TRABAJO DE INVESTIGACIÓN Fundamentos de acueductos y alcantarillados
Sarah Correa Builes 20162085265 Mónica Morales Rodríguez 20162085939 Sebastián Pérez Calderón Alirio Alonso Alonso Cainaba Leonel Cortes Guzmán 20162085259 Tratamiento de Aguas Residuales Toda planta de tratamiento de aguas residuales está integrada por una serie de unidades de proceso colocadas en forma secuencial, dependiendo de los contaminantes que haya que remover. La figura 1 es un ejemplo de trenes de tratamiento primario. En ellas se distinguen las etapas: pretratamiento y tratamiento primario, y se señalan las unidades de proceso que integran dichas etapas. El pretratamiento se refiere a la eliminación de materia muy voluminosa, tal como botellas, trapos, piedras o materia pesada, como grava y arena. Es necesario removerlos para evitar que interfieran con el tratamiento en sí, y para evitar que dañen los equipos. Usualmente, las plantas de tratamiento primario de aguas municipales comprenden el cribado (rejas, rejillas), la medición del flujo (ésta no es parte del pretratamiento, ni es indispensable que esté colocado en este sitio, sin embargo, debe existir por lo menos un medidor de caudal en la planta); la desarenación; y la unidad primaria de separación de sólidos.
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Además, toda planta de tratamiento debe contar con una línea para el tratamiento de los lodos de desecho. Existe una variante de tratamiento conocida como tratamiento primario avanzando que incluye una dosificación de reactivos para ayudar a la formación de flóculos y, de esta forma, aumentar la sedimentación de los sólidos suspendidos.
En aguas residuales provenientes de procesos industriales es usual que no se cuente con rejas ni rejillas ni desarenadores y, en cambio, sí es frecuente que se encuentren tanques de igualación y/o neutralización, ya que hay grandes variaciones tanto en el caudal como en la composición del agua. Pretratamiento Cribado El cribado es un método que remueve, del agua residual, los contaminantes más voluminosos, ya sean flotantes o suspendidos. Las cribas se clasifican en función del tamaño de la partícula removida, como finas o gruesas. Una variante es la reducción de tamaño de la basura (desmenuzado). El cribado sirve como instrumento de protección del equipo electromecánico. Las unidades de cribado más usuales, para las plantas de tratamiento de agua municipales, son las rejillas. Una unidad de rejillas consta de barras de acero verticales o inclinadas espaciadas a intervalos regulares, situadas en forma perpendicular al canal a través del cual fluye el agua residual. Las rejillas son usadas antes de las bombas, medidores, desarenadores y sedimentadores primarios, y en obras de desvío. La abertura de las barras se define en función del tipo de basura presente en el agua residual. Para las rejillas gruesas se consideran aberturas entre 75 y 150 mm, mientras que en las rejillas finas los claros son entre 15 y 75 milímetros. Las rejillas pueden ser de limpieza manual o automática. Las de limpieza manual presentan una inclinación de 45 a 60º con respecto a la horizontal. La inclinación facilita la limpieza. Por su parte, las rejillas de limpieza automática tienen inclinaciones de 60 a 90 grados. Una vez separado, el material cribado se seca y generalmente se envía a un relleno sanitario, ya que se trata de botellas y bolsas de plástico, trapos, papeles, palos, ramas y hojas. Desarenadores La función de los desarenadores es eliminar la arena del agua residual para proteger los equipos mecánicos de la abrasión y el desgaste, evitar la obstrucción de los conductos por la acumulación de partículas de arena en las tuberías o canales, y reducir la acumulación de material inerte en los tanques de aeración y lodo digerido, evitando pérdidas en el volumen útil de dichos reactores. La ubicación más frecuente de los desarenadores es después de las rejillas y antes del sedimentador primario. Existen tres tipos básicos de desarenadores: los de flujo horizontal (control de velocidad y de nivel constante), los aerados y los de vórtice.
Tratamiento primario
La segunda etapa mostrada en la Figura 1 es el tratamiento primario, aquí se lleva a cabo la separación de la materia orgánica particulada. Esto se puede hacer a través de la sedimentación, la flotación o el microcribado. Sedimentadores Los sedimentadores primarios generalmente se diseñan para tener un tiempo de retención hidráulico de 1 ½ a 2 ½ horas y una carga hidráulica de 32 a 50 m 3/m2·d (0.37 y 0.58 mm/s). La carga hidráulica es el volumen de agua que pasará sobre la superficie horizontal del tanque en un día y este parámetro se equipará con la velocidad terminal de las partículas. Existen dos tipos básicos de sedimentadores: los circulares y los rectangulares. El principio de funcionamiento es el mismo, en ambas estructuras se crearán las condiciones de movimiento suave y lento para que las partículas puedan depositarse en el fondo. Ambos cuentan con estructuras que les permiten desplazar los lodos depositados en el fondo del tanque hasta la tolva o pozo donde se concentran, ambos tienen un mecanismo para colectar las natas o la materia flotante. Flotación de sólidos Los sólidos cuando tienen una densidad relativamente baja y son finos, pueden también ser separados como espuma o materia flotante. Para ello, se agrega aire al agua con materia en suspensión para provocar que burbujas de aire se adhieran al sólido y se eleven a la superficie; la forma más eficiente de hacer esto es a través del proceso conocido como flotación por aire disuelto o DAF (por sus siglas en inglés). La flotación por aire disuelto es una operación unitaria en la cual un gran número de microburbujas de aire se adhieren a las partículas y las elevan hasta la superficie del agua. Para crear las burbujas microscópicas (diámetros menores a 100 mm) se utilizan dos procedimientos: Agua de dispersión o Inyección de aire a presión. Neutralización Las aguas residuales deben neutralizarse para ajustar su valor de pH. Solo mediante este proceso podrán cumplir los requisitos de las distintas unidades de proceso que conforman los sistemas de tratamiento de aguas residuales. La neutralización puede utilizarse para el tratamiento de las aguas residuales ácidas que contienen metales. La incorporación de un reactivo alcalino aumenta el pH de los residuos ácidos. Esto forma un precipitado que recoge los metales no deseados. El resultado es una solución inicial cuyo pH se ha ajustado dentro de un rango óptimo para precipitar los metales como hidróxidos. Tratamiento Secundario: Su principal objetivo es la eliminación de materia orgánica, para esto es necesario el uso de reactores biológicos, en este caso se habla de microorganismos cuya función
esencialmente es el degradar la materia orgánica, para convertirla en sustancias más simples. Los microorganismos más encontrados en sistemas de tratamiento secundario se presentan en la siguiente figura.
Fig. 2 Microorganismos encontrados en los sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales
Por su afinidad con el oxígeno se dividen en aerobios, anaerobios cuando no lo requieren, o facultativos cuando pueden crecer y reproducirse en ambas condiciones. TECNOLOGÍAS Proceso de lodos activados
Fig. 3 proceso de tratamiento secundario por lodos activado
Descripción: El agua residual entra al reactor biológico en el cual se encuentra un cultivo de microorganismos, se mantiene en condiciones aerobias a través de la inserción de
oxígeno, después de un tiempo determinado de retención, las bacterias en suspensión pasan al tanque de sedimentación secundaria donde, se separa el agua tratada, como se muestra en la figura número 3, allí se sedimentan los microorganismos formando floc en el sedimentador y a través de un sistema de bombeo se retorna al reactor para mantener la concentración deseada, el sedimento que se excede se elimina a través de una tubería y es denominado purga de lodo. Componentes: tanque de aireación, que en este caso sería el reactor. o Fuente de aireación, que es el que permite transferir el oxígeno. o Sedimentador, para separar el floc biológico del agua tratada. o Sistemas de tuberías y bomba recirculante, para devolver el cultivo de microorganismos al reactor. Tubería con válvula, en caso de desechar el excedente de lodos. o
o
Filtros percoladores También llamado lecho bacteriano es una unidad de tratamiento biológico, el cual consiste en un tanque cilíndrico o rectangular contenido de un lecho en su gran mayoría de casos son piedras por medio de las cuales distribuidas las aguas residuales a través de brazos distribuidores. A este lecho se encuentra adherida cierta población bacteriana, que ha sido debidamente cultivada, para el proceso de eliminación de materia orgánica.
Fig. 5 vista desde la superficie de un filtro percolador. Ventajas: o o o
Funcionamiento estable Explotación sencilla no requiere recirculación de lodos Baja demanda energética
Tratamientos anaerobios Es el proceso de degradación de la materia orgánica por la acción coordinada de microorganismos, en ausencia se oxigeno u otros agentes oxidantes fuertes, como
subproducto se obtiene un gas denominado usualmente biogás, cuya composición básica es metano CH4 y dióxido de carbono CO2 en un 95%, pero con la presencia adicional de nitrógeno, hidrógeno, amoníaco y sulfuro de hidrógeno, usualmente en proporciones inferiores al 1%. Parámetros: o o
Ph y alcalinidad Producción de gas
fig. 5 diagrama de flujo en tratamientos anaerobios Tratamiento Terciario El tratamiento terciario conocido también como tratamiento avanzado, es la serie de procesos destinados a conseguir una calidad del agua superior a la obtenida en el tratamiento anterior, el tratamiento terciario se puede llevar a cabo por diferentes procesos como son: separación de sólidos en suspensión, adsorción en carbón activo, intercambio iónico, osmosis inversa, electrodiálisis, oxidación química (cloración y ozonización) y algunos otros procesos. -
Eliminación de sólidos en suspensión
Los sólidos en suspensión que no han sido eliminados en las operaciones convencionales de tratamiento primario y secundario pueden constituir una parte importante de la DBO de los efluentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales, se disponen de diferentes métodos para eliminar dichos solidos: micro tamizado, filtración y coagulación. En el micro tamizado se hace sobre membranas con tambores rotativos, ingresando el agua por la parte interior fluyendo hasta una cámara de almacenamiento en la parte exterior, con el proceso de micro tamizado se consigue la eliminación de 70-90% de sólidos en suspensión. Se utiliza la filtración para conseguir rendimientos de eliminación de solidos de hasta 99%, los materiales de estos filtros son arena, antracita y tierra de diatomeas, la coagulación se hace mediante sulfato de aluminio, poli electrólitos, cal y otros reactivos químicos. -
Adsorción de carbón activo
La adsorción se conoce como la concentración de un soluto en la superficie de un sólido. Este fenómeno no tiene lugar cuando se coloca dicha superficie en contacto con una solución. Una capa de moléculas de soluto se acumula en la superficie del solido debido al desequilibrio de las fuerzas superficiales.
En el interior de solido las moléculas están rodeadas totalmente por moléculas similares y por lo tanto sujetas a fuerzas equilibradas, tal como lo indican las flechas de la figura mostrada a la izquierda. Las moléculas en la superficie están sometidas a fuerzas no equilibradas. Debido a que estas fuerzas residuales son suficientemente elevadas, pueden atrapar moléculas de un soluto que se halle en contacto con el sólido. Este fenómeno se denomina adsorción física o de Van der Waals. -
Intercambio iónico
Consiste en hacer pasar el agua por resinas de intercambio iónico, la cual es capaz de retener selectivamente sobre su superficie los iones disueltos en el agua, los mantiene temporalmente unidos a la superficie, y los cede frente a una disolución con un fuerte regenerante. El intercambio de iones es un proceso rápido y reversible en el cual los iones impuros presentes en el agua son reemplazados por iones que despiden una resina de intercambio de iones. Los iones impuros son tomados por la resina que debe ser regenerada periódicamente para restaurarla a su forma iónica original. Los siguientes iones son generalmente encontrados en aguas crudas: Cationes
Aniones
Calcium (Ca2+)
Cloruro (Cl-)
Magnesio (Mg2+)
Bicarbonato (HCO3-)
Sodio (Na+)
Nitrato (NO3-)
Potasio (K+)
Carbonato (CO32-)
Hierro (Fe2+)
Sulfato (SO42-)
Ilustración 1 Tomado de General Water company Argentina
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Osmosis inversa
La ósmosis es una operación de equilibrio en la que moléculas de un solvente son capaces de atravesar una membrana permeable para diluir una solución más concentrada. Así pues, la ósmosis inversa consiste en separar el solvente de una solución concentrada, que pasa a través de una membrana semipermeable, mediante la aplicación de una presión, la cual deberá ser, como mínimo, superior a la presión osmótica. Cuanto mayor sea la presión aplicada, mayor será el flujo de permeado a través de la membrana. Este proceso es especialmente atractivo por la elevada selectividad de las membranas, las cuales permiten el paso del solvente, pero apenas pueden pasar los iones y moléculas de pequeño tamaño disueltas en la solución.
Bibliografía
CALDERÓN, C. Identificación y descripción de sistemas primarios para el tratamiento de aguas residuales. Gerencia de Recaudación y Control de la Subdirección General de Administración del Agua. Comisión Nacional del Agua. México. 46p. Ministerio, v. (2000). reglamento tecnico del sector de agua potable y saneamiento basico. [online] ministerio de vivienda. Available at: http://www.minvivienda.gov.co/Documents/ViceministerioAgua/010710_ras_titulo_e_.pdf [Accessed 25 May 2018]. Ramalho(1996). Tratamiento de aguas residuales. Editorial Reverté S.A. España. pag 704.
