Trabajo de investigación planta de tratamiento de aguas servidas y agua potable para
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DESCRIPCIÓN INDIVIDUAL DE LAS ETAPAS PARA DEPURAR EL AGUA
El objetivo del tratamiento preliminar es regular y eliminar de las aguas servidas aquellos constituyentes que pudiesen dañar un obstruir los equipos de bombeo, o interferir con los procesos posteriores del tratamiento. Por lo tanto, las unidades para el tratamiento preliminar consisten en:
El proceso de cribado es una de las principales etapas del tratamiento preliminar en el tratamiento de aguas residuales. Consiste básicamente en retener y/o separar de ellas, todos los cuerpos o constituyentes gruesos o de gran tamaño que pueden obstruir o dañar el funcionamiento de bombas, tuberías o que generan daños al proceso, o a las unidades de tratamiento.  Figura 10. Unidad de cribado y desarenaciónLa función principal del desarenador es la separación de los sólidos inorgánicos tales como arenas, grava y objetos metálicos, entre otros, aprovechando el efecto de la gravedad sobre los cuerpos pesados, los cuales tienden a depositarse cuando el agua fluye a velocidades lentas. Los desarenadores son canales en los cuales se transporta el agua residual a una velocidad relativamente baja, para permitir la sedimentación de arenas y todas las partículas de peso y diámetro considerablemente alto, sin que se logre depositar la materia orgánica presente en el agua. Esta unidad está construida con hormigón armado y sus dimensiones se deben especificar de acuerdo a la demanda existente del líquido a tratar. Existen variadas formas de funcionamiento de los desarenadores, a continuación se presentan las más comunes:
 Figura 11. Diagrama de Tratamiento PreliminarMedidor de Gasto: Esta unidad sirve como aforo ya que permite medir el caudal de agua residual que ingresa diariamente con el fin de poder llevar una medición y a su vez un mejor control de los procesos. La medida del volumen total tratado en una planta o en los colectores en un día, mes o año permite realizar comparaciones, proyecciones y determinar el rendimiento. Además la información correspondiente al volumen total tratado en unidades separadas contribuye a la adecuada operación y mantenimiento de aquellas unidades. Concretamente, la medición de caudal tiene las siguientes funciones:
Los instrumentos que permiten medir el caudal son los siguientes:
La más utilizada es la canaleta Parshall, que está constituida por tres partes fundamentales que son: la entrada, la garganta y la salida. En la garganta se realizan mediciones mediante instrumentos electrónicos o análogos que determinan inicialmente la altura del escurrimiento del agua y velocidad.  Figura 12. Canaleta Parshall
Los tratamientos primarios que reciben las aguas residuales consisten principalmente en: la remoción de sólidos suspendidos floculentos ya sea mediante sedimentación o floculación, en la neutralización de la acidez o alcalinidad excesiva y en la remoción de compuestos inorgánicos mediante precipitaciones químicas. Además, en el caso de algunas aguas residuales industriales, es a veces necesario proveer de un tratamiento preliminar para reducir la concentración de ciertos compuestos que pueden ser tóxicos a los microorganismos hasta límites tolerables. Es preciso enfatizar la importancia que tienen los tratamientos primarios en los sistemas de tratamiento de aguas residuales, pues mediante una adecuada y eficiente operación se puede reducir efectivamente la carga contaminante de dicha agua. A continuación se detallan cada una de las operaciones que se realizan. Cabe destacar que por espacio la mayoría de estas operaciones se realizan en una unidad que contenga el conjunto de operaciones de tratamiento primario. Floculación: Es el proceso hidrodinámico en el que se efectúan las colisiones de partículas desestabilizadas favoreciendo la agregación (cohesión) entre ellas, logrando formar aglomerados de partículas coloidales que unidas entre sí alcanzan un peso que las hace sedimentables por gravedad. Los floculantes inorgánicos más empleados son:
Los floculantes sintéticos son polímeros lineales de elevado peso molecular, solubles en agua, efectivos generalmente en concentraciones muy pequeñas y poseen grupos activos distribuidos a lo largo de sus cadenas, que tiene gran afinidad por las superficies sólidas. El principal mecanismo de floculación de estos es la formación de puentes o enlaces. La principal sal de aluminio usada es el sulfato de aluminio líquido o sólido. El intervalo de acción frente al pH. En términos de la solubilidad del hidróxido metálico formado indica que el óptimo se sitúa entre 6 y 7.5 unidades de pH. La reacción teórica producida por el sulfato en el agua es la Sedimentación. Coagulación: En esta etapa se incorporan ciertos compuestos químicos que permiten desarrollar el fenómeno de la coagulación, que tiene como objetivo remover las partículas coloidales mediante una serie de enlaces entre las partículas que generarán una de mayor volumen y peso, que como consecuencia por la gravedad decantará. Esta operación acelera notablemente el tiempo de sedimentación de algunos compuestos ya que por naturaleza del coloide, éste puede tardar 100 años en sedimentarse naturalmente, en cambio mediante esta acción tarde solo entre 0.5 y 3 horas. Aireador: Al agua se le agrega aire a través de difusores dispuestos en el fondo del estanque. El aire transferido al agua es a través de pequeñas burbujas con lo cual los microorganismos presentes en el agua pueden degradar la materia orgánica. Estas burbujas permiten una mezcla continua del agua y la suspensión del material orgánico lo que facilita su degradación. El proceso es diseñado de manera tal que la población microbiológica oxide la materia orgánica en la etapa de crecimiento endógeno, resultando una pequeña producción de biomasa. Los microorganismos construyen flóculos de lodo que aglomeran los sólidos suspendidos que no fueron bloqueados en el tratamiento preliminar. Sedimentación: La sedimentación es la operación más simple y de mayor utilización para el tratamiento de aguas residuales. En efecto, la sedimentación se usa como tratamiento primario y complemento a los tratamientos secundarios en la mayoría de los sistemas de tratamientos biológicos de aguas residuales. La separación de los sólidos por gravedad se basa en la diferencia que existe entre los pesos específicos del líquido y el de las partículas. Para que se produzca la separación entre el líquido y el sólido se pueden observar dos formas: que aquellas partículas que tienen un peso específico mayor que el del agua sedimenten o que aquellas otras con un peso específico menor que el del agua floten. Ambas formas de separación mencionadas anteriormente se denominan operaciones de sedimentación y flotación respectivamente. El criterio para diseñar un sedimentador es la carga superficial que admite, la cual corresponde al caudal dividido por la superficie total del estanque. La eficiencia de la sedimentación primaria varía bastante dependiendo de la cantidad de sólidos suspendidos existentes y de otras variables bioquímicas. En términos generales puede decirse que entre mayor sea la carga superficial, menor será la eficiencia de la sedimentación en la remoción sólidos en suspensión. Normalmente se espera una remoción que oscila entre un 40 y 70% de los sólidos sedimentables y de un 20-40% de la DBO. Cabe destacar que no siempre se cuenta con un sedimentador primario, por lo que el agua servida pasa directamente al tratamiento secundario luego de haber pasado por las operaciones de floculación, coagulación y aireación. Luego el agua proveniente del estanque primario es oxigenada en forma activa mediante la inyección de aire en los denominados estanques de aireación.
Se conoce como tratamiento secundario al proceso de purificación por medio de procesos biológicos, además de la clarificación posterior cuando ésta sea necesaria, a que son sometidos los efluentes de un tratamiento primario denominándose tratamiento completo al conjunto de tratamiento primario y secundario. Además dentro de esta etapa se encuentra uno de los fenómenos más importantes que es la biodegradación de la materia orgánica a través de la combinación de procesos anaerobios y aerobios para que se generen las bacterias responsables de realizar la descomposición y asimilación de los nutrientes provenientes del agua residual y consecuentemente la reducción de la contaminación (medida como DBO y DQO). En esta etapa se reducen aproximadamente el 90% de los microorganismos patógenos que existen en el agua. El proceso biológico es un proceso natural controlado que usa los microorganismos presentes en el agua servida y los que se desarrollan en el estanque secundario. Estos microorganismos se alimentan de los sólidos orgánicos en solución y estado coloidal produciendo su degradación a dióxido de carbono y agua y además dan origen a una gran biomasa bacteriana que se precipita en el estanque secundario. En consecuencia, transforma las sustancias orgánicas solubles y coloidales en microorganismos, que son de mayor tamaño, los cuales floculan y por tanto, sedimentan. Para tratar el agua, se pueden utilizar mecanismos aeróbicos y anaeróbicos para transformar la materia orgánica presente en el fluido, los cuales tienen diferentes características para descomponer la materia. De acuerdo al diseño de la planta, se debe tener en cuenta que ambos procesos generan subproductos los cuales se pueden apreciar en la siguiente tabla:
Los sub-productos de la descomposición aeróbica son estables e inofensivos, mientras que los anaeróbicos son inestables y de características malolientes. Esta última descomposición se aplica generalmente en el acondicionamiento de lodos y en aquellos casos en que la materia orgánica se encuentre en concentraciones altas por lo que en el tratamiento secundario predominan los procesos aeróbicos. Entre los dispositivos más comunes para el tratamiento secundario se tienen los filtros percoladores o llamados también biofiltros. Filtros Percoladores: Consisten en una capa de piedra picada, escoria o grava gruesa de profundidad de 0.9 a 3.6 m a través de la cual se hacen pasar los afluentes de las aguas negras previamente clarificadas mediante un tratamiento primario. El objetivo de la unidad es retener los sólidos disueltos, dividirlos del líquido cloacal y oxidarlos para formar un material más estable. El filtro cumple con la función de purificar el líquido cloacal mediante la acción biológica de los organismos que crecen en el medio. La abertura entre piedras es grande y no se puede separar los sólidos por acción filtrante, por lo cual es necesario disponer de superficie suficiente para el desarrollo de la actividad biológica. Al tener contacto con el fluido, en la superficie del material filtrante se siembra una variedad de microorganismos que adquieren en conjunto un aspecto de película gelatinosa que permite realizar el proceso aeróbico transformando la materia orgánica que circula por dicho filtro. Cabe destacar que este tipo de medio filtrante tiene grandes espacios entre si por lo que descargan los sólidos retenidos aglomerándose y floculando en las superficies de las piedras hasta que por su propio peso y por la acción de enjuague del agua se desprenden de las mismas para salir en los afluentes. Generalmente se utilizan filtros percoladores giratorios que están construidos con un cilindro hueco que gira sobre un eje vertical que tiene fijada en su base dos o cuatro tubos horizontales opuestos que se comunican interiormente con el cilindro. Se introduce el efluente por medio del tubo alimentador de tal forma de llenar el cilindro y sus brazos; como hay orificios o surtidores en un lado de los brazos se genera una fuerza que permite poner en marcha el aparato mientras dura el flujo del líquido haciéndolo girar en sentido contrario al de los surtidores. Los filtros, de acuerdo a su diseño, corresponden a unidades de baja y alta tasa dependiendo de las características de operación de cada uno. El principio de funcionamiento del filtro consiste en que el agua previamente tamizada y decantada es roseada sobre el medio filtrante, en este caso grava o piedra, sobre el cual actúan los microorganismos depuradores, permitiendo se deja que se filtre el agua pero reteniendo parte de sus nutrientes orgánicos en el lecho. El tamaño de las piedras de que consta el medio filtrante está entre 2.5 – 10 cm de diámetro, iniciando con diámetros más grandes y finalizando con los más pequeños. La materia orgánica que se halla presente en el agua residual es degradada por la población de microorganismos adherida al medio, esta materia es absorbida sobre una capa viscosa (película biológica), en cuyas capas externas es degradada por los microorganismos aerobios, a medida que los microorganismos crecen el espesor de la película aumenta y el oxígeno es consumido antes de que pueda penetrar todo el espesor de la película, por lo que se establece un medio ambiente anaerobio, cerca de la superficie del medio, conforme esto ocurre las materia orgánica absorbida es metabolizada antes de que pueda alcanzar los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante. Lagunas de Estabilización: Las lagunas de estabilización son una buena solución para ciudades medianas de hasta 100.000 habitantes y en especial para pequeñas comunidades rurales ya que tienen las siguientes ventajas:
Una laguna de estabilización es una laguna diseñada con el fin de depurar las aguas servidas cualquiera que sea su origen o tratamiento previo y se clasifican desde el punto de vista biológico de la siguiente forma:
Lagunas Aeróbicas En este tipo de lagunas ocurren fenómenos químicos y biológicos que logran la reducción de la contaminación de dichas aguas, expresada en términos de la DBO o en términos del número de coliformes. En el proceso aeróbico se produce una complementación biológica o simbiosis entre bacterias y algas que básicamente consiste en lo siguiente: Las algas, en presencia de luz solar y bajo la acción de un proceso fotosintético utiliza en dióxido de carbono proveniente de la oxidación bacterial, como fuente de carbono en la síntesis de nuevas algas y al mismo tiempo liberan el oxígeno presente en la molécula de CO2. Por otra parte, las bacterias utilizan el oxígeno liberado por las algas, en su función de oxidación bioquímica de la materia orgánica, en especial en la transformación de hidratos de carbono a dióxido de carbono el que nuevamente es utilizado por las algas para reiniciar el proceso. Como producto de esta actividad biológica, la materia orgánica muerta (putrecible) es transformada en materia orgánica viva (algas) y en compuestos más simples. Se obtiene además una notable reducción bacterial, debido entre otras cosas, a la falta de nutrientes, al efecto de ciertos antibióticos que se desarrollan en las lagunas y a la acción desinfectante de los rayos ultravioletas del sol. En estas lagunas se genera un proceso conocido como autodepuración o estabilización natural, en el que ocurren fenómenos de tipo físico, químico, bioquímico y biológico. Este proceso se lleva a cabo en casi todas las aguas estancadas con alto contenido de materia orgánica biodegradable. Los parámetros más utilizados para evaluar dicho comportamiento y calidad en aguas residuales en este tipo de sistema son la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) que caracteriza la carga orgánica y el número más probable de coliformes fecales que caracteriza la contaminación microbiológica. Lagunas Anaeróbicas El proceso anaeróbico es producido por otros tipos de microorganismos. Se establece cuando el medio es mal aireado o cuando las materias orgánicas proporcionadas por los desechos consumen demasiado oxígeno para que la depuración pueda efectuarse. Los lodos que se van acumulando en el fondo de la laguna anaeróbica fermenta. Esta fermentación está acompañada de un desprendimiento de gas carbónico y metano, que arrastra partículas sólidas hacia las capas de aguas superficiales. Este proceso se caracteriza por un fuerte desprendimiento de gases ofensivos, circunstancia que impide su ubicación cerca de sectores poblados. Las reacciones anaerobias son más lentas y los productos pueden originar malos olores. Las condiciones anaerobias se establecen cuando el consumo de oxígeno disuelto es mayor que la incorporación del mismo a la masa de agua por la fotosíntesis de las algas y el oxígeno disuelto y que la laguna se torne de color gris oscuro. El desdoblamiento de la materia orgánica sucede en forma más lenta y se generan malos olores por la producción de sulfuro de hidrógeno. Laguna facultativa En las lagunas facultativas, el medio líquido superior es el lugar de fermentación aeróbica, mientras que en las capas profundas y en los lodos depositados en el fondo de la laguna se establecen condiciones anaeróbicas. Hay, entonces, una superposición de los procesos de decantación y oxidación, Además, la destrucción de materia orgánica se opera en las lagunas gracias a una asociación biológica extremadamente grande y no exclusivamente por bacterias como en el procedimiento clásico de lodos activados. En las partes inferiores, las bacterias anaeróbicas estabilizan la materia orgánica en dos fases sucesivas: por un lado, ciertas enzimas extracelulares hidrolizan la materia sólida y una parte de la materia solubilizada se difunde hacia la masa de agua superior donde es estabilizada segí procesos aeróbicos; por otro lado, la materia orgánica restante es transformada por otros grupos de bacterias en metano, gas carbónico y amoníaco. En las partes superiores (aeróbica), la materia orgánica disuelta es degradada por las bacterias aeróbicas y por el oxígeno. Este metabolismo, tan favorable a la multiplicación de las bacterias, produce gas carbónico, agua, fosfatos y nitratos. Utilizando los rayos solares como fuente de energía las algas transforman el gas carbónico, el amoníaco y las materias inorgánicas en protoplasma, siendo esta transformación más intensa en climas calurosos. El tratamiento en base a lagunas de estabilización puede ser mejorado ostensiblemente si la depuración se realiza en lagunas en serie y no como celdas únicas, especialmente si se trata de aguas con una alta carga orgánica y en forma muy particular para los residuos industriales líquidos de origen orgánico.
Cámara de Contacto: En esta unidad ocurren los procesos de desinfección del agua mediante algún agente químico que elimine por completo cualquier microorganismo patógeno que pueda causar daños al medio ambiente o al ser humano. Para ello existen diversas formas de lograr este objetivo siendo las más comunes la aplicación de peróxido de hidrógeno y cloro como desinfectantes químicos. Desinfección: Una vez el agua ha pasado por el filtro percolador, se espera una reducción de la DBO del 80%, y una reducción de DQO del 60%. En caso que dichos parámetros no cumplan con la normativa en Chile, se deben utilizar oxidantes químicos para reducir aún más los niveles DQO y consecuentemente los de DBO para poder alcanzar una eficiencia superior al 90% en ambos casos. Los oxidantes químicos pueden romper moléculas de difícil oxidación natural tales como carbón, CO2, fenoles de origen orgánico y células de los microorganismos (hongos, bacterias, virus, etc.) produciendo su desnaturalización y por ende la desinfección del agua. Los procesos de oxidación química para tratar aguas contaminadas incluyen el uso de sustancias tales como hipoclorito de sodio, permanganato de potasio, óxido de cloro, compuestos de Yodo, y amonios entre otros siendo los de mayor importancia el peróxido de hidrógeno y el cloro. Adicionalmente, la oxidación puede ser mejorada empleando la radiación ultravioleta (luz directa del sol) en unión con cualquiera de estas sustancias pero para el caso de Osorno, no siempre se tienen índices de radiación altos debido al clima lluvioso que predomina durante el año.
Este tipo de tratamiento es muy utilizado en la actualidad debido a sus bajos costos de operación y mantención, espacio reducido y eficiencia. Desde antaño, la mayoría de las plantas que se han construido son de tipo Lodos Activados y ayudan considerablemente a mejorar la calidad del recurso hídrico tanto para la vida de las personas como para el medio ambiente. Los lodos activados son un proceso de tratamiento por el cual el agua residual y el lodo biológico (microorganismos) es mezclado y aireado en un tanque denominado aireador. Los flóculos biológicos formados en este proceso se sedimentan en un tanque de sedimentación, lugar del cual son recirculados nuevamente al tanque de aireación. Los lodos se pueden clasificar en dos tipos de acuerdo a su origen: lodos crudos y lodos activados, siendo los primeros provenientes del tratamiento primario y los activos que se originan en el tratamiento secundario (biológico). En el proceso de lodos activados los microorganismos son completamente mezclados con la materia orgánica en el agua residual de manera que ésta les sirven de alimento para su producción. Es importante indicar que la mezcla o agitación se efectúa por medios mecánicos (aireadores superficiales, sopladores, etc.) los cuales tienen la función de producir mezcla completa y agregar oxígeno al medio para que el proceso se desarrolle. Digestión Anaeróbica y Aeróbica de lodos: Consiste en acondicionar la recepción, filtrado, secado y acondicionamiento de los lodos con el fin de evitar que éstos contaminen de nuevo el agua depurada o la fuente hídrica en forma directa o indirecta. A través de este tratamiento se hace posible el aprovechamiento de los lodos para la agricultura. Estos son: La digestión aerobia se hace en un estanque abierto y se requiere estar constantemente inyectando aire. Las bacterias que realizan este proceso son de tipo aerobias a temperatura ambiente. La digestión anaerobia se realiza en un estanque cerrado llamado digestor. Para este proceso no se requiere de oxígeno y es realizado por bacterias anaerobias que transforman la materia orgánica en ácido propiónico, acético y otros compuestos intermedios. La digestión anaeróbica de lodos es un proceso de acción biológica en que la materia orgánica altamente degradable se transforma en compuestos más estables que no crean situaciones peligrosas al disponerse en el medio ambiente, lográndose así un producto que puede ser deshidratado y secado rápidamente si las condiciones lo ameritan. La digestión de la materia orgánica, bajo condiciones anaeróbicas, depende de dos grupos de bacterias que conviven en el mismo medio. Un grupo está constituido por organismos saprófitos facultativos que se reproducen rápidamente y atacan sustancias orgánicas complejas tales como grasas, hidratos de carbono y proteínas transformándolas en compuestos orgánicos simples (alcoholes y ácidos volátiles). Respecto del segundo grupo de organismos, está formado por bacterias formadoras de metano y son estrictamente anaeróbicas. Éstas convierten los ácidos y alcoholes producidos en la etapa anterior en metano y dióxido de carbono. Durante el proceso de la digestión se desprenden también otro tipo de gases como nitrógeno y ácido sulfhídrico en forma más reducida. Factores que afectan al proceso: Temperatura: para una digestión rápida se necesita en forma óptima un medio a 38ºC. Si se tienen condiciones con temperaturas más bajas, el proceso se retarda llegando a tener muy baja actividad a los 4ºC. Alcalinidad: los organismos que promueven una rápida digestión, buena producción de gas y la menor cantidad de olor y molestias del barro en digestión actúan en forma eficaz con un pH de 7. En caso que dicho valor esté por debajo de 6.5 o sobre 7.6, la eficiencia cae bruscamente. Propósitos de la digestión:
Lechos de Secado: El lecho de secado es básicamente una estructura filtrante que permite que los lodos que se generan en los tanques anaerobios y aerobios sean evacuados, secados y filtrados con el fin de devolver el lixiviado al tratamiento y evitar así que estos líquidos altamente contaminantes pasen directamente a la quebrada sin ningún tratamiento. Cualquiera que sea el origen y naturaleza del lodo digerido, éste debe disponerse. No es aconsejable hacerlo en su forma líquida y no hay otro remedio sino el de desecarlos. Los lechos de secado se usan en plantas pequeñas o de tamaño mediano, especialmente cuando se dispone de amplio espacio y cuando hay gran demanda de barro deshidratado como mejorador de suelos. Una vez depositado el lodo en el lecho de secado y con un buen drenaje, los gases disueltos hacen que los sólidos floten, quedando en el fondo un licor relativamente claro que drena rápidamente a través de la arena (normalmente demora menos de un día). Después de este período la evaporación adquiere importancia. A medida que el líquido continúa percollando a través de la arena y que la evaporación continúa, la torta de barro se contrae horizontalmente produciendo grietas en la superficie que aceleran la evaporación en virtud del aumento de superficie expuesta al aire. |
