TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES
M. En C. Carlos A. Poot Delgado.
Magda Carolina Correal S.
Contenido
• Características de las aguas residuales
–Fuentes
–Características físicas
–Características Químicas
–Características Biológicas
• Composición de las aguas residuales
Contenido
• Prevención de la contaminación : Disminución
de consumo y reducción de aguas residuales
• Métodos de tratamiento
– Parámetros de diseño de sistemas de
tratamiento
–
–
–
–
Clasificación de los métodos
Niveles de tratamiento
Aplicación de las operaciones y procesos unitarios
Elementos de diseño
1. Características de las Aguas
Residuales
Fuentes de las aguas residuales
• Agua residual doméstica:
–
–
–
–
Zonas residenciales
Zonas comerciales
Zonas institucionales
Centros recreativos
• Agua residual no doméstica
– Industrias
• Infiltraciones y conexiones erradas
Características Físicas
Sólidos totales
(T°=105°C)
Temperatura (T° 550°C)
Filtración
(0.45 micras)
Volátiles
Fijos
Suspendidos
Disueltos
orgánico
inorgánico
retenido
filtrado
Ejercicio
Los siguientes resultados de laboratorio fueron obtenidos para una muestra
de agua residual. Los ensayos se realizaron para una muestra de 50 ml.
Determine:
Concentración de Sólidos totales, Sólidos totales volátiles, Sólidos
suspendidos, Sólidos suspendidos volátiles
Tara de la cápsula de porcelana = 53.5433 gr
Masa de la cápsula + residuo, luego de evaporación a 105°C = 53.5793 gr.
Masa de la cápsula + residuo, luego de calcinación a 550°C = 53.5772 gr.
Tara del filtro = 1.5433 gr
Residuo en el filtro, luego de secado a 105°C = 1.5553 gr
Residuo en el filtro, luego de calcinación a 550°C = 1.5531 gr
Características Físicas
• Color
– Causado por sólidos suspendidos (aparente),
material coloidal y sustancias en solución
(verdadero).
– Fuentes de color: infiltración, aportes por
conexiones erradas, descargas industriales, y
descomposición de compuestos orgánicos.
– Café claro, gris claro, gris oscuro o negro.
Características Físicas
• Olor:
– Agua residual fresca: olor inofensivo
– Generadores de olores: indol, eskatol, mercaptanos,
sulfuro de hidrógeno.
– Métodos de medición: métodos sensoriales e
instrumentales.
Principales compuestos olorosos
N o m b re
del
c o m p u e sto
M e th yl
m e rc a p ta n
H yd ro g e n
s u lfid e
S u lfu r
D io xid e
A m m o n ia
In d o le
T rim eth yl
a m in e
S ka to le
A c e ta ld e h yd e
O zo n e
C h lo rin e
F ó rm u la q u ím ic a
Peso
m o le c u la r
V o la tilid a d
2 5 ºC
P p m (v/v )
a
U m b ra l
de
d e te c c ió n d e
o lo r
p p b (v /v )
C o m p u e s to s c o n a zu fre
G as
0 .5
U m b ra l
de
re c o n o c im ie n
to d e o lo r
p p b (v /v )
C a rá c te r
p a la b ra
d e s c rip tiv a
o lo r
1 .0
ro tte n c a b b a g e
o
del
C H 3S H
48
H 2S
34
G as
0 .5
4 .7
ro tte n e g gs
SO2
64
G as
2700
4400
p u n g e n t, irrita tin g
37000
p u n g e n t, irrita tin g
fe c a l, n a u s e atin g
p u n g e n t, fis h y
50
fe c a l,
n a u s e a n tin g
210
p u n g e n t, fru ity
p u n g e n t, irrita tin g
p u n g e n t,
s u ffoc a tin g
C o m p u e s to s c o n N itró g e n o
G as
17000
360
0 .1
G as
0 .4
NH3
C 6 H 4 (C H ) 2 N H
(C H 3 ) 3 N
17
117
59
C 9H 9N
131
200
44
48
71
O tro s c o m p u es tos
G as
6 7 .0
G as
500
G as
80
C H 3C H O
O3
C l2
1 .0
310
Características Físicas
• Temperatura:
– Regiones cálidas: 13°C - 30°C
– Regiones frías: 7°C - 18°C
– Afecta las reacciones químicas, velocidades de
reacción, uso del agua, vida acuática.
– T° óptima vida bacteriana: 25°C - 35°C
– Detención de procesos aeróbicos y de nitrificación:
50°C
– Detención producción de metano: 15°C
– Detención procesos nitrificantes: 5°C
Características Físicas
• Conductividad
– Capacidad de una solución para conducir la
corriente eléctrica.
– Indicador de la concentración de sólidos disueltos
totales
Características Químicas
• Constituyentes orgánicos
• Proteínas
• Grasas y aceites
• Carbohidratos
– Constituyentes inorgánicos
• Elementos individuales (Ca, Cl, Fe, Cr, Zn, etc.)
• Compuestos (NO3, SO4)
Características Químicas
• pH:
– Intervalo existencia vida biológica: 5 - 9
– Parámetros importante para el tratamiento
– Medición: pH metro
Características Químicas
• Nitrógeno:
– Nutriente esencial - eutrofización
– En aguas residuales: nitrógeno amoniacal, nitritos,
nitratos y nitrógeno orgánico.
– Nitrógeno amoniacal:
• Ion amonio: pH<9.3
• Amoniaco: pH>9.3
– Medición: métodos colorimétricos, titulación,
electrodos
Características Químicas
• Fósforo:
– Nutriente esencial
– Aguas residuales domésticas pueden tener entre
4 - 12 mg/L como P.
– Formas comunes: ortofosfatos, polifosfatos (sufren
hidrólisis en soluciones acuosas y se convierten en
ortofosfatos) y fósforo orgánico (en aguas
industriales).
Características Químicas
• Alcalinidad:
– Neutralizar ácidos
– Presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos
– En sistemas anaerobios o de nitrificación amortigua
ácidos
Características Químicas
• Otros constituyentes inorgánicos:
– Azufre:
• Ion sulfato en aguas de abastecimiento y residuales
• Sulfatos se reducen biológicamente a sulfuros
– Metales
• Todos los organismos los requieren.
• Medición: absorción atómica, plasma acoplado por
inducción o colorimetría.
• Clases de metales: disueltos, suspendidos, totales,
extractables en ácido (en solución, ácido mineral en
caliente).
Características Químicas
• Constituyentes orgánicos agregados:
– Materia orgánica en las AR: proteínas (40 - 60%),
carbohidratos (25 - 50%) y grasas y aceites (8 12%). Urea (mayor constituyente de la orina)
– Análisis: caracterizar AR, eficiencias STAR,
comportamiento fuentes receptores.
– Métodos: DBO5, DQO, COT.
Características Químicas
• Demanda Bioquímica de Oxígeno:
– Si hay suficiente oxígeno disponible, la
descomposición del desecho continua hasta que se
ha consumido.
– Tres actividades ocurren:
• Oxidación: desecho oxidación a productos finales,
generan energía.
• Síntesis: desecho a tejido celular usando la energía
liberada
• Respiración endógena: cuando se acaba la MO, las nuevas
celular consumen su propio tejido celular para obtener
energía.
Demanda Bioquímica de Oxígeno
• Desechos orgánicos : COHNS
• Tejido celular: C5H7NO2.
• Reacciones químicas:
– Oxidación
COHNS + O2 + bacterias  CO2 + H2O + NH3 + energía
– Síntesis
COHNS + O2 + bacterias + energía  C5H7NO2
– Respiración endógena
C5H7NO2 + 5O2  5CO2 + 2H2O + NH3
Demanda Bioquímica de Oxígeno
• Oxidación Carbono orgánico: DBOúltima
• Prueba estándar:
– Botella de DBO (300 ml)
– Agua saturada con oxígeno y nutrientes
– Medir [O2] inicial (D1), incubar a 20°C por 5 días y
medir [O2] final (D2).
DBO (mg/L) = (D1 - D2) / P
P es la fracción de agua residual contenida en la
muestra
Ejercicio (10’)
La siguiente es la información de un ensayo de
DBO a 5 días para una muestra de agua residual.
Un volumen de 15 ml de agua residual se
agregó en una botella de incubación de 300 ml.
El OD inicial de la muestra diluida fue de
8.8mg/L y el OD final, después de 5 días de
incubación fue de 1.9 mg/L.
Cuál es la DBO5 de la muestra?
Cuáles cree que son las limitaciones del ensayo?
Demanda Bioquímica de Oxígeno
• Limitaciones: periódo de 5 días, consumo de
oxígeno.
• Demanda adicional de oxígeno para oxidación
del amonio a nitrato (Demanda Nitrogenada de
Oxígeno). Las reacciones del proceso de
nitrificación son:
– Conversión de amonio a nitrito (Nitrosomonas)
– Conversión de nitrito a nitrato (Nitrobacterias)
Esta demanda ocurre 5 a 8 días después de iniciada la
prueba de DBO. Ojo si hay muchos nitrificantes.
Demanda Química de Oxígeno
• Medir material orgánico de las AR, susceptible
de ser oxidado químicamente.
– Se oxidan sustancias orgánicas difíciles de oxidar
biológicamente (lignina)
– Hay sustancias inorgánicas que se oxidan
– Algunas sustancias pueden ser tóxicas para los
microorganismos.
– Se realiza en 3 horas.
DBO5 / DQO
• DBO5/DQO entre 0.3 y 0.8 = ARD.
• DBO5/DQO > 0.5, tratamiento biológico
• DBO5/DQO < 0.3 constituyentes tóxicos y/o
aclimatación.
Características Químicas
• Grasas y aceites
– Liquidos a T° ambiente: aceites
– Sólidos a T° ambiente: grasas
– Esteres compuestos de ácidos grasos, alcohol y
glicerol.
Características Químicas
• Tensoactivos:
– “Agentes de actividad superficial”
– Moléculas orgánicas grandes compuestas de un
grupo hidrofílico y uno hidrofóbico.
– En AR provienen de descargas de detergentes,
lavanderías industriales, etc.
– Causan aparición de espumas
– Medición: cambio de color de una muestra estándar
de azul de metileno.
– SAAM - Sustancias Activas al Azul de Metileno
Características Biológicas
• Importancia: enfermedades, descomposición y
estabilización.
• Microorganismos presentes en Aguas
superficiales y subterráneas:
– Bacterias, hongos, algas, protozoos, plantas y
animales vivos, virus.
– Clasificación: eucariotas, eubacterias y
arqueobacterias.
– Eucariotas : núcleo recubierto, varias moléc. de
ADN. Procariotas (bacterias y arqueobacterias).
Características Biológicas
– Fuente de carbono: heterótrofos (requieren carbono
orgánico) y autótrofos (carbono celular se deriva del
CO2).
– Requerimientos de oxígeno: aerobios obligados,
anaerobios facultativos, anaerobios aerotolerantes y
anaerobios obligados.
– Requerimientos ambientales:
• por T°: psicrofílicas (-10 - 20°C), mesofílicas (10 - 50°C),
termofílicas (40 - 70°C) e hipertermofílicas (70 - 95°C)
• pH óptimo para crecimiento bacterial: 6.5 - 7.5
Características Biológicas
• Uso de microorganismos indicadores:
• Se emplean los organismos coliformes (fácil
identificación y presencia abundante).
• Siempre presentes en el tracto intestinal; c/persona evacua
entre 100.000 - 400.000 millones de bacteria coliformes
por día.
• Indicador de posible presencia de organismos patógenos.
• No son efectivos para indicar presencia de virus y
protozoos.
• Se está analizando el uso de bacteriófagos como indicador
de virus entéricos (virus que pueden infectar células
procariótas).
Características Biológicas
• Microorganismos patógenos: Bacterias,
parásitos (protozoos y helmintos) y virus
• Métodos de conteo: conteo directo, cultivo de
placa, filtro de membrana, fermentación en
tubos múltiples.
2. Composición de las Aguas
Residuales
Composición de las AR
• Valores comunes de la cantidad total de
contaminantes por habitante (Tabla 4.11 y 4.14).
• Valores comunes de ARD (RAS Res 1096/00)
Parámetro
Intervalo
DBO5 (gr/hab-día)
25 - 80
SST (gr/hab-día)
30 – 100
Nitrógeno total Kjeldahl (gr/hab-día) 9.3 – 13.7
Coliformes totales (#/hab-día) 2X108 – 2X1011
Variaciones
• Variaciones:
– en la concentración
– en el caudal
– en la carga másica:
Concentración media integrada: proporcional al caudal, se
obtiene de la sumatoria del producto de los valores de
caudal y concentración del constituyente de interés (para
muestras horarias de 24 horas), dividida por la sumatoria
del caudal.
• Calcular la concentración media integrada y la
concentración media aritmética y comparar los
resultados. Ejercicio (10’)
Normas de vertimiento
Decreto 1594 de 1984
•
•
•
•
•
•
pH
Temperatura
Grasas y aceites
SST
DBO domést
DBO indust
U. Existente
U. Nuevo
5 - 9 unidades
< 40°C
>80%
>80%
>50%
>80%
>30%
>80%
>20%
>80%
Normas de vertimiento
Decreto 1594 de 1984
•
•
•
•
•
•
•
Arsénico
Bario
Cadmio
Cromo
Mercurio
Plomo
Cianuro
0.5 mg/L
5.0 mg/L
0.1 mg/L
0.5 mg/L
0.02 mg/L
0.5 mg/L
1.0 mg/L
3. Prevención de la
contaminación
Prevención de la Contaminación
• Objetivo:
– Reducir el uso de agua potable
– Minimizar la generación de aguas residuales
• Programa P2 recomendado:
–
–
–
–
Reducción en el flujo de agua y aguas residuales
Reciclado
Recuperación de subproductos
Reuso
Beneficios vs. Restricciones
A rea
T écnica
E co nó m ica
R eg lam entaria
B eneficio po tencial
R ecuperació n
de
su bpro ducto s
co merciables
A ho rro s en gasto s por co nsu mo de agua y
m ateria prim a
A ho rro en inversio nes futuras
S im p lificació n en pro ceso s de o btenció n
de licencias y perm iso s.
R estricció n potencial
N ecesidad ad icio nal d e tratam iento para
cu mp lir co n requisito s de reutilizació n.
M ayo res
co sto s
de
o peració n
y
m antenim iento de sistemas de tratam iento
R equerim iento de dispo sició n de residuo s
Planeación del Programa P2
• Paso 1: Evaluación de toda la planta: (cómo se
usa el agua, generación de AR)
• Incluye revisión registros históricos, muestreos y análisis
de laboratorio, identificación de fuentes de suministro y
descargas).
• Paso 2: Areas potenciales para conservar,
reciclar y reutilizar el agua:
• Incluir aguas de uso sanitario, proceso productivo, otros
Planeación del Programa P2
– Factores a tener en cuenta:
• Identificar posibles fuentes
• Determinar los requisitos de calidad para el agua.
• Comparar los requisitos de calidad del agua con los valores actuales o
que podrían obtenerse mediante algún tipo de tratamiento.
• Estimar los flujos de aguas residuales producidas y requeridas y
volúmenes a ser almacenados.
• Analizar las objeciones de los usuarios en relación con el uso de agua
reciclada.
• Realizar estimaciones de costos actuales del agua y del agua residual
tratada y costos previstos.
Planeación del Programa P2
• Paso 3: Definir las metas de reducción de agua
de suministro y agua residual.
– Metas: específicas, cuantificables, asignables,
realistas y tiempo necesario para alcanzarlas.
• Ejm: reducir el consumo de agua en (área) en (%) para
(fecha)
• Paso 4: Poner en marcha el programa (ojo
flexible, monitoreo)
Técnicas para reducir las AR
dentro de la planta
• Objetivo: minimización de uso de agua.
• Areas relacionadas:
– Capacitación de personal
– Modificación y/o cambios operacionales en proceso
productivo.
– Minimización de uso de agua en servicios sanitarios,
mediantes dispositivos para restringir el flujo y
dispositivos de cierre automático.
Capacitación de personal
- Promover la concientización del personal respecto a
la necesidad de reducir el consumo
- Establecer metas cuantificables para dicha
reducción.
- Capacitar al personal en las diversas técnicas de
reducción del agua residual y métodos de
minimización.
- Vigilar el avance del programa (gráficos mensuales
de consumo) y reajustar los objetivos del programa
si se observa necesario
En el proceso productivo
• Modificaciones en el proceso:
– Cambios en el equipo, por ejemplo:
• Usar enjuagues de rocío a alta presión en lugar de tanques
de inmersión.
• Sistemas de enfriamiento con aire en lugar de agua.
• Reemplazar la torre de enfriamiento por sistema de
enfriamiento a base de refrigerante.
• Ponderar costo vs beneficio.
En el proceso productivo
• Cambios en las operaciones:
– Mejorar operaciones de limpieza del equipo:
• Dispositivos mecánicos de limpieza, limpieza en seco,
cortina de aire, enjuague a contracorriente.
– Maximizar la vida efectiva del agua de producción:
• enjuague a contracorriente, medición de conductividad.
– Optimización del consumo:
• Evitar sellos defectuosos en tubos y equipos, equipos de
control automático, reductores de flujo, cubiertas, control
de nivel del agua.
En servicios sanitarios
• Uso de dispositivos y sistemas para reducir el
consumo (Tabla No.36-4)
• Fuentes de generación de aguas residuales:
lavadoras, bebederos, duchas, grifos, inodoros.
Técnicas para reciclar AR no tratada
• Reciclado de aguas residuales industriales
– Depende de los requisitos del proceso que recibe las
aguas.
– Tabla 36-5
– Purga de torres de enfriamiento para lavado.
– Agua de enfriamiento de 1 uso (sin contacto) para
intercambiador de calor y almacenamiento para
enfriamiento sin contacto.
• Reciclado de aguas de uso sanitario:
– Agua residual “gris” (agua de lavado de duchas,
lavadoras de ropa o vajillas) para inodoros o riego.
Recuperación de Subproductos
– Objeto: regular la descarga de contaminantes
– Criterios de selección:
• Comparar el valor del subproducto recuperado con el
costo derivado de su disposición y de la materia prima
equivalente.
• Tecnología de recuperación disponible y apropiada.
• Demanda del producto garantizada.
• Producción mínima garantizada
• Efecto sobre la línea de producción
• Tabla 36-6
Tecnologías para la recuperación
•
•
•
•
Evaporación (e.g. Solventes en forma de vapor)
Ultrafiltración (e.g. Recuperación de pesticidas)
Biotecnología (e.g. Formación de metano)
Extracción de solventes (dos fases líquidas no
miscibles, e.g. Metales solubles)
• Precipitación selectiva (de iones por control de
pH)
• Tabla 36-7
Reutilización del agua residual
• Criterios: calidad requerida, tecnología disponible
• Irrigación agrícola: cultivos o viveros
• Irrigación de jardines: parques, patios, cementerios.
• Reutilización en la industria: aguas para sistemas de
enfriamiento, de proceso.
• Usos recreativos/ambientales: recarga de lagos, acuiferos.
• Usos urbanos: protección contra incendios, inodoros
• Tabla 36-8
Trabajo (15 días) = 30%
• Caracterización aguas residuales producidas por
la Universidad:
– Caudales
– Características físicas, químicas y biológicas
• Propuesta de programa de prevención de
contaminación:
– Diagnóstico (fuentes de agua y de consumo,
descargas, caudales, uso de dispositivos de ahorro,
reuso, reciclaje)
– Propuesta: áreas potenciales, metas
4. Métodos de tratamieno de las
Aguas Residuales
Métodos de tratamiento
• Clasificación:
– Operaciones físicas unitarias: floculación,
sedimentación, flotación, filtración, tamizado.
– Procesos químicos unitarios: Precipitación,
adsorción y desinfección.
– Procesos biológicos unitarios: métodos donde la
remoción se realiza gracias a la actividad biológica.
Se usan principalmente para remoción
constituyentes orgánicos biodegradables y
nutrientes.
Niveles de tratamiento
N ive l de tratam ie nto
P re lim inar
P rim ario
P rim ario a va nzado
S ecundario
S ecundario co n
re m o c ió n
T erciario
A va nz ado
D escrip c ió n
R e m o c ió n de co nstitu ye ntes que puedan cau sar pro ble m as o perac io na le s o de
m a ntenim ie nto en lo s pro ceso s de tratam ie nto y siste m as au xiliares
R e m o c ió n de parte de só lido s y de m ateria o rgánica suspe nd ido s.
R e m o c ió n intensiva de só lido s suspe nd ido s y m ateria o rgánica, en ge nera l lle vad a
a cabo m ed ia nte la ad ic ió n de insu m o s qu ím ico s o filtrac ió n
R e m o c ió n de co m puesto s o rgánico s bio degrada bles y só lido s suspe nd ido s. S e
inc lu ye la desinfe cc ió n.
R e m o c ió n de co m puesto s o rgánico s bio degrada bles, só lido s suspe nd ido s y
nutrie ntes.
R e m o c ió n de só lido s suspe nd ido s residua le s, en genera l po r filtrac ió n en m ed io
granu lar. S e inc lu ye la desin fecc ió n y la re m o c ió n de nutrie ntes
R e m o c ió n de m ateria les d isue lto s o en suspe nsió n que perm a nece n despu és de l
tratam ie nto bio ló g ico co nve nc io na l. S e ap lica cua ndo se requiere reutiliz ar e l
agua tratada o para e l co ntro l de eutro fica c ió n en fu e ntes receptoras.
Aplicación de las operaciones y
procesos unitarios
C o nst ituye nte
S ó lido s suspe nd ido s
C o m pue sto s
o rgánico s
bio degrada ble s
P ató geno s
N itró geno
Fó sfo ro
M eta les pesado s
O perac ió n u nitaria, pro ceso unitario o siste m a de tratam ie nto
S ed im e ntac ió n, filtrac ió n, ad ic ió n de po lím ero s quím ico s,
co agula c ió n/sed im e ntac ió n, pro ceso s natura les (hum e d a les artific ia le s,
tratam ie nto en e l sue lo )
L o do s activado s, filtro s de lec ho e m pacado , lagu na s de estabilizac ió n, pro ceso s
natura les, reactores de pelícu la ad herida (filtro s perco lado res, co ntactores
bio ló g ico s rotato rio s), siste m a s físico -qu ím ico s.
C lo rac ió n, R ad iac ió n U V , pro ceso s naturale s, O zo nac ió n.
N itrifica c ió n/d e nitrific ac ió n (pro ceso s bio ló g ico s de pe lícu la ad herida, en
suspe nsió n), pro ceso s naturales
R e m o c ió n bio ló g ica, ad ic ió n de sa le s m etá lica s, co agula c ió n co n
ca l/sed im e ntac ió n, pro ceso s naturale s
P rec ip itac ió n qu ím ica, pro ceso s naturales
Tabla 4.29 y 4.30
Eficiencias típicas de tratamiento (%)
U nidad de tratam ie nto
S ed im e ntac ió n prim aria
L o do s activado s
co nve nc io na les
F iltro s perco lado res
S iste m a s anaero bio s
L agu nas de
estabiliz ac ió n
A naero bia s
Facu ltat iva s
A ero bias
DBO
30-40
80-95
DQO
30-40
80-95
SST
50-65
80-90
65-80
65-80
60-80
60-80
60-85
60-70
50 –70
80-90
80-95
-
20-60
60-75
85-95
Configuraciones típicas de STAR
X
X
X
X
X
X
X
X
X
PORTAL DE ENTRADA
X
X
DESARENADOR
CASETA CELADURIA
X
X
MEDICIÓN X
X
LECHOS DE SECADO
REJILLA
SEDIMENTADOR
SECUNDARIO
X
X
AFLUENTE
X
X
ALIVIADERO
X
X
X
X
X
AGUA CLARA
EFLUENTE
VERTEDERO
X
X
X
AFLUENTE
X
X
X
X
Configuraciones típicas de STAR
X
X
X
X
X
X
X
X
ESTRUCTURA
X DESCOLE
ESTRUCTURA
DE PASO
X
EFLUENTE
CANAL
ABIERTO
X
X
X
X
X
X
X
X
CASETA DE
CELADURÍA
X
X
X
AFLUENTE
X
X
X
X
MEDICIÓN
ESTACIÓN
BOMBEO
REJILLA
X
X
Asignación artículos (10%)
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TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES