavado es igual al 10 % de la velocidad de arrastre. De lo anterior:
Vb = 0.1 Vt O sea que para el lavado de arena a 20 oC, la velocidad apropiada de lavado está dada por:
Vb = D60 Vb = 0.47 D60
para antracita
Donde: Vb = Velocidad apropiada de lavado, m/min D60= Producto del tamaño efectivo por el coeficiente de uniformidad, o percentil – 60 del análisis granulométrico, mm Para temperaturas diferentes a 20 oC, se hace la corrección correspondiente mediante la expansión:
VbT = Vb20 x µT-1/3 Donde: µT = Viscosidad a la temperatura T, en centipoise
NS µ(cP) = µ --------- x 1000; puesto que 1 cP = 0.001 Pa.s m2 VbT = Velocidad apropiada de lavado a la temperatura T Vb20 = Velocidad apropiada de lavado a 20 oC. Tratamiento de Lodos Se considera como tratamiento de los lodos, aquellos métodos o sistemas que se usan en las plantas hasta la disposición final de los productos en los sistemas utilizados en el tratamiento, para ello se tienen los siguientes procesos.
Métodos de Tratamiento de Lodos Espesamiento
Digestión
Acondicionamiento Químico
Elutriación
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Este proceso consiste en concentrar los lodos diluidos para hacerlos más densos, en tanques especiales diseñados para este propósito.
El propósito de la digestión: es una reducción en el volumen y la descomposición de la materia orgánica putrescible hasta formar compuestos orgánicos más estables e inertes.
El objetivo es preparar los lodos para un mejor y más económico tratamiento, con sedimentadores, coaguladores y filtros. Se emplean productos químicos muy variables como: Ácido sulfúrico, alumbre, sulfato ferroso, cloruro férrico con o sin cal y otros.
En el tratamiento de lodos significa extraer de los lodos por medio de agua o efluentes de plantas de tratamiento, los compuestos amínicos o amoniacales que se encuentran en cantidades excesivas para reducir la demanda de coagulante.
Razones para el tratamiento de los lodos Los lodos se tratan para facilitar su digestión y los diversos procesos tienen dos objetivos:
Objetivos •
•
Reducir el volumen que va a ser manejado, por la eliminación en parte o de toda la porción líquida. Descomponer la materia orgánica muy putrescible a compuestos orgánicos e inorgánicos estables. A este proceso se le denomina digestión.
Composición y características de los lodos La cantidad y composición de los lodos depende de las características de las aguas residuales, sobre todo dependen de: El proceso de tratamiento por medio del cual se obtuvieron Origen de las aguas residuales Condiciones de las aguas residuales Condiciones de los lodos Los lodos obtenidos de un tanque de sedimentación simple, se les llama lodos crudos por ser de las aguas residuales crudas, como estos no han sufrido ninguna descomposición, son por lo tanto: sedimentos inestables y putrescibles, por ello presentan color gris y olor desagradable. • • • •
Los lodos del sedimentador secundario de un filtro percolador o goteador contienen generalmente materia orgánica parcialmente descompuesta, presentando coloración café oscuro, floculos homogéneos y olores menos desagradables que los lodos crudos. Esto se debe a que han sido estabilizados y aireados a través del filtro percolador, donde la materia orgánica ha sido separada.
Digestión
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Introducción Este proceso es utilizado para estabilizar parcialmente los complejos orgánicos en la materia contenida en las aguas residuales de muy alta inestabilidad, (putrescibles). Este proceso también llamado de “Fermentación Anaerobia ”, permite degradar las sustancias orgánicas a través de la actividad bioquímica atacable por los organismos. De acuerdo con los principios, la descomposición de la materia orgánica en medio anaerobio, es fácil de entender los desdoblamientos que, en una digestión anaerobia sufren los compuestos orgánicos de: Azufre, Nitrógeno y Carbono.
Proceso Primeramente ocurre una descomposición de los complejos más simples biodegradables (glucidos y pròtidos), produciéndose otros compuestos sencillos como: carbonatos ácidos, compuestos sulfurosos y ácido sulfhídrico. Posteriormente, el nitrógeno amoniacal, CO 2, sulfuros y finalmente el metano.
Materia Orgánica
Glucido y Protidos
Ácidos Orgs. Carbonatados
Sulfuros y Ácido Sulfúrico
Nitrógeno y Amoniaco
Metano
Fases de Digestión Fase de fermentación ácida
Fase de regresión ácida
Esta fase a la temperatura de 15 oC. duraría de 1 a 3 meses y los ácidos orgánicos y los compuestos nitrogenados son convertidos en compuestos amoniacales, ácidos carbonatados, CO2 y aparecen olores fétidos de nitrógeno amoniacal, ácido sulfúrico y espumas de color gris y el Después de la fermentación ácida el pH= 6.8 En esta fase: los azucares, almidón, celulosa y compuestos nitrogenados, son desdoblados con alta producción de ácidos volátiles, carbonatos ácidos y en menor cantidad el CO 2 y aparecen las bacterias heterotróficas formadoras de ácidos volátiles.
Fase alcalina o metánica Esta fase dura de 25 a 30 días a 15 O C. la bioma ataca a las proteínas y a ciertos ácidos orgánicos. Aumenta la producción de CO2, y también el metano debido a la acción de las metanobacteria s que utilizan productos de los microorganismos heterotróficos al vivir en simbiosis, donde predominan las:
Potabilización y Tratamiento de Aguas Residuales Mario Báez Vázquez pH = 6.0, esta fase se verifica en los primeros 10 a 15 días.
metanobacterium – propiónico, mateno – cocus y metano – sarcina. El pH alcanza valores mayores de 7.0 y se reducen las espumas mínimo.
La eficiencia del proceso se evalúa en función de: • • •
•
La producción de gas por unidad de materia volátil destruida Las proporciones de CH4 – CO2 en el gas producido El % de materia volátil destruida durante el proceso de digestión El contenido de humedad de los lodos digeridos
Las gráficas siguientes, muestran como se desarrolla el proceso de digestión en sus distintas fases descritas, así mismo el % de gases obtenidos en la fase que se presenta la digestión.
El proceso de la digestión esta en función de la temperatura, se pueden lograr tiempos mínimos para temperaturas óptimas, como se indican en la siguiente tabla: Tipos de digestión Psicrofílica Mesofílica Termofílica
Temperatura O
10 – 20 C. 20 – 35 OC. 35 – 45 OC.
Tiempo 80 días 23 días 14 días
En climas tropicales, es posible mantener una digestión mesofílica bajo condiciones normales de temperatura reinante en el ambiente y un pequeño calentamiento del lodo bajo digestión puede permitir lograr que el proceso este dentro del rango termofílico.
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Digestores Generalidades Son tanques cilíndricos cerrados herméticamente donde se lleva el proceso de digestión acompañado de licuefacción, producción de gases, y estabilización de materia orgánica, donde los sólidos orgánicos se convierten a una forma mineral inodora y fácil de drenar. La digestión puede estar precedida por el espesamiento de los lodos, reduciendo de este modo su contenido de humedad y se logra con un almacenamiento acompañado de agitación para desprender gases y drenar el agua.
Componentes de los digestores Los digestores tienen tres zonas de digestión que permiten establecer las condiciones de operación para ser controlados eficientemente como son: • • •
Zona interior: contiene los lodos digeridos Zona intermedia: contiene el líquido sobrenadante Zona superior: contiene la espuma como producto de la digestión
Clasificación de digestores • •
Digestores anaerobios Digestores Aerobios •
Digestores anaerobios
Son calentados y sometidos a un alto grado de mezclado, la temperatura se mantiene a 35 °C, para mezclar completamente el contenido del reactor una vez al día. El mezclado se consigue con la recirculación del gas recogido en la zona superior del
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digestor, o bien, mediante tubos de aspiración dotados de hélices. La adición de lodo crudo se hace en forma uniforme para no alterar el proceso por lo menos durante dos veces al día, siendo deseable una mayor frecuencia. El diseño de los digestores anaerobios es, en su mayor parte empírico. En la siguiente tabla se presentan los criterios de diseño para los digestores de baja carga ( sin mezclado) y alta rata (con mezclado). Los sistemas de digestión modernos son, generalmente de alta carga de dos etapas: la primera con calentamiento y mezclado de lodos y la segunda sin ellos, sirviendo de efectos prácticos de espesador de lodos digeridos. La digestión anaerobia es un proceso de dos etapas, en las cuales, los compuestos orgánicos complejos presentes en el lodo, en primer lugar son descompuestos en productos más simples en CH 4 y Anhídrido Carbónico por medio de un grupo de bacterias.
Digestores Anaerobios de Alta Carga Proceso de la Digestión en un Digestor Anaerobio 20% 17 %
Ácido Acético 72 % 35 %
Mat. Org. Residuo Comple o
65 %
Otros 15Productos Intermedios
15 %
Metano
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15 % 15 %
13 %
Ácido Propiónico
Criterios para el Diseño de Digestores Anaerobios Parámetros de Diseño
Proceso de alta carga
Proceso de baja carga
Tiempo de retención de sólidos ( θc = días) Carga de sólidos
10 – 20 2.4 – 6.4
30 – 60 0.6 – 1.6
Volátiles (Kg/m 3. día) Volumen (m3/cápita) Primaria Primaria y filtro percolador Primario y activado Concentración de sólidos digeridos Reducción de sólidos volátiles Producción de gas m3/Kg de SSV aplicados Contenido de metano
0.04 – 0.06 0.08 – 0.09 0.08 – 0.12 4– 6 % 50 % 0.53 65 %
0.06 – 0.09 0.12 – 0.14 0.12 – 0.17 4-6% 60 % 0.65 65 %
•
Digestores aerobios
Los digestores aeróbicos son favorecidos en instalaciones tales como: hospitales, escuelas, hoteles, fraccionamientos y en algunas industrias. En instalaciones de este tipo, el flujo entra directamente a los tanques de aireación sin tratamiento preliminar (algunas veces por conmunitores), de aquí es pasado a los tanques de sedimentación final. Estos tienen una tolva de la cual los lodos son retornados a los tanques de aireación, donde los tiempos de retención son de 24 y 4 horas para la aireación y sedimentación respectivamente. La razón de recirculación de los lodos puede ser de 100% a 500% del efluente al sistema y el consumo de aire es muy alto, resultan efluentes de buena calidad y un mínimo de subproductos, no hay disposición de lodos, y no más de 30 ppm de DBO, pocos sólidos suspendidos en los efluentes. Lo sencillo del proceso y el poco espacio que ocupa éste sistema de tratamiento de lodos, se muestra en el siguiente esquema, siguen una ruta como se indica a continuación :
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Nomenclatura de los tanques del digestor a.- Tubo de entrada y conmunitor b.- Tanque de aireación c.- Tanque de sedimentación d.- Vertedero y artesa de descarga e.- Canal de llegada y vertedero triangular f.- Tubo de descarga g.- Aire de los compresores por las tuberías (h,j y k) La digestión aerobia logra una reducción de sólidos volátiles comparable a la de los digestores anaerobios. El sobre nadante del proceso tiene una DBO menor, el lodo digerido puede ser más difícil de deshidratar que él producido en la digestión anaerobia. La digestión aerobia con el empleo del oxígeno disuelto ha sido experimentada para la estabilización de los lodos espesados, aún que la elevación de temperatura producida por la mayor tasa de oxígeno que tiene lugar en estos procesos, puede alterar negativamente las características de deshidratación de los lodos. El tiempo de retención (10 días) son similares a los empleados en los sistemas que utiliza el aire, pero la carga de sólidos puede ser mayor. Los criterios de diseño de los digestores aerobios son semejantes a los usados en los sistemas anaerobios de alta carga, tal como se indican a continuación: Criterios de Diseño de los Digestores Aerobios
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Parámetros
Valores
Tiempo de Retención θc Lodos activados Lodos activados y primarios
15 – 20 días 20 – 25 días
Necesidades de Aire (Aireación con difusores) Lodos activados Lodos activados y primarios
20 – 35 Lts.min/m 3 55 – 65 Lts. min/m 3
Potencia necesaria (Aireadores superficiales) Carga de sólidos
0.02 – 03 Kw/m 3 1.6 – 3.2 VSS.m 3/día
Rendimiento
Los digestores de tipio aerobio cargados con más de 0.32 Kg/m 3 de DBO del volumen del tanque de aireación, pueden dar efluentes con menos de 30 ppm de DBO; o sea, pueden remover del 75 % a 90 % de la DBO. Los sólidos de los efluentes no tienen la concentración elevada para causar molestias, la mayoría son destruidos en el proceso. Normas de Diseño para los Digestores Aerobios
Elemento Capacidad
Cribado
Se prefiere el equipo de trituración para grandes instalaciones
Aireación
24 horas para flujo promedio exclusivo de la recirculación
Aire
Un suministro de 0.279 m 3/Kg o 131 m3/Kg de la DBO aplicada
Sedimentació 4 Horas de retención para el flujo promedio exclusivo de la recirculación n
Referencia de diseño 1,500 lts / día y por vivienda o 378 Lts / persona. día
100 % o más del flujo promedio
Recirculación
Medición
Nota:
Zanjas de Oxidación
Vertedor triangular u otros dispositivos satisfactorios Para plantas de capacidad mayor de 150,000 litros/día, deben proveerse dos o más tanques de aireación y sedimentación.
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Introducción El proceso de zanjas de oxidación es una aplicación ingeniosa de tratamiento de lodos activados, es útil para comunidades pequeñas y medianas, esta basado en el uso de rotores o cepillos para la aireación, existen muchas instalaciones para tratar diversos tipos de aguas. El principio básico del proceso, es la aplicación de los lodos activados por aireación extendida, a base de suministrar aire u oxígeno por medio de rotores girando en el agua en un circuito cerrado. Los lodos contienen floculos que están compuestos por los mismos microorganismos que tienen los lodos activados como: bacterias, protozoarios, hongos, algas, metazoarios y otros .
Funciones Simplificar el proceso de tratamiento biológico, reducir el costo de operación, eliminando para estos fines los desarenadores, sedimentadores y la estación de bombeo para la recirculación, así como también el equipo de aireación que es un perfeccionamiento del cepillo del tipo Kessener. Mediante este sistema de tratamiento, es posible reducir de un 90 a 98 % de la DBO.
Rotores para Zanjas de Oxidación
Las zanjas de oxidación, es una excavación del suelo en forma de un foso largo y angosto cerrado sobre si mismo, la única pieza móvil consiste en el equipo de aireación superficial, conocido como rotor de paletas o rotor T.N.O.
Tipos de las Instalaciones
•
Tipo I : Canal simple Tipo II : Canal duplex Tipo III: Canal doble Tipo IV: Admisión y extracción continuas con dos fosas Tipo V : Con sedimentador concéntrico Tipo VI: Con sedimentador secundario
•
Tipo I: Canal simple
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El agua residual pasa por rejillas para eliminar sólidos flotantes (único pretratamiento), entra en la fosa y se hace circular con los lodos activados formándose el licor mixto, que se airea con cepillos rotatorios superficiales tipo de jaula. El agua permanece en la zanja de 24 a 72 horas, junto con los sólidos que el agua arrastra que son de carácter orgánico y alcanzan un estado avanzado de mineralización, que hace innecesaria la instalación de digestores de lodos, como se observa en el esquema 1. •
Tipo II: Canal duplex
Parte del canal, es construido de mayor ancho (doble) que el simple para permitir que un vertedor intercambiable, deje descargar el efluente y a la vez permita una separación del exceso de lodos que pueden formarse en el sistema. Este exceso de lodos es directamente descargado a un pequeño lecho de secado sin digestión previa, observar el esquema 2. •
Tipo III: Canal doble
El afluente se introduce, utilizando un distribuidor automático, hacia uno de los dos canales en donde la salida está cerrada. Arranca el rotor, después de un tiempo el distribuidor automático pasa el agua al otro canal, donde arranca el otro rotor. En el primer canal ocurre una sedimentación y a la salida se abre dando paso a las aguas tratadas, repitiéndose el ciclo. La operación de esté sistema es de carácter continuo como se puede observar en la figura 3.
Figura 2
Figura 3
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•
Tipo IV: Admisión y extracción continuas con dos fosas secundarias
Estas plantas están formadas por una zanja en forma ovalada adosada a dos fosas secundarias que operan como sedimentadores secundarios. El agua a tratar entra por A y B que son dos cepillos rotatorios donde se mezcla y airea el licor de la fosa. Las fosas auxiliares C y D operan alternadamente, como sedimentadores, estando provistas por cepillos rotatorios para que una vez extraída el agua tratada por los puntos I o II, se pongan en circulación los lodos activados sedimentados durante la clarificación. La extracción de lodos es periódica por el punto E y pasan a los lechos de secado en F, el exceso de agua se regresa a la fosa principal. El ciclo completo de funcionamiento es de 8 horas, como se presenta en el esquema 4. •
Tipo V: Con sedimentador concéntrico
Otras veces se utilizan zanjas con canales concéntricos de sedimentación. En este caso, el circuito externo es de operación continua y el interno de operación intermitente, ver esquema 5.
Figura 4 •
Figura 5
Tipo VI: Con sedimentador separado
En este tipo de plantas, se tiene una operación continua del rotor, con sedimentación en tanque separado, ver esquema 6.
Diseño
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• • • • •
Sección transversal Largo Forma Número de unidades Largo del rotor de aireación
Sección transversal La velocidad del agua en la zanja, está limitada por un mínimo para evitar la sedimentación y un máximo para contrarrestar la erosión en los taludes. Esta velocidad oscila entre 0.25 y 0.30 m/seg. para suelos arenosos y arcillosos. Velocidades mayores de 0.30 m/seg., además de no producir beneficios, ocasiona un consumo inútil de energía eléctrica, es de esperarse se produzcan depósitos en el fondo, pero las condiciones anaerobias de estas zonas no interfieren sustancialmente en el proceso.
Velocidades Críticas en Zanjas Abiertas en Suelos de Estructuras Diversas Tipo de Suelo Arcilla Arcilla arenosa Arcilla en granos pequeños Arena en granos grandes
Velocidad Crítica (cm/seg) 60 – 80 30 – 60 15 – 30 20 – 50
Diseño • • • • •
Sección transversal Largo Forma Número de unidades Largo del rotor de aireación
Factores de Velocidad Recomendada Largo Necesario del Rotor Profundidad
Sección transversal
Condiciona el ancho mínimo de la Oscila entre 0.8 y 1.5 m. La más común es un trapecio, ya que zanja, generalmente el ancho es de 5 encontrándose frecuentemente los taludes pueden ser conservados cm. valores de 1.0 m. sin revestimiento o bien con mampostería.
Largo y número Determinando el volumen y la sección transversal, el largo se obtiene del cociente de dividir los dos valores. Esta medida es tomada a lo largo del eje longitudinal desarrollado de la faja líquida . El caso más frecuente es el de instalaciones con una sola zanja, sin embargo, pueden utilizarse dos unidades para la operación en paralelo o alternada, o cuando el área disponible no permita la construcción de una zanja muy larga, ( existen combinaciones con una o dos zanjas).
Dispositivos de entrada y salida
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•
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• •
Cuando hay una estación de bombeo, los sólidos gruesos quedan retenidos en las rejillas con que son dotadas. Para dos zanjas paralelas se emplea una caja distribuidora, para orientar el efluente a cualquiera de las zanjas. Es conveniente la instalación de un medidor de caudal pudiendo ser un Parshall o Ventury. Para la salida pueden ser consideradas dos cosas: -
1.- Los efluentes de la zanja son dirigidos a un sedimentador 2.- No hay sedimentador
Dispositivos de aireación
•
•
•
En las zanjas de oxidación, el líquido es impulsado por un rotor de paleta que tiene dos funciones: provocar una turbulencia suficiente para impedir la sedimentación de los floculos e introducir oxígeno atmosférico a la fase líquida. El grado de oxigenación se mide por la “Capacidad de Oxigenación” (CO), que se define como la absorción del oxígeno en agua destilada a 10 °C., 760 mm. de Hg y 0.0 mg/L O.D. y se expresa como gr. de O 2/h/m3 de tanque. El rotor de aireación, consiste en una estructura de 12 barras horizontales de acero, dispuestas como las generatrices de un cilindro, sobre las cuales se encuentran fijadas paletas de 5 cm. de ancho y guardando 5 cm. de espacio libre entre ellas. El diámetro del rotor es igual a 70 cm. y la velocidad periférica de 2.5 m/seg., estos valores son empleados para el dimensionamiento de los rotores.
Disposición de lodos Los lodos son estabilizados aeróbicamente en conjunto con la fase líquida. Los sólidos son lentamente estabilizados por los microorganismos porque ellos mismos son formados de organismos vivos, primero pasan por la fase “Lisis”, de esta manera es necesario conservar por más tiempo el lodo en la zanja, siendo períodos comunes entre 10 a 20 días o más.
Lechos de secado La práctica Europea considera 1 m 2/6 habitantes, los secados se hacen en capas de 20 cm. Si el suelo es permeable los lechos no necesitan drenaje y su construcción es muy económica. El área necesaria para los lechos de secado es de aproximadamente 0.05 m 2/persona.
Criterios de Diseño para Zanjas de Oxidación
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Diseño Preliminar Carga volumétrica Factor de carga Kg/día DBO entrada
C.V= ----------------------
Kg/día DBO
F.C (Ls)= -------------------
Vol. de la Zanja (m3)
C.V: Varia entre 0.16 – 50
Diseño Cinético No hay modelos
Kg. SSLM
SSLM: Sól. suspend. en liq. mezclado
Los Kg de SSLM son calculados como el producto de los sólidos suspendidos totales en el tanque de aireación (SSTA) por el volumen del mismo (zanja).
Si consideramos que: V = Volumen del aireador en m3 y L = Carga recibida en Kg DBO/día Se tiene a) L/V = 0.25 y L b) -------------- = 0.05 SSTA x V mg/L Si el valor de SSTA se toman en Kg/m de lodos secos o sea ---------- = Kg/m3 1000 En consecuencia de esas relaciones se tendría un valor de SSTA = 5 Kg/m 3. Este valor puede variar entre 4 y 8, por lo que al variar L/V se puede ajustar el volumen de la zanja. La profundidad del agua en la zanja está comprendida entre 0.85 a 1.25 m; normalmente se asume un valor de 1.20 metros. 3
En la siguiente figura se presenta el caso de una zanja (completamente mezclada) con sedimentador, recirculación de lodos y descarga al lecho de secado:
Lecho Qw, X Q, So
X, V, S ZANJA
Q - QW S Xo Qr, Xr, S
Zanja con Sedimentador y Recirculación de Lodos con Descarga al Lecho de Secado
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Como se indica en el esquema anterior, la concentración de microorganismos en el efluente es (Xe), es fácil de probar que:
VX Ts = ---------------------------Q w X + (Q – Q w) Xe
V para efectos prácticos Ts = ------Q w
y además Ks ( 1+Kd θc ) S = -----------------------Ts (YK – Kd) – 1
o sea que
y
X =
Ts x Q ------------V
Y ( So – S ) ----------------1 + Kd Ts Valores para aguas residuales
XV Q Y (So – S) AX ------- = ------------------ = -----Ts 1 + Kd Ts At
KS = 6.5 días-1 Kd = 0.04 – 0.1 Y = 0.5 – 0.7 S* = 22 mg/L
Donde: Y = Coeficiente de crecimiento (gr/gr) donde el numerador es la masa de microorganismos y el denominador es la masa del substrato. Kd = Tasa de mortalidad de microorganismos (días-1) X = Concentración de microorganismos (gr/L) K =Tasa máxima de utilización del substrato por unidad de peso de microorganismos (días-1) S* = Concentración del substrato para la cual la tasa de utilización del mismo por unidad de peso de microorganismos es la mitad de la tasa máxima (gr/L). S = Concentración del substrato que rodea los microorganismos (gr/L)
Operación y mantenimiento Problemas de Funcionamiento Producción de Gases
Malos olores
Moscas
Infiltraciones
La descomposición anaerobia de la materia orgánica origina sólidos y gases altamente estabilizados (CH4 y CO2)
Cuando las aguas llegan sépticas a la planta de tratamiento, se producen olores fétidos, debido a que la dilución es grande y el olor queda imperceptible.
No se considera la presencia de moscas, debido al movimiento fuerte del líquido, no permite la postura de los huevecillos por los insectos ni el desarrollo de larvas.
La infiltración no tiene importancia en las zanjas de oxidación, ya que son revestidas.