BLOQUE III: AGUAS RESIDUALES Temas 9 y 10: Depuración de Aguas Residuales
Tecnología de Medio Ambiente y Sostenibilidad I Grado en Tecnologías Industriales
Índice
Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Tratamiento Primario
Tratamiento Secundario Tratamiento Terciario
Índice
Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Tratamiento Primario
Tratamiento Secundario Tratamiento Terciario
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
El tipo de agua residual a tratar, está caracterizado por una relación 300/400, es decir, 300 mg/l DBO5 y 400 mg/l SS
El agua tratada presenta unos valores 20/30
El agua residual industrial, ARI, puede tener valores altos de DBO5 y bajos de SS, además de un alto contenido de metales pesados y sustancias orgánicas.
Los residuos industriales también presentan altos valores de DQO y bajos valores de DBO. Por ello, se necesita antes del tratamiento biológico, un pretratamiento físico por ejemplo, desorción de amoníaco con aire y un pretratamiento químico tal como la oxidación-reducción de metales pesados.
El tratamiento biológico más empleado es el de fangos activados mediante el cual se consigue disminuir tanto la DBO5 como los SS de una amplia gama de partículas.
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
Las aguas residuales urbanas presentan una composición prácticamente orgánica.
Las aguas residuales industriales en sectores como la alimentación, químicas, farmacéuticas, presentan también un contenido orgánico en su composición.
La eliminación de la materia orgánica es el objetivo de los principales procesos de tratamiento de aguas residuales.
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Las etapas o fases en el tratamiento de las aguas residuales son: Pretratamiento. Tratamiento Primario. Tratamiento Secundario. Tratamiento avanzado.
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
Los contaminantes presentes en el agua residual pueden eliminarse con procesos químicos, físicos y/o biológicos
Los métodos individuales se clasifican en operaciones físicas unitarias, procesos químicos unitarios y procesos biológicos unitarios:
En las operaciones físicas unitarias predominan la acción de fuerzas físicas:
Desbaste Mezclado Floculación Sedimentación Flotación Transferencia de gases Filtración
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
La eliminación o conversión de los contaminantes mediante la adición de productos químicos o mediante reacciones químicas se conoce como procesos químicos unitarios:
Precipitación Adsorción Desinfección
Procesos biológicos unitarios: La eliminación de contaminantes se realiza mediante la actividad biológica. Elimina principalmente los compuestos orgánicos biodegradables presentes en el agua residual, tanto en forma coloidal como disuelta.
Estas sustancias se convierten en gases que se liberan a la atmósfera y en tejido celular que se eliminan por sedimentación.
El nitrógeno del agua residual también se elimina mediante el proceso biológico.
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
El pretratamiento elimina los constituyentes de las aguas residuales cuya presencia puede provocar problemas de mantenimiento y funcionamiento de los procesos, operaciones y equipos auxiliares:
Proceso físico y/o químico Desbaste y dilaceración: eliminan gruesos Flotación: elimina aceites y grasas Desarenado: elimina materia en suspensión gruesa la cual obstruiría o desgastaría los equipos.
El tratamiento primario elimina una fracción de los sólidos en suspensión y de materia orgánica del agua residual.
Proceso físico. Se realiza mediante operaciones físicas tales como tamizado, sedimentación. El efluente contiene alta materia orgánica y DBO.
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
Tratamiento Secundario: elimina del agua residual los sólidos en suspensión y los compuestos orgánicos biodegradables:
Proceso biológico En este tratamiento se suele incluir la desinfección. Se realiza mediante un tratamiento biológico con fangos activados, reactores de lecho fijo, sistemas de lagunajes y sedimentación.
Control y eliminación de nutrientes:
Se realiza debido a que el agua tratada que se descarga a un medio receptor puede originar condiciones de eutrofización. Puede disminuir el oxígeno disuelto debido a la nitrificación. Puede generar la abundancia de plantas acuáticas. Los principales nutrientes son el P y el N.
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
Se trata mediante procesos químicos o biológicos o bien una combinación de ambos. Es posible eliminar nutrientes en el tratamiento secundario al añadir sales metálicas en el tanque de aireación para provocar la precipitación del P en la decantación final.
Tratamiento avanzado: se emplea para la eliminación de:
Proceso físico y/o químico y/o biológico Nutrientes Compuestos tóxicos Exceso de materia orgánica o de sólidos en suspensión Los métodos a considerar son: filtración, intercambio iónico, membranas. Se emplea este tratamiento cuando hay que lograr una calidad de agua concreta como es en la industria con necesidades de agua de refrigeración o bien como recarga de aguas subterráneas.
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
Grado alcanzado en los tratamientos primario y secundario % eliminación constituyente Unidad
DBO
DQO
SS
P
N-Org
NH3-N
Desbaste Desarenador Sedimentación Primaria Fangos activados Filtros percoladores Alta carga, (pétreo) Muy alta, (sintético) Biodiscos Cloración
nulo 0-5 30-40 80-95
nulo 0-5 30-40 80-85
nulo 0-10 50-65 80-90
nulo nulo 10-20 10-25
nulo nulo 10-20 15-50
nulo 0 0 8-15
65-80 65-85 80-85 nulo
60-80 65-85 80-85 nulo
60-85 65-85 80-85 nulo
8-12 8-12 10-25 nulo
15-50 15-50 15-50 nulo
8-15 8-15 8-15 nulo
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
Procesos Unitarios en el tratamiento de aguas residuales e industriales Tratamiento ARU ARI (Quimica) ARI (Láctea) Pretratamiento Físico
Homogeneización Rejas Gruesos Finos, Eliminación Arenas
Pretratamiento Químico Primario Secundario
Homogeneización
Lavado con aire Oxidación/Redución Flotación Neutralización
Rejas Gruesos Finos, Eliminación Arenas Flotación Neutralización
Clarificación Primaria Tratamiento Biológico: Fangos Activados, Filtros Percoladores Lagunas Aireadas SBR Clarificación Secundaria
Fangos Activados Biológicos
Biotorres Fangos Activados
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
Procesos Unitarios en el tratamiento de aguas residuales e industriales Tratamiento
ARU
Eliminación de Nutrientes
Biológico (N) Químico (P) Biológico (P) Filtros de Arena
Terciario
ARI (Láctea)
Filtros de Arena Adsorción Oxidación Química Ozonización
Filtros de Arena
Intercambio Iónico
Avanzado de Aguas Resisuales Fangos y Vertidos
ARI (Quimica)
Si
Si
Si
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
Desbaste: Eliminación de sólidos gruesos y sedimentables por intercepción, (retención en superficie).
Dilaceración: Trituración de sólidos gruesos hasta conseguir un tamaño uniforme.
Homegeneización de caudales: Consigue la homogeneización de caudales, DBO y SS.
Mezclado: Aplicado a los productos químicos y gases con el agua, mantiene los sólidos en suspensión.
Floculación: Agrega partículas aumentando el tamaño en forma de flóculo para alcanzar una adecuada sedimentación.
Sedimentación: Eliminación de sólidos sedimentables y espesado de fangos.
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
Flotación: Eliminación de sólidos en suspensión finamente divididos y de partículas con densidades próximas a la del agua. También espesa los sólidos biológicos.
Filtración: Eliminación de los sólidos en suspensión residuales después del tratamiento químico o biológico.
Microtamizado: Igual que el tamizado con eliminación de algas de las lagunas de estabilización.
Transferencia de gases: Adición y eliminación de gases.
Volatilización y arrastre de gases: Emisión de compuestos orgánicos volátiles y semivolátiles del agua residual.
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
Operaciones unitarias en una planta de agua residual Homogeneizador de caudales Cl2 Caudalímetro Sedimentador primario Desbaste Dilaceración
Proceso biológico
Sedimentador secundario
Filtración
Desarenador
Cuba de mezclado fangos
Tanque agua lavado
Espesamiento por flotación Tratamiento de fangos
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales
AR 300/400
Desbaste Desarenado Clarificación Primaria 120/130
Lodo primario Tratamiento de lodos Acondicionamiento Espesado Deshidratación
Lodos activados Lodo secundario Lodo activado en exceso
Clarificación Secundaria 20/30 Filtración de Arena 10/10
Lodos
Efluente líquido
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento: Rejillas de desbaste
El objetivo del desbaste es la separación de los sólidos de gran tamaño alcazando al mismo tiempo la protección de los equipos aguas abajo.
Existen 4 tipos de rejillas:
Rejillas de gruesos con aberturas mayores de 6 mm Rejillas de finos con aberturas en un rango entre 1,5 y 6 mm Rejillas de extrafinos con aberturas entre 0,2 y 1,5 mm que reducen los SS a la entrada de la decantación primaria. Microtamices con aberturas en un rango entre 0,001 a 0,3 mm.
Los tamices pueden ser centrífugos, de tambor giratorio, de disco giratorio.
El flujo presenta unas velocidades de 0,5 m/s y menores de 1,2 m/s con unas pérdidas de carga máximas en torno a los 0,7 m
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento químico de aguas residuales AR Industrial
Metales Pesados
Productos Orgánicos
Oxidación Reducción
Oxidación
Precipitación
Adsorción
Productos Orgánicos con NH3 Desorción con Aire
Filtración Tratamiento Primario
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento físico de efluentes urbanos o urbanos – industriales AR Urbana
Rejas
Desarenado
Flotación Aceites y grasas
Equilibrado pH, Materia Orgánica, Nutrientes, caudal Tratamiento Primario
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento: desarenador
Un desarenador separa arenas que lleva el agua a tratar.
Las arenas consisten en:
Arena propiamente dicha Grava Cenizas Otros materiales pesados con peso específico o velocidades de sedimentación superiores a los sólidos orgánicos.
La fracción eliminada como arena es inerte y seca. No obstante presentan una composición variable con un contenido de humedad entre 13-65% y un contenido volátil entre 1-56%
Un valor adecuado de la densidad global de la arena es de 1600 kg/m3
El peso específico varía entre 2,7 (contenido inerte alto) y 1,3 (contenido de materia orgánica importante).
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento: desarenador
Un desarenador consigue:
Proteger los elementos mecánicos móviles de la abrasión y desgaste excesivo. Reducir la formación de depósitos pesados en el interior de las tubería, canales, conducciones. Reducir la frecuencia de limpieza de los digestores debido a la acumulación de arenas.
Se colocan después del desbaste y antes de los tanques de sedimentación primaria.
Tipos de desarenadores:
Desarenador de flujo horizontal (cuadrado o retangular) Desarenador aireador de flujo helicoidal
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento: desarenador
El aire se introduce por la parte inferior bien de forma centrada o en un lateral, ocasionando un movimiento en espiral del agua, perpendicular a la dirección del flujo principal. El agua residual pasará dos o tres veces por el fondo del tanque en condiciones de caudal punta, incrementándose el número de pasadas a menor caudal.
Las partículas de arena más pesadas sedimentan, mientras que la materia orgánica más ligera permanece en suspensión y se conduce a la decantación primaria.
Los desarenadores aireados producen una arena más limpia que los desarenadores de flujo horizontal.
La extracción de arena se realiza mediante cucharas bivalvas, cadena de cangilones, transportadores de tornillo helicoidal, bombas de chorro.
La introducción de aire en el desarenador aireado produce una agitación que da lugar a desprendimiento de COV,s, creando una situación de riesgo en la salud de los operarios.
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento: desarenador
El desarenador aireado elimina las partículas de tamaño 0,15 mm o superior con unas velocidades de sedimentación asociadas de unos 0,01 m/s
Para el diseño de una unidad de desarenador se contempla los valores siguientes:
Tiempo de detención: Profundidad: Longitud: Anchura: Relación ancho-profundidad: Relación longitud-anchura: Suministro de aire: m /min ·m longitud :
2-5 min 2,0-5,0 m 7,5-20,0 m 2,5-7,0 1:1 a 5:1 3:1 a 5:1 4,00,18-0,45
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento: flotación
Es una operación unitaria que separa partículas sólidas de los líquidos.
Se logra esta separación al introducir burbujas finas de aire en la fase líquida.
Las burbujas se adhieren a las partículas y debido a la fuerza ascensional del conjunto suben hasta la superficie del líquido.
Este procedimiento hace que asciendan partículas con una densidad mayor que la del líquido y también partículas con una densidad inferior como es el caso de aceites y grasas en agua.
En las aguas residuales, la flotación se emplea para la separación de sólidos en suspensión
Frente a la sedimentación, la flotación consigue eliminar mejor y en menor tiempo las partículas pequeñas.
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento: flotación
El aire se introduce en el sistema y es el elemento principal de esta operación. Los procedimientos que da lugar en el fenómeno de la flotación son:
Flotación por aire disuelto:
Se inyecta aire en el líquido. Este se disuelve a una presión de varias atmósferas y posteriormente disminuye hasta la atmosférica.
En instalaciones de pequeño tamaño, se presuriza a 275-230 kPa mediante una bomba el caudal a tratar añadiendo el aire comprimido en la tubería de aspiración de la bomba.
El caudal de agua se mantiene en un calderín a presión el tiempo suficiente para que el aire se disuelva
El líquido presurizado pasa a través de una válvula reductora de presión lo cual provoca que el aire deje la solución en forma de pequeñas burbujas. 26
1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento: flotación
reactivos
Agua a tratar Mecanismo flotantes
deflector
bomba Fango espesado
Efluente tratado
Tanque mezcla
Rascado de fangos
mezclado
Sólidos sedimentados
aire
Calderín presurizado
Válvula de presión
Flotación por aire disuelto
presurizador
mezclado
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento: flotación Flotación por aire disuelto con recirculación Mecanismo flotantes
deflector Efluente tratado
Fango espesado
Agua a tratar Rascado de fangos
mezclado Sólidos sedimentados
reactivos
bomba
Efluente recirculado aire
Válvula de presión presurizador
Tanque mezcla
Calderín presurizado
Efluente de la planta
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1. Introducción a los Procesos de Tratamiento de Aguas Residuales Pretratamiento: flotación
Entrando al tanque de flotación y distribuyéndose en su interior.
Las burbujas arrastran los sólidos en suspensión hasta la superficie.
En instalaciones de gran tamaño, se recircula parte del efluente, se pre4suriza y se alcanza casi la saturación con aire.
El caudal recirculado se mezcla con el agua a tratar no presurizada antes de la entrada en la unidad de flotación, generándose pequeñas burbujas al separarse el aire del líquido.
Flotación por aireación
Es un proceso de aireación a presión atmosférica introduciéndose directamente en el tanque por medio de difusores o turbinas sumergidas.
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2. Tratamiento Primario
El tratamiento primario disminuye los sólidos sedimentables. Mediante una sedimentación en reposo se logra una separación del material flotante y grasas y una eliminación del fango sedimentado.
Se produce un efluente líquido clarificado y un fango líquido-sólido denominado fango primario, los cuales se recogen en dos líneas independientes.
La finalidad del tratamiento primario es doble:
Producir un líquido clarificado de calidad desde la óptica de lo exigible como afluente del reactor biológico.
Producir un fango primario que sea fácil de tratar posteriormente.
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2. Tratamiento Primario
Se logra de forma general:
Reducir los SS. Reducir la DBO5 Reducir el exceso del fango activado del tratamiento secundario. Separar el material flotante. Homogeneizar de forma parcial los caudales y la carga orgánica
El tratamiento primario se denomina clarificación, sedimentación, decantación. Se realiza en una unidad que tiene forma preferentemente circular, existiendo también las formas cuadradas y rectangular con menor frecuencia, con una profundidad entre 2,5-5 m, y tiempos de retención entre 0,5-3 horas.
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2. Tratamiento Primario Decantador primario Agua clarificada
Materia flotante
Canal vertido
Rasqueta lodos
Vs
Lodos Afluente
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2. Tratamiento Primario
Para el diseño de un sedimentador se consideran parámetros físicos y parámetros de rendimiento:
Parámetros físicos:
Velocidad ascensional, carga superficial m3/(d m2) Geometría superficial Tiempo de retención hidráulica Carga sobre vertedero
Parámetros de rendimiento
Caudal afluente y sus variaciónes Tasas de carga contaminante Corrientes recirculadas: fangos activos, sobrenadantes de la deshidratación de fangos, aguas de lavado de procesos de filtrado en el tratamiento terciario.
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2. Tratamiento Primario
Los criterios considerados pueden variar debido a múltiples causas:
Tanto las cargas contaminantes como los caudales pueden variar varias veces al día respecto a los valores medio.
Cada línea de recirculación puede tener altas diferencias entre sí dependiendo de las fuentes de procedencia.
Los sobrenadantes de la digestión anaerobia así como las aguas de lavado de los filtros pueden tener altas cargas contaminantes.
El exceso de los tiempos de retención por mal diseño de la planta origina la septicidad dado que no se logra el mezclado en la decantación primaria.
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2. Tratamiento Primario
Si existe deficiencia en las operaciones y mantenimiento de la planta, como tiempos de retención altos y la no extracción de fangos adecuada en el tiempo, se puede obtener un agua efluente con poca diferencia respecto al agua residual tratada. Se puede alcanzar tasas de separación entre un 50-70% de SS y un 25 – 40 % de DBO5
La velocidad de carga superficial, está en un rango de 32-48 m3/(m2 d) a caudal medio. A caudales punta se consigue 80-120 m3/(m2 d). El 80% de estos valores se alcanza cuando se recircula los sólidos biológicos procedentes del fango activado.
La decantación primaria se mejora al considerar la adición de coagulantes tal como sales de hierro, aluminio o cal en una cuba de aireación previa al tanque de sedimentación.
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2. Tratamiento Primario
Esta adición de floculantes genera flóculos más propensos a la decantación y con ello una mayor tasa de separación de los SS y DBO5.
En una planta sin coagulante previo al decantador los rendimientos disminuyen a medida que la velocidad de sedimentación aumenta. En cambio estos rendimientos se mantienen constantes cuando se considera la coagulación siempre que las velocidades de sedimentación se mantengan en el rango 20-80 m3/(m2 d).
La coagulación química genera un lodo que es difícil de deshidratar.
Los rendimientos de la eliminación en la decantación primaria con y sin coagulantes presenta unos datos tales como:
SST 60-90% con coagulantes y 40-70% sin coagulantes. DBO5 40-70%; (25/40%); DQO 30-60%; (20-30%); PT 70-90%; (5-10%); Bacterias 80-90%; (50-60%)
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2. Tratamiento Primario Ejemplo de una instalación de aguas residuales FeCl3 14 ppm
36400 m3/dia
Polímero aniónico 0,3 ppm
Cuba de aireación
Tanque de sedimentación
SST 150 mg/l DBO5 150 mg/l PT 5,6 mg/l
SST 24 mg/l DBO5 60 mg/l PT 0,8 mg/l
El fango, Pm de la decantación primaria se determina por: Pm (kg/dia) = Q (m3/dia) SST (mg/l) E · 1/103 E = rendimiento de la instalación SST = sólidos en suspensión totales
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3. Tratamiento Secundario
Los procesos biológicos de aplicación más común son:
Proceso de fangos activados
Lagunas aireadas
Filtros percoladores
Biodiscos
Estanques de estabilización
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3. Tratamiento Secundario residuos
fango
Purgado fango
fango
Cl2, NaClO sedimentador
AR
Decantación primaria
rejas
Tanque efluente cloración
Tanque aireación
desarenador Purga fangos
residuos
fango
fango
Recirculación fangos
Cl2, NaClO
Purgado fango
sedimentador AR
Decantación primaria
rejas
Filtro percolador
Tanque efluente cloración
desarenador Recirculación fangos
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3. Tratamiento Secundario fango
residuos AR
fango
fango Decantación primaria
rejas
Cl2, NaClO
Sedimen tador
Biodisco
Tanque efluente cloración
desarenador
Cl2, NaClO
residuos AR
rejas
Laguna aireación
Tanque efluente cloración
Sedimen tador
Recirculación fangos
fango
residuos Cl2, NaClO AR
rejas
estanque estabilizac
Separación sólidos
Tanque cloración
efluente
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3. Tratamiento Secundario
Los sistemas de tratamiento secundario son:
Cultivos en suspensión
Fangos activados
Cultivo fijo
Lagunas de estabilización
Lagunas aireadas
Cultivos duales
Digestión aerobia
Aire convencional
Nitrificación de Cultivos en suspensión
Oxígeno puro
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3. Tratamiento Secundario
Cultivo fijo
Filtros percoladores
Baja carga
Filtros de desbaste
Sistemas biol贸gicos rotativos de contacto RBC
Reactores de lecho compacto
Alta carga
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3. Tratamiento Secundario
Fangos activados
Convencional flujo pistón:
El agua decantada y el fango recirculado entran al reactor y se mezclan con aire disuelto o el aportado por agitador mecánico El aire se suministra de forma uniforme en el reactor. Se produce la adsorción, floculación y la oxidación en el periodo de aireación Decantador primario
Tanque aireación
Agua residual
Decantador secundario efluente
Fango Fango recirculado
Fango exceso
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3. Tratamiento Secundario
Reactor de mezcla completa:
El agua residual decantada y el fango activado recirculado se introducen en distintos puntos del tanque de aireación. La materia orgánica y la demanda de oxígeno son uniformes en todo el tanque. sedimentador
Aireador mecánico efluente
afluente
Fango retorno
Fango en exceso
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3. Tratamiento Secundario
Aireación graduada: es una modificación del proceso de flujo en pistón convencional.
Se añaden caudales de aireación distintos a lo largo del reactor en función de la demanda de oxígeno. Se suministra mayor cantidad de oxígeno a la entrada del reactor y luego se disminuye hasta la salida.
Aireación modificada: Es similar al proceso de flujo en pistón convencional diferenciándose en que emplea menores tiempos de detención y mayores valores de F/M. Proporciona siempre un rendimiento menor.
Aireación prolongada: es un proceso de fango activado convencional que funciona en la fase de respiración endógena de la curva de crecimiento. Precisa una carga orgánica reducida y mayor tiempo de aireación
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3. Tratamiento Secundario
Aireación con alimentación escalonada: Es una modificación del reactor de flujo en pistón. La alimentación del agua residual decantada se introduce en varios puntos consiguiéndose una F/M uniforme y una reducción de la demanda de oxígeno. Presenta una gran flexibilidad de operación.
afluente Reactor aireación flujo pistón
sedimentador sedimentador efluente
Decantador primario
sedimentador efluente
Fango
Fango retorno
Fango exceso
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3. Tratamiento Secundario
Contacto y estabilización: Emplea dos tanques separados, uno para el tratamiento del agua residual y otro para la estabilización del fango.
El fango activado estabilizado se mezcla con el agua residual afluente en el tanque de contacto. El líquido mezcla se decanta en un decantador secundario y el fango de retorno se airea en el tanque de reaireación para estabilizar la materia. Los volúmenes de aireación son un 50% < los del proceso convencional.
Decantador primario
sedimentador Tanque reaireación
Agua residual
fango
Tanque de contacto
efluente
Fango exceso Fango
Fango retorno
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3. Tratamiento Secundario
Aireación de alta carga:
Se combinan altas concentraciones de SSVLM con elevadas cargas volumétricas. Se alcanza una alta relación F/M y grandes tiempos de retención celular y cortos tiempos de detención hidráulica
Sistemas de oxígeno puro: Utiliza en el proceso de fangos activados oxígeno de gran pureza.
El oxígeno se distribuye mediante difusores en tanques de aireación cubiertos. Parte del gas se purga para reducir el CO2 La cantidad de oxígeno añadida es del orden de cuatro veces superior con respecto a la aireación convencional. Suele ser necesario realizar ajustes de pH.
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3. Tratamiento Secundario
Canal de Oxidación: Es un canal ovalado equipado con dispositivos de aireación mecánica
El agua residual tamizada entra en el canal, se agita y circula a una velocidad entre 0,24-0,35 m/s.
Funcionan según un esquema de aireación prolongada con largos tiempos de detención hidráulica.
Reactor discontinuo secuencial:
Sigue un proceso de llenado vaciado alterno en el que todas las etapas se realizan en un solo reactor.
El líquido mezcla permanece en el interior del reactor durante todos los ciclos.
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3. Tratamiento Secundario
En el diseño de los fangos activados se tiene en cuenta:
La elección del tipo de reactor.
Los criterios de carga.
La producción de fangos.
Las necesidades y transferencia de oxígeno.
Las necesidades de nutrientes.
El control de los organismos filamentosos.
Las características del efluente.
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3. Tratamiento Secundario
Elección del tipo de reactor. Es una etapa importante en el proceso. Intervienen aspectos operacionales a tener en cuenta:
Las necesidades de transferencia de oxígeno:
Los inconvenientes de poder suministrar el oxígeno necesario en la cabecera del reactor de flujo pistón se subsanan cuando se consideran modificaciones en el mismo tales como: aireación graduada, aireación con alimentación escalonada
La cinética de las reacciones del proceso:
Cuando se plantea una cinética de orden cero para la tasa de eliminación de sustrato y de orden uno para la formación de células, los tiempos de detención hidráulica son similares en los reactores de flujo pistón y los de mezcla completa.
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3. Tratamiento Secundario
Naturaleza del agua residual:
Los sólidos biológicos en el reactor de mezcla completa pueden soportar mejor las cargas puntuales de choque cuando un vertido contiene elevada materia orgánica o compuestos tóxicos dado que el agua entrante se dispersa de forma uniforme.
Condiciones ambientales:
En relación a la temperatura, un descenso de 10ºC provoca que la velocidad de las reacciones se reduzcan a la mitad. Cuando la alcalinidad de un agua residual es baja, genera una escasa capacidad de tamponamiento y el líquido mezcla reduce su pH debido a la formación de CO2 debido a la respiración bacteriana. Un pH bajo inhibe el crecimiento de las bacterias nitrificantes, favoreciendo el crecimiento de los organismos filamentosos. Por ello es necesario realizar ajustes de pH.
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3. Tratamiento Secundario
Coste de inversión, explotación y mantenimiento:
Generalmente resulta más ventajoso aumentar los costes de inversión con la finalidad de reducir los costes de explotación y mantenimiento.
Criterios de carga
Relación alimento/microorganismos, F/M
(d-1)
F/M
S0 X
S0 = concentración de DBO en el efluente, kg/m3 = tiempo de retención hidráulica del tanque de aireación = V/Q (d) X = concentración de sólidos suspendidos volátiles en el tanque, kg/m3 V = volumen del tanque de aireación, m3 Q = caudal de entrada, m3/d
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3. Tratamiento Secundario
Relación de la tasa de utilización, U, :
U
(F / M ) E S 0 S 100 X
E = eficiencia del proceso en % S = concentración de DBO en el efluente, kg/m3
Tiempo medio de retención celular del tanque de aireación, c, (d)
c
Vr X Q w X w Qe X e
Qw = caudal de fangos purgados, m3/d Qe = caudal del efluente tratado, m3/d Xw = concentración de sólidos suspendidos en el fango purgado, kg/m3 Xe = concentración de sólidos suspendidos en el efluente, kg/m3
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3. Tratamiento Secundario
Relación entre c, F/M, y U: 1
c
Y
F E k d YU k d M 100
Y = coeficiente de producción celular, kg de células producidas/kgde materia orgánica eliminada
kd = coeficiente de degradación endógena, d-1
Los valores de F/M varían entra 0,05-1,0
El tiempo medio de retención celular varía entre 3 y 15 días
El tiempo de detención hidráulica varía entre 4 y 8 horas
Las cargas orgánicas varian entre 0,3 y 3,0 kg DBO5/(m3 d)
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3. Tratamiento Secundario
Producción de fango: es un parámetro importante y afecta al diseño de las instalaciones de tratamiento y evacuación de fango en exceso.
La producción diaria de fango medida en términos de SS volátiles, kg/d, que hay que purgar se estima mediante: Px YobsQ( S 0 S ) 10 3
Yobs
Y 1 kdc
Yobs = producción observada, kg/kg
La expresión de Px se expresa en el sistema internacional
c se refiere a los sólidos del tanque de aireación.
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3. Tratamiento Secundario
Necesidad y transferencia de oxígeno:
La demanda teórica de oxígeno para la eliminación de la materia orgánica carbonosa presente en el agua residual de un sistema de fangos activados se calcula por: Q( S 0 S ) 10 3 kgO 2 / d 1,42 Px f
El primer término representa la masa total de DBOL utilizada en kg/d y el segundo término representa la masa de organismos purgados, kg/d. El factor de conversión f de DBO5a DBOL varía entre 0,45-0,68
En el caso de considerar la nitrificación se ha de añadir un término más:
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3. Tratamiento Secundario
La demanda total de oxígeno queda: Q( S 0 S ) 10 3 kgO 2 / d 1,42 Px 4,57Q( N 0 N ) 10 3 f
N0 = nitrógeno Kjeldhal total del afluente, g/m3
N = nitrógeno kjeldhal del efluente, g/m3
4,57 factor de conversión para la demanda de oxígeno necesario para la oxidación completa del NKT
Las necesidades de aire se determinan conocida la demanda total de oxígeno y ha de satisfacer la DBO el agua residual, la respiración endógena de los organismos presentes en el fango, proporcionar el mezclado adecuado y mantener una concentración mínima entre 1 y 2 mg/l, de oxígeno disuelto en todo el tanque de aireación.
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3. Tratamiento Secundario
Necesidades de nutrientes:
Los principales nutrientes son el fósforo y el nitrógeno.
La composición media celular se considera como C5H7NO2. Se necesita un 12,4 % en peso de nitrógeno. Se supone aue de fósforo se necesita una quinta parte de ese valor.
Control de los organismos filamentosos:
La proliferación de organismos filamentosos en el líquido mezcla produce un fango voluminoso conocido como bulking.
El selector es un compartimento separado como zona de contacto inicial de un reactor biológico en el que se mezclan el efluente primario y el fango activado recirculado
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3. Tratamiento Secundario
El selector favorece el crecimiento selectivo de organismos formadores de flóculos en la primera fase del proceso biológico al asegurar un nivel elevado de la relación alimento/microorganismos a concentraciones de oxígeno disuelto controladas.
Características del efluente
Materia orgánica soluble biodegradable:
Materia orgánica no eliminada en el tratamiento biológico.
Compuestos orgánicos formados como productos intermedios en la descomposición biológica del agua residual.
Componentes celulares producida por la muerte celular.
La DBO5 carbonosa del efluente varía entre 2-10 mg/l; la materia orgánica en suspensión entre 5-15 mg/l y los sólidos no biodegradables entre 2-5 mg/l.
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3. Tratamiento Secundario
Materia orgánica en suspensión:
Sólidos biológicos producidos durante el proceso que escapan del proceso de separación en la decantación final.
Sólidos orgánicos coloidales presentes en el afluente a la planta que escapan del tratamiento y de la separación.
Materia orgánica no biodegradable:
Materia inicialmente presente en el afluente a la planta
Subproductos de la descomposición biológica
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3. Tratamiento Secundario
El control de un proceso de fangos activados se facilita por la gran flexibilidad que tiene el sistema. Los principales factores a considerar en el control son:
Mantenimiento de los niveles de oxígeno disuelto en el tanque de aireación.
La cantidad de oxígeno disuelto transferidos al tanque de aireación ha de ser igual a la necesaria para que los microorganismos oxiden a la materia orgánica y para mantener los niveles operativos de oxígeno disuelto residual.
Si el crecimiento de los microorganismos se ve limitado por el oxígeno predominaran loa organismos filamentosos, modificando las características de sedimentabilidad y la calidad del fango activado.
Los valores de oxígeno disuelto en el tanque de aireación en cualquier punto ha de mantenerse entre 1,5-4 mg/l con un valor medio de 2 mg/l. Si se supera los 4 mg/l no hay mejoras en el proceso sino un costo mayor de aireación.
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3. Tratamiento Secundario
Control de la recirculación de fango activado
Se considera el elemento fundamental en el proceso. Se debe de disponer de la capacidad de bombeo suficiente.
Se ha de evitar las pérdidas de sólidos del fango en el efluente.
Los sólidos forman una capa de fango en el fondo de los decantadores cuya altura presenta variaciones en el tiempo. Por ello el bombeo debe evitar que ocupe prácticamente toda la altura del sedimentador.
En las plantas grandes se toma entre el 50-100% del caudal medio del agua residual y de hasta 150% en plantas pequeñas.
Para calcular el caudal de recirculación óptimo, se parte de mantener un determinado nivel de SSLM dentro del tanque de aireación o una determinada altura de la capa de fango en los decantadores finales. 63
3. Tratamiento Secundario
Como técnica se emplea el ensayo de sedimentabilidad. Consiste en que el caudal de bombeo de fango de recirculación se establece igual en % a la relación entre el volumen ocupado por los sólidos sedimentables del efluente del tanque de aireación y el volumen de líquido decantado (sobrenadante) tras sedimentar durante 30 minutos en un cilindro de 1000 ml. Esta relación no debe ser nunca inferior al 15%.
Si los sólidos sedimentables ocupan un volumen de 275 ml después de sedimentar en 30 minutos, el % en volumen será 275/725)x100 = 38%. Si el caudal de la planta es 1 m3/s, entonces el caudal de recirculación es 0,38 ·1 = 0,38 m3/s.
También se emplea el índice de volumen de fango, IVF: se define como el volumen , en ml, que ocupa 1 g (base seca) de sólidos del líquido mezcla de fango activado.
La relación de recirculación, Qr/Q, (%) necesaria para mantener la
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3. Tratamiento Secundario
concentración de sólidos suspendidos en el líquido mezcla del tanque de aireación es: Qr Q
Si IVF = 100 y se desea mantener una concentración en el líquido mezcla del 0,3%, el % de fango a recircular es: Qr Q
100 100 1 Pw IVF
100 43% 100 1 0,3 100
Mediante el control del nivel de fango se busca mantener la altura óptima del mismo que suele estar entre 0,3-0,9 m. esta altura se determina por medio de bombas de emulsión de aire (air-lift), tubos de flujo por gravedad, sondas de muestreo, detectores de la interfase fango-sobrenadante.
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3. Tratamiento Secundario
Los balances de masas en el decantador o en el tanque de aireación determinan el caudal de recirculación.
Control mediante el purgado del fango
Si se utiliza el tiempo medio de retención celular, c y el purgado se realiza desde la línea de recirculación, el caudal se determina mediante un balance al sistema biológico: c
Vr X Qw´, X r Qe X e
Q´w = caudal de fango purgado desde la línea de recirculación, m3/d
Xr = concentración del fango en la línea de recirculación, m3/d
Se puede suponer despreciable Xe resultando:
c
Vr X Q w´, X r
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3. Tratamiento Secundario
Si el purgado se realiza desde el tanque de aireación y despreciando los sólidos del efluente de la planta, Xe = 0 c
Vr Qw
El control basado en la relación alimento microorganismos calcula el caudal de purga desde la línea de recirculación: Pr = Qw Xr Pr = fango activado purgado, kg/d
Qw = caudal de purga del fango, m3/d Xr = concentración de sólidos en la línea de recirculación, kg/m3
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3. Tratamiento Secundario
Control mediante la tasa de utilización de oxígeno, (OUR)
Una medida de la actividad biológica es la tasa de utilización de oxígeno dado que los microorganismos consumen alimento y para ello utilizan oxígeno.
Valores altos de OUR indican alta actividad biológica, valores bajos de OUR indican baja actividad biológica.
Al tomar una muestra saturada de oxígeno disuelto y midiendo su disminución con el tiempo mediante un medidor de OD se determina la OUR en mg O2 /(l h).
La tasa de respiración es la relación entre la OUR y los SSVLM, denominada también tasa de utilización específica de oxígeno, la cual indica la cantidad de oxígeno que consumen los microorganismos y se expresa como mg O2/(g SSVLM h)
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4. Tratamiento Terciario
El tratamiento secundario proporciona unos estándares de calidad 25/35 DBO/SS, que no son suficientes cuando, por ejemplo, se necesita reducir contaminantes traza como metales pesados y compuestos orgánicos refractarios que son tóxicos para la vida acuática o por su inteferencia en aguas potables.
Los tratamientos avanzados (terciarios) de aguas residuales tienen como funciones:
La mejora del efluente secundario
La eliminación de compuestos tóxicos
Los procesos que se aplican para alcanzar estas funciones son:
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4. Tratamiento Terciario
Filtración en medio granular Adsorción Lavado con aire Cloración
El afino del efluente se entiende como la reducción de los estándares de calidad para la DBO5/SS desde valores 20/30 a 10/10 mg/l
En la tabla siguiente se observa los niveles de tratamiento avanzado de aguas residuales lográndose grandes reducciones en los SS, DBO5, NTK, NH3-N, PO4-P y de la turbidez. La turbidez es necesario mejorarla antes de la desinfección dado que los patógenos se ocultan en aguas más turbias.
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4. Tratamiento Terciario Niveles de tratamiento avanzado Parámetros del efluente
Proceso tratamiento SS mg/l Fango activado Fango activado +filtración Fango activado +filtración+adsorción carbón activado Fango activado + nitrificación+desnitrificación + filtración. Fango activado con BioN-BioP + filtración
DBO5 mg/l
NTK mg/l
NH3-N mg/l
PO4-P
Turbidez NTU
20
30
15-35
15-25
4-10
5-15
4-6
<5-10
15-35
15-25
4-10
0,3-5
<3
<1
15-30
15-25
4-10
0,3-3
<5-10
<5-10
3-5
1-2
<1
0,3-3
<10
<5
<5
<2
<1
0,3-3
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4. Tratamiento Terciario
Filtración en medio granular
Se emplean cuando se necesita reducir los SS a valores < 10 mg/l.
Pueden ser filtros duales (bicapa) o multimedio (multicapa).
El medio filtrante puede ser natural o sintético.
La fuerza de trabajo es la gravedad o la presión.
En filtros bicapa el medio suele ser antracita situada encima de arena con profundidades entre 1-2 m y velocidades de filtración 5-25 m/h
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4. Tratamiento Terciario
Los filtros multicapa producen una mayor calidad de filtrado y emplean antracita, arena y granate.
Se emplean coagulantes químicos a razón de 0,5-1,5 mg/l a la entrada del decantador secundario o 0,05-0,15 mg/l a la entrada del filtro con la finalidad de producir fóculos debido a que los SS son de por si pequeños.
Agua de lavado
Agua de lavado
afluente
Reactor biológico
Liquido clarificado
Lodos activados retorno lodos
Filtro granular
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4. Tratamiento Terciario Proceso PACT
Es un proceso de tratamiento con carbón activado en polvo.
Se añade carbón activo en polvo al biorreactor de fangos activados con la finalidad de que se adsorban los compuestos orgánicos tóxicos.
El carbono activado, 20-200 mg/l, adsorbe orgánicos de todo tipo: volátiles, recalcitrantes y los orgánicos.
Las plantas con proceso PACT permiten operar con un caudal mayor, estabilizar el sistema frente a cargas de choque de DBO o de orgánicos tóxicos en el afluente.
El carbón activado sedimenta junto con los fangos en el decantador. Posteriormente estos fangos se somete a:
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4. Tratamiento Terciario Proceso PACT
Los procesos que tienen lugar cuando los contaminantes entran en el agua residual son: Adsorción de las moléculas menos polares Columnas ascendentes Columnas descendentes Lechos fijos y expandidos.
Filtración de las partículas mayores.
Deposición parcial de los coloides en la superficie externa del carbón activado.
En el diseño de una unidad de adsorción se tienen en cuenta: la carga hidráulica, el tiempo de retención hidráulica y la altura de la columna
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4. Tratamiento Terciario Proceso PACT
Incineración
Oxidación vía húmeda
Destruye los orgánicos
Recupera parte del carbono
Digestión anaerobia:
Compuestos orgánicos adsorbidos en el carbono se eliminan con la actividad microbiana metanogénica.
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4. Tratamiento Terciario Proceso CAG: Adsorción/estabilización anaerobia
Este sistema es la adsorción por carbono activado granular, CAG.
Se aplica al tratamiento de aguas residuales industriales o de lixiviados de vertederos antes de un tratamiento convencional.
El proceso consta de:
Un tanque de mezcla agua residual/carbón, donde el afluente del pretratamiento secundario pasa a través de un lecho CAG que separa los orgánicos solubles por adsorción.
Un biorreactor anaerobio donde se regenera anaeróbicamente el CAG del tanque de mezcla.
tr líquido = 30 min; tr CAG = 2 días. En el biorreactor tr CAG = 15 días
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4. Tratamiento Terciario
Tratamiento Químico.
Reducción de olores.
Precipitación química del fósforo.
Reducción de los problemas en fangos activados, como fango voluminoso.
Corrección de pH.
Desinfección.
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