Estudio de tratabilidad de las aguas residuales en Bogotá con lodos activados by PUJaveriana

Este proyecto de investigación fue financiado conjuntamente por la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá y la Pontificia Universidad Javeriana. El desarrollo del proyecto estuvo a cargo del grupo de investigación Ciencia e Ingeniería del Agua y el Ambiente, la ejecución de este proyecto contó con la participación de estudiantes del pregrado de Ingeniería Civil, Maestría en Hidrosistemas y Doctorado en Ingeniería de la Pontificia Universidad Javeriana.

Estudio de tratabilidad de las aguas residuales en Bogotá con lodos activados

Este libro presenta los resultados de la investigación adelantada como una aproximación a la aplicación del proceso de lodos activados para el tratamiento de las aguas residuales domesticas en las futuras grandes plantas de la ciudad de Bogotá. Diferentes actividades relacionadas con la caracterización del agua residual afluente, el fraccionamiento de la DQO, monitoreo de la eficiencia de la transferencia de oxígeno en el reactor aeróbico y la calibración de modelos y simulación de escenarios, incluida la remoción de nutrientes en el proceso de lodos activados, fueron adelantadas. Adicionalmente, las relaciones entre la espacialidad y los regímenes de precipitación en la dinámica de la calidad del agua afluente al sistema de tratamiento fueron estudiadas a partir de datos recolectados, empleando un sistema para seguimiento en continuo de determinantes de calidad del agua.

Estudio de tratabilidad de las aguas residuales en Bogotá con lodos activados Aspectos de monitoreo en continuo, caracterización detallada, modelación y simulación del proceso Jaime Lara-Borrero | Andrés Torres | Andrés Baquero Editores

Autores Jaime Lara-Borrero Andrés Baquero María Carolina Romero Santiago Sandoval Alejandra Ruíz David Zamora Jorge Martelo Laura Marcela Vargas María Isabel Rivero Liliana López-Kleine Thomas Rosmann Julio Alberto Camargo Andrés Torres.

Estudio de tratabilidad de las aguas residuales en Bogotรก con lodos activados

Estudio de tratabilidad de las aguas residuales en Bogotá con lodos activados Aspectos de monitoreo en continuo, caracterización detallada, modelación y simulación del proceso

Jaime Lara-Borrero Andrés Torres Andrés Baquero Editores

Facultad de Ingeniería

Reservados todos los derechos © Pontificia Universidad Javeriana © Empresa de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Bogotá © Jaime Lara-Borrero, Andrés Baquero, María Carolina Romero, Santiago Sandoval, Alejandra Ruíz, David Zamora, Jorge Martelo, Laura Marcela Vargas, María Isabel Rivero, Liliana López-Kleine, Thomas Rosmann, Julio Alberto Camargo, Andrés Torres. Primera edición: Abr il del 2015 Bogotá, D.C. ISBN: 978-958-716-710-8 Número de ejemplares: 200 Impreso y hecho en Colombia Printed and Made in Colombia

Carrera 7a, No. 37-25, oficina 13-01. Edificio Lutaima Telefonos: 3208320 ext. 4752 www.javeriana.edu.co/editorial Bogotá - Colombia Corrección de estilo: Rodrigo Díaz Lozada Diseño de colección: Carmen María Sánchez Caro Diagramación y diseño de cubierta: Boga Cortés y Triana | www.bogavisual.com Impresión: Javegraf

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Estudio de tratabilidad de las aguas residuales en Bogotá con lodos activados: aspectos de monitoreo en continuo, caracterización detallada, modelación y simulación del proceso. / Jaime Lara-Borrero...[et ál.]. -- 1a ed. -- Bogotá: Editorial Pontificia Universidad Javeriana : Empresa de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Bogotá, 2014. 111 p. ; 24 cm. Incluye referencias bibliográficas (p. 109-111). ISBN: 978-958-716-710-8 1. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES -- BOGOTÁ (COLOMBIA). 2. PURIFICACIÓN DE AGUAS RESIDUALES -- BOGOTÁ (COLOMBIA). 3. LODOS ACTIVADOS. 4. HIDROLOGÍA. I. Baquero, Andrés. II. Pontificia Universidad Javeriana. Facultad de Ingeniería. CDD 628.3 ed. 21 Catalogación en la publicación - Pontificia Universidad Javeriana. Biblioteca Alfonso Borrero Cabal, S.J. ____________________________________________________________________________ dff. Julio 10 / 2014

Prohibida la reproducción total o parcial de este material, sin autorización por escrito de la Pontificia Universidad Javeriana.

Contenido SIGLAS Y ABREVIATURAS AGRADECIMIENTOS INTRODUCCIÓN ESTUDIO DE TRATABILIDAD DE AGUA RESIDUAL EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ EN PLANTAS PILOTO CON EL SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS Descripción de los sistemas piloto

Descripción general de la instalación

Tratamiento preliminar TPQA Lodos activados

Ensayos previstos y ejecución de ensayos Datos recolectados y fuentes de información empleadas Variables y parámetros con registro de datos continuo Variables y parámetros con registro de datos manual Análisis y pruebas en laboratorio

Operación de los sistemas piloto Caudales de operación

Purgas de lodos Suministro de aire al RA-101

Caracterización del agua residual afluente a la estación elevadora Gibraltar Demanda de oxígeno Nutrientes

Comentarios generales sobre la calidad del agua afluente

15 17 19

20 20 20 22 23 24 25 30 30 30 31 31 32 32 33 34 39 45 48

Tratamiento primario químicamente asistido Dosis empleadas y condiciones de operación

Caracterización del afluente al sistema piloto Resultados obtenidos

Resultados de lodos activados

Información de medición en línea

49 49 50 52 54 54

Eficiencias obtenidas en el sistema biológico para las diferentes

59 Remoción de nutrientes 61 Respirometría 63 Transferencia de oxígeno 68 Modelación del sistema piloto de lodos activados en BioWin 79 Generalidades de la modelación 79 Protocolo de modelación empleado 89 Resultados y analisis 95 Escenarios analizados 101 Resultados obtenidos 101 Análisis de resultados 104 edades de lodo

RESULTADOS DEL SISTEMA DE MONITOREO EN CONTINUO DE LAS AGUAS AFLUENTES A LA ESTACIÓN ELEVADORA DE GIBRALTAR

Redes neuronales aplicadas a espectrometría UV-visible

105 105 106 109 109

de SST y DQO en función de espectros UV-visible

111

a través de análisis de datos lineales y no lineales

115

Introducción Lineamientos de operación de captores Metodologías de tratamiento y análisis de datos

Cuantiles para la detección de outliers en conjuntos de datos

Minería de datos de UV-visible en datos de espectrometría

Relación de la hidrología con la calidad de las aguas afluentes 119 Metodología propuesta 119 Resultados y discusión 122

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Sistema de lodos activados y TPQA Sistema de monitoreo en continuo de las aguas afluentes a la estación elevadora Gibraltar

130 130 131

INVESTIGACIONES FUTURAS

133

REFERENCIAS

136

Índice de figuras Figura 1. Caudales máximo y mínimo de ingreso a cada unidad de la planta 21 Figura 2. Esquema del tratamiento preliminar 22 Figura 3. Esquema general del tren de tratamiento TPQA 23 Figura 4. (a) Esquema general RA-101. (b) Esquema general SE-101/SE-102 25 Figura 5. Medianas horarias de SST en el afluente, muestreos simples 37 Figura 6. Medianas de SST en el afluente, muestreos compuestos por mes 38 Figura 7. Medianas horarias de SSV en el afluente, muestras puntuales 38 Figura 8. Medianas SSV/SST en el afluente, muestras compuestas mensuales 39 Figura 9. Promedios generales en la composición de sólidos en el AR afluente a la planta 40 Figura 10. Medianas de DQO en el afluente, muestras compuestas mensuales 41 Figura 11. Medianas de DQO por hora del día, muestras puntuales 42 Figura 12. Medianas de DBO5, muestras compuestas por mes 43 Figura 13. Relaciones DBO5C/DBO5, muestras compuestas por mes 43 Figura 14. Relaciones DBO5/DQO, muestreos compuestos por mes 44 Figura 15. Medianas de NTK, muestreos compuestos por mes 45 Figura 16. Medianas de NH4, muestreos compuestos por mes 46 Figura 17. Medianas de PT, muestreos compuestos por mes 46

Figura 18. Medianas de ortofosfatos, muestreos compuestos por mes 47 Figura 19. ST y su composición en el afluente al TPQA 51 Figura 20 (a). Resultados obtenidos a partir de las pruebas realizadas en el TPQA; eficiencias de remoción de DQO 52 Figura 20 (B). Resultados obtenidos a partir de las pruebas realizadas en el TPQA; eficiencias de remoción de SST 53 Figura 21. Promedios horarios de pH en la CRC-103 (Sonda pH 2) 54 Figura 22. Promedios horarios de pH en el RA-101 (sonda pH 1) 55 Figura 23. Promedios horarios de T° (°C) en el RA-101, por edad de lodo (Sondas pH 1, ORP y OD) 56 Figura 24. Promedios horarios de SST (gr/L) en el RA-101 (Sonda TSS) 56 Figura 25. Promedios horarios de turbiedad (NTU) en el RA-101 (Sonda Turb 1) 57 Figura 26. Promedios horarios de OD (mg/L) en el RA-101 (Sonda de DO) 57 Figura 27. Promedios horarios de ORP (mV) en el RA-101 (sonda de ORP) 58 Figura 28. Promedios horarios de turbiedad (NTU) en el TK-102 (sonda de Turb 2) 59 Figura 29. Respirograma del 25 de mayo del 2013 64 Figura 30. Respirograma del 30 de mayo del 2013 65 Figura 31. Respirograma del 5 de junio del 2013 65 Figura 32. Respirograma del 11 de junio del 2013 66 Figura 33. Resultados para las pruebas de desorción y adsorción; a) K la y b) SOTR 75 Figura 34. Resultados para las pruebas de desorción y adsorción; a) SOTE y b) SAE 75 Figura 35. Relación de la edad de lodo con el factor α 76 Figura 36. Relación de la fecha de la prueba y el factor α 77

Figura 37. Concentraciones horarias afluentes al reactor aeróbico Figura 38. Relaciones de las concentraciones afluentes al reactor aeróbico Figura 39. Configuración del modelo Figura 40. Protocolo de modelación aplicado Figura 41. Comparación de resultados del modelo no calibrado y calibrado con valores medidos Figura 42. Sólidos suspendidos totales en el reactor aeróbico. Medido vs. simulado Figura 43. Sólidos suspendidos totales en el efluente. Medido vs. simulado Figura 44. Nitrógeno total Kjeldahl en el efluente. Medido vs. simulado Figura 45. Fósforo total en el efluente. Medido vs. simulado Figura 46. Concentración de P. en el efluente a diferentes edades de lodo Figura 47. Demanda de aire en el reactor aeróbico Figura 48. Tasa de utilización de oxígeno Figura 49. Especies de N. en diferentes edades de lodo

83 84 87 90 92 96 96 97 97 102 102 103 103

Índice de tablas Tabla 1. Pruebas previstas en la matriz de experimentos Tabla 2. Ensayos ejecutados en la operación de la planta piloto Tabla 3. Edades de lodo de operación del sistema biológico Tabla 4. Rangos de OD objetivo en la operación de la planta Tabla 5. Cantidad de muestreos analizados para caracterizar el ARD afluente al sistema Tabla 6. Niveles de contaminantes en ARD domésticas típicas Tabla 7. Medianas de las concentraciones registradas Tabla 8. Condiciones de operación del TPQA Tabla 9. Remociones típicas para tratamientos primarios Tabla 10. Muestreos empleados en el análisis de eficiencias – sistema biológico Tabla 11. Medianas de valores y eficiencias obtenidas en el sistema biológico Tabla 12. Resultados del fraccionamiento de la DQO Tabla 13. Comparación con resultados teóricos Tabla 14. Parámetros obtenidos de las pruebas hechas en el reactor aeróbico, pruebas en agua limpia Tabla 15. Parámetros obtenidos para el reactor aeróbico (adsorción), pruebas en agua de proceso Tabla 16. Pruebas en agua de proceso (adsorción) - valores promedio ponderados en función del caudal Tabla 17. Parámetros obtenidos para el reactor aeróbico (desorción), pruebas en agua de proceso

26 29 31 33 34 35 48 49 52 59 60 66 68 69 72 72 73

Tabla 18. Pruebas en agua de proceso (desorción) - promedios ponderados en función del caudal 74 Tabla 19. Fraccionamiento de la DQO según cada una de las fuentes disponibles 85 Tabla 20. Modelo calibrado - Parámetros estequiométricos 94 Tabla 21. Modelo calibrado - Parámetros cinéticos 94 Tabla 22. Modelo calibrado - Parámetros de la sedimentación 95 Tabla 23. Modelo calibrado - Parámetros locales de la aireación 95 Tabla 24. Funciones empleadas para cuantificar la calidad de predicción 98 Tabla 25. Resultados de las funciones para cuantificar la calidad de predicción del modelo 100 Tabla 26. Resultados de la caracterización de la estación elevadora de Gibraltar 107

Siglas y abreviaturas ACF: Función Autocorrelación ADM: Anaerobic Digestion Model AMI: Información Mutua Promedio ANAMMOX: Anaerobic Ammonia Oxidisers AOB: Ammonia Oxidising Biomass ARD: Agua Residual Doméstica ASCE: American Society of Civil Engineers ASM: Activated Sludge Model ATV: German Association for the Water Environment RMSE: Raíz del Error Cuadrático Medio MAE: Error Promedio Absoluto MIW: Most Important Wavelength RMSEP: Root Mean Square Error of Prediction PLS: Mínimos Cuadrados Parciales Mo: Mild Outliers Eo: Extreme Outliers DR: Datos de Regresión PDF:Función de Densidad de Probabilidad CDF: Correspondiente Distribución Acumulada IQD: Distancia Intercuartil WWTP: Planta de Tratamiento de Aguas Residuales EAAB: Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá PTAR: Planta de Tratamiento de Aguas Residuales TPQA: Tratamiento Primario Químicamente Asistido WRC: Water Research Centre DQO: Demanda Química de Oxígeno NTK: Nitrógeno Total Kjeldahl DBO: Demanda Bioquímica de Oxígeno OD: Oxígeno Disuelto SST: Sólidos Suspendidos Totales

estudio de tratabilidad de las aguas residuales en bogotá con lodos activados

SSV: Sólidos Suspendidos Volátiles IVL: Índice Volumétrico de Lodos S.Sed: Solidos Sedimentables SDT: Sólidos Disueltos Totales ORP: Potencial de Óxido Reducción ST: Sólidos Totales DBO: Demanda Bioquímica de Oxígeno PT: Fósforo Total SSLM: Sólidos Suspendidos en Licor de Mezcla TRC: Tiempo de Resistencia Celular o Edad del Lodo N: Nitrógeno P: Fósforo SOTR: Specific Oxygen Transfer Rate SOTE: Oxygen Transfer Efficiency in Standard Conditions in Clear Water SAE: Standar Aeration Efficiency F/M: Food to Microorganism Ratio IWA: International Water Asociation PAO: Phosphorus Accumulating Organisms NOB: Nitrite Oxidising Biomass

Agradecimientos Los investigadores principales del proyecto, Jaime Andrés Lara-Borrero y Andrés Torres, agradecemos a los financiadores del proyecto: Empresa de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Bogotá y a la Pontificia Universidad Javeriana, especialmente al Departamento de Ingeniería Civil y su laboratorio de calidad de aguas. A los asesores internacionales que con experiencia colaboraron al éxito del proyecto: Daniel Nolasco (Nolasco Asociados), Diego Rosso (University Of California, Irvine) y Javier Nannig. También, a todo el personal que participó en el proyecto: Milena Rodríguez, Sonia Castro, Carlos Quitiaquez y Natalia Londoño del laboratorio de calidad de aguas; Alfonso Días, Andrés Arévalo, Jairo Bernal, Juan Carlos Valbuena, Omar Orlando Munar y Saúl Antonio Donado, operarios de la planta piloto; Edilberto Rocha quien nos prestó los servicios de transporte; Ángela María Sánchez, Diana Marchena e Isabel Rivero, estudiantes de Ingeniería Civil; Alejandra Ruiz, Carlos Peña, David Zamora, Jorge Martelo, Julio Camargo, Natalia Mosquera, Santiago Sandoval, Thomas Rosmann, estudiantes de la Maestría en Hidrosistemas, Especialmente a María Carolina Romero Pereira y Gustavo Andrés Baquero Rodríguez (candidato a Doctor en Ingeniería) encargados de la coordinación administrativa y técnica del proyecto. A los profesores de la Pontificia Universidad Javeriana que apoyaron las actividades de diseño y construcción, así como las fases de operación: Andrés Vargas Luna, Luis Alberto Jaramillo, Iván Buitrago, Laura Marcela Vargas, Carlos Alberto Rodríguez y José Antonio Magallón. A Ana Gloria Chacón y María Victoria Rocha por el apoyo en la administración del proyecto, así como a todo el personal de las distintas dependencias de la Pontificia Universidad Javeriana que nos prestaron su apoyo en las diferentes etapas del proyecto. A los proveedores que con su servicio y apoyo técnico contribuyeron al éxito del proyecto: Kaeser Compresores Colombia, Energía Inteligente, Baying S.A.S., Xylem Water Solutions Colombia y al Sr. Israel Pérez. A Colciencias por la financiación de los estudios Doctorales de Gustavo Andrés Baquero Rodríguez mientras participaba en el proyecto como parte de su formación.

INTRODUCCIÓN

El 18 de enero del 2011, la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB) y la Pontificia Universidad Javeriana celebraron el convenio No. 9-07-25100-0763-2010, para el desarrollo de un proyecto cuyo objetivo general era establecer la tratabilidad mediante lodos activados del agua residual afluente al tratamiento secundario de la futura Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) Canoas de la ciudad de Bogotá. Para tal fin se determinaron cinco objetivos específicos, a saber: 1. Establecer la tratabilidad mediante lodos activados del agua residual afluente al tratamiento secundario de la futura PTAR Canoas. 2. Determinar la transferencia real de oxígeno para los aireadores de última tecnología a la altura de Bogotá. 3. Identificar la influencia de la precipitación y su efecto en los esquemas de operación de lodos activados para el tratamiento de aguas residuales. 4. Construir y operar dos plantas piloto en la estación elevadora de Gibraltar; una con tratamiento primario químicamente asistido (TPQA) y otra con tratamiento secundario convencional (lodos activados), de acuerdo con el estudio realizado por HMV Ingenieros para la EAAB. 5. Determinar los coeficientes de aeración y degradación biológica, con el nivel apropiado que permita aplicarlos a los escenarios reales de operación de las futuras plantas de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Bogotá.

este libro fue editado, Compuesto e impreso en la falda de los cerros orientales de la sabana de bogotá, donde nacen las principales fuentes hídricas que riegan la ciudad.

SAPIENTIA ÆDIFICAVIT SIBI DOMvM

Estudio de tratabilidad de las aguas residuales en Bogotá con lodos activados