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Plantas tratamiento agua
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7/18/2019 Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales
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Tecnológico de Estudios Superiores del Oriente delEstado de México.
(TESOEM)
INGENIERÍA AMBIENTAL.
DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DEAGUAS RESIDUALES.
Realizó: Miriam Vega Loyola.
EDO. MÉXICO. MARZO, 2010.
Gobierno del
SUBDIRECCIÓN ACADÉMICA
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INDICE
Contenido Página
UNIDAD I Aguas Residuales.
Introducción.
1.1 Historia. 1
1.2 Orígenes y cantidades. 7
1.3 Comportamiento de caudales contra tiempo. 10
1.4 Medición de caudales y análisis del comportamiento. 12
1.5 Métodos para medición de caudales. 15
1.6 Características químicas, físicas, fisicoquímicas y biológicas. 27
1.7 Muestreo de Aguas residuales. 46
1.8 Determinación de gastos másicos. 53
1.9 Aguas residuales de origen industrial 57
.
UNIDAD II Procesos para Separación de Contaminantes.
2.1 Procesos físicos. 64
2.2 Procesos químicos. 69
2.3 Procesos fisicoquímicos.
2.4 Diseño conceptual de una planta.
UNIDAD III Procesos Físicos de Separación.
3.1 Cribado (rejillas y cribas). 77
3.2 Almacenamiento de excedentes (“igualación”). 83
3.3 Mezclado. 86
3.4 Floculación. 89
3.5 Sedimentación (desarenación y clarificación) 91
3.6 Flotación. 102
3.7 Filtración en medio granular (filtros de arena). 111
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UNIDAD IV Tratamiento de Lodos.
4.1 Orígenes y formas de tratamiento (posibles combinaciones) 117
4.2 Cantidades y características. 118
4.3 Espesamiento. 120
4.4 Digestión aerobia y anaerobia. 123
4.5 Deshidratación. 127
4.5.1. Filtración.
4.5.2. Centrifugación.
4.5.3. Lechos de secado.
4.5.4. Estanques.
4.6 Composteo.
4.7 Acondicionamiento químico y térmico.
Bibliografía 128
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ÍNDICE DE TABLAS
No. Tabla Contenido Página
1.1 Composición Típica de las ARD 7
1.2 Conservantes y métodos de conservación para las muestras
de agua.
52
2.1
2.2
Aplicaciones de l as oper aciones físicas uni tarias en el
tratamiento de A.R.
Productos químicos empleados en el tratamiento del AR
66
70
3.1 Características del tipo de rejas. 78
3.2
3.3
3.4
Propósitos del cribado.
Tipos de sedimentación que intervienen en el tratamiento del
agua residual.
Solubilidad del aire a P=1 atm y diferente Temperatura
80
92
106
4.1 Características de los lodos 118
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ÍNDICE DE FIGURAS
No. de Figura Contenido Página
1.1 Variación típica horaria del caudal de AR. 10
1.2 Sección transversal para el método área-velocidad 19
1.3 Inyección de un volumen conocido de trazador. 20
1.4
1.5
1.6
Vertedor rectangular.
Vertedor triangular.
Vertedor Cipolletti
23
24
25
3.1 Rejas inclinadas. 79
3.2
3.3
3.4
4.1
4.2
Diagrama de flujo de una PTAR con igualamiento en
línea.
Diagrama de un sistema de flotación sin recirculación
Diagrama de un sistema de flotación con recirculación
Espesador
Filtro Banda
85
107
109
122
128
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ÍNDICE DE CUADROS
No. de Cuadro Contenido Página
1.1 Cronología del tratamiento de agua a nivel mundial. 4
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Cronología del tratamiento de Agua en México.
Clasificación de sólidos.
Tamaño de los sólidos.
Características Físicas.
Características Químicas.
Características Biológicas.
5
28
29
32
39
45
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UNIDAD I
AGUAS RESIDUALES.
OBJETIVO.
El estudiante podrá identificar y analizar la problemática de los cuerpos de agua
en el paí s, por medio d e muestreos y s us c aracterísticas físicas, q uímicas y
biológicas del vital líquido, con el fin de proponer un proceso de tratamiento de
agua residual.
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1
1.1 Historia.
Aunque l a captación y drenaje de aguas pluviales datan de t iempos ant iguos, el
almacenamiento de aguas residuales tiene su primer precedente en el siglo XIX.
El tratamiento sistemático de las aguas residuales surgió a finales del siglo pasado
y principios del presente. El desarrollo de la teoría del germen en la segunda mitad
del s iglo pas ado por Koch y P asteur m arcó el i nicio de u na n ueva er a en el
saneamiento. A ntes de es ta ép oca l a r elación de ent re contaminación y
enfermedades habí a s ido es tudiada t an sólo l igeramente, y la bac teriología, en
aquel entonces en sus inicios no h abía sido aplicada al tratamiento de l as aguas
residuales.
El t ratamiento y l a el iminación de l as ag uas r esiduales n o r ecibió demasiada
atención a finales del siglo XIX porque la magnitud de los daños causados por las
descargas no t ratadas, no er a i mportante y por que s e di sponía de g randes
cantidades de terreno para su evacuación. A principios del siglo XX, sin embargo,
los daños y las condiciones sanitarias trajeron consigo una creciente demanda de
que el t ratamiento de las aguas residuales tuviera más eficacia. La imposibilidad
de disponer de zonas suficientes para la evacuación en la tierra de agua residual
no t ratada, es pecialmente e n l as g randes c iudades, l levó a l a ad opción demétodos de tratamiento más intensos.
A lo largo de la historia, la calidad del agua potable ha sido un factor determinante
del bi enestar hu mano. Las en fermedades pr opagadas p or ag ua “ potable”
contaminada c on m ateria f ecal di ezmaron a l a pobl ación de c iudades ent eras.
Incluso actualmente, el ag ua i nsalubre c ontaminada p or fuentes nat urales o
humanas sigue causando grandes problemas a las personas que se ven obligadas
a usarla, tanto para b eber c omo p ara l a i rrigación de h ortalizas y ot ras pl antas
comestibles crudas.
Aunque hay todavía epidemias ocasionales de enfermedades bacterianas y virales
causadas p or ag entes i nfecciosos transportados en el agua pot able, como el
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cólera, l a pol iomielitis y ot ras, l as en fermedades propagadas po r el la es tán, e n
general, bi en c ontroladas y el ag ua p otable en l os países t ecnológicamente
desarrollados es tá ahora notablemente l ibre d e l os agentes c ausantes de
enfermedades que er an c ontaminantes m uy c omunes del ag ua hace s olo u nas
décadas.
Los seres humanos han almacenado y distribuido el agua durante siglos.
En la época en que el hombre era cazador y recolector utilizaba agua de río para
beber, y l os pr imeros as entamientos h umanos s e l levaron a cabo de m anera
continua cerca de lagos y ríos. Cuando no existían estos recursos las personas
aprovechaban agua subterránea que extraían mediante la construcción de pozos.
El crecimiento de las capitales antiguas, centros religiosos y comerciales se dan
alrededor de cuerpos de agua, la construcción de acueductos y drenajes se dio en
la antigua Roma.
Alrededor del a ño 3 00 A.C. l a c iudad d e P akistán ut ilizaba i nstalaciones y
necesitaba un suministro de agua muy grande, esta ciudad contaba con servicios
de baño público, instalaciones de agua caliente y baños.
En la antigua Grecia el agua de escorrentía, agua de pozos y agua de lluvia eran
utilizadas en épo cas muy t empranas. D ebido al c recimiento de l a po blación s e
vieron obl igados al almacenamiento y di stribución ( mediante l a c onstrucción d e
una r ed). Los g riegos f ueron de l os pr imeros en t ener interés e n la calidad del
agua. Ellos utilizaban embalses de aireación.
Los r omanos fueron los m ayores ar quitectos en c onstrucciones de r edes de
distribución de agua que han existido a l o largo de la historia. Utilizaban recursosde ag ua s ubterránea, r íos y ag ua de es correntía par a s u aprovechamiento,
construían pr esas p ara el almacenamiento r etención ar tificial del ag ua. Ellos
consideraban que el agua de m ejor c alidad er a aquella proveniente de l as
montañas.
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Desde el año 500 al 1500 D.C. hubo poco desarrollo en relación con los s istemas
de tratamiento del agua. Durante la edad media se manifestaron gran cantidad de
problemas de higiene, a causa de que a los sistemas de distribución del plomo, se
vertían residuos y excrementos.
El pr imer s istema de s uministro de agua pot able fue c onstruido e n E scocia,
alrededor del año 1804 por John Gibbs.
En 1806 en Paris empieza a funcionar la mayor planta de tratamiento de agua. El
agua sedimentaba durante 12 horas antes de su filtración. Los filtros consistían de
arena, carbón.
En 1827 el Ingles James Simplón construye un filtro de arena para la pur ificación
del agua potable. Hoy en día se considera el primer sistema efectivo utilizado con
fines de salud pública.
En 1830 el nuevo continente da inicio a los primeros tratamientos.
En 1849-1853, Londres, las aguas residuales convirtieron al Támesis en una masa
de desechos y 20000 humanos murieron por cólera.
1903, Filadelfia se proponen otros métodos de desinfección alterna como ozono
(O3) y rayos ultravioleta (uv).
1908 se utiliza el cloro por primera vez como desinfectante en E.U.
1972 un estudio revela 36 sustancias químicas en diferentes cuerpos de agua y seda inicio a la legislación.
2010 dr enaje pr ofundo d e ag uas r esiduales q ue pretende c ontrolar l a
contaminación.
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Algunos de los antecedentes en materia del tratamiento de agua a nivel mundial y
nacional, se presentan en los siguientes cuadros No.1.1 y No.1.2 respectivamente.
Cuadro No.1.1 Cronología del tratamiento de agua a nivel mundial.
3000 A.C.
Aparecen losprimerossuministros deagua. Pakistán
1300 A.C.
Se emplean losprimerostratamientos depurificación deagua. Egipto
500 A.C.
Se emplean los primerosmétodos de separaciónde residuos. Grecia-Asia
250 A.C.
Se crean las primerasredes de suministro deagua. Grecia
1804 D.C.
Se transportaagua filtrada aciudades deEscocia
1800 D.C.
Problemas dehigiene en elagua.Europa
1500 D.C.
Se construyen lasprimeras tuberías deplomo. Europa
1806
Se construye laprimera planta detratamiento de agua
en Paris
1827
Se construye un filtrode agua potable parala purificación.
1992
La asamblea generaldeclaro que el díaMundial del agua se
celebrara el 22 de marzode cada año.
500 al 1500 D.C.
Se implementan lasprimeras letrinas enEuropa Central
2009
UNICEF apoya programas deagua, saneamiento e higiene enmás de 90 países del mundo
2003
La asamblea general proclamó el periodo2005 a 2015 decenio internacional para laacción “el agua fuente de vida”
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Cuadro No.1.2 Cronología del tratamiento de Agua en México.
2000Población fronteriza nocuenta con plantas detratamiento de agua.
1997Se crea un programasobre la construcciónde las más grandesplantas de T.A.R.
2001México no recibiráuna gota de agua ytendrá que darse lasuspensión dellíquido en colonias.
2002Se reforma un sistema depotabilización detratamiento de agua queayudara a la población
2003Cámara de diputados otorgafinanciamiento para problemasde contaminación del agua enMéxico.
1996La Sociedad Mexicana de aguas(SMA) y la Water EnviromentFederation s e reúnen para l aoperación de sistemas de aguapotable y T.A.R.
1928Se reúne el secretario de obrasy servicios del D.F conrepresentantes de la ComisiónNacional del Agua.
1987La USDA(1) aprobó eltratamiento de agua caliente entodos los es tados exportadoresde México excepto Chiapas.
1989Primeros acuerdos ent reestados que c onforman l acuenca Ler ma-Chápalasobre l a i mportancia delagua.
2007CNA afirmó que México hallegado al límite de lo permisibleen el tratamiento de aguasresiduales.
2006El Banco mundial se refirió a lasituación del agua en México ysu contaminación
2005Se emite una norma para eltratamiento de aguasresiduales en la zonametropolitana de la ciudad
de México NODF/003- AGUA-2002
2009En la ciudad de Méxicose generan casi24m3 /s de aguaresiduales
2008Los Mexicanos nocuidamos el agua porquenos cuesta pocoCONAGUA
2009CNA afirmó que Méxicorequiere cambios en la políticahídrica del país, se planteaconstruir más de 100 plantas detratamiento
2009Marcelo Ebrard subrayo quese debe garantizar elabastecimiento del líquido ala Ciudad
(1) Departamento de Agricultura de Estadosunidos
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El tratamiento de aguas residuales es esencial para garantizar el ciclo de agua y
contribuir a la limpieza de los ríos, humedales, acuíferos y demás cuerpos de agua
que se ven expuestos a l os efectos de la contaminación por descargas de ag uas
residuales sin tratar. La CONAGUA recordó que en 2012, se espera haber logrado
que el 60 por ciento de las aguas residuales de México reciban tratamiento dentrodel problema del recurso hídrico.
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1.2 Origen y Cantidades.
La determinación de la cantidad de aguas residuales a eliminar de una comunidad
es fundamental p ara el pr oyecto de i nstalaciones d e almacenamiento, bombeo,
tratamiento y evacuación. Además dada la reciente tendencia de la agrupación demunicipios par a el t ratamiento y ev acuación, es i mportante poder di sponer d e
datos precisos sobre las cantidades actuales y las previstas en un futuro.
La cantidad y concentración de las aguas residuales es función de su origen y de
sus componentes, por lo que las cargas equivalentes o contribuciones per-cápita
por día varían de una ciudad a otra y de un país a otro. Para ciudades grandes se
pueden us ar la t abla N o.1.1, como v alores de r eferencia; par a c omunidades
pequeñas o ár eas rurales l as ag uas r esiduales s on p redominantemente
domésticas.
Parámetro Magnitud mg/l
Sólidos totales 720
Sólidos disueltos 500
Sólidos disueltos volátiles 200
Sólidos suspendidos 220
Sólidos suspendidos volátiles 165
Sólidos sedimentables 10
DBO 220
COT 160
DQO 500
Nitrógeno total 40
Nitrógeno orgánico 15
Nitrógeno amoniacal 25
Fósforo orgánico 3
Fósforo inorgánico 5
Cloruros 50
Alcalinidad 100
Grasas 100
Tabla No.1.1 Composición Típica de las ARD Fuente. Metcalf, 1994
Los componentes de un caudal pueden incluir:
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a) Agua r esidual do méstica ( procedente de r esidencias, i nstalaciones
comerciales o públicos).
b) Agua residual industrial (predominan residuos industriales).
c) Infiltración y conexiones i ncontroladas ( es e l agua que entra de forma no
controlada en l a r ed del al cantarillado pr ocedente del s ubsuelo). O bi enagua pluvial que es descargada a la red (alcantarillado).
d) Agua pluvial resultante de la escorrentía superficial.
Toda ag ua residual (A.R.) afecta en alguna m anera l a c alidad del ag ua de l a
fuente o c uerpo d e agua receptor. S in embargo, se dice q ue un ag ua r esidual
causa c ontaminación solamente c uando i ntroduce c ondiciones o c aracterísticas
que hac en el ag ua de l a f uente o c uerpo r eceptor i naceptable par a el us o
propuesto de l a misma, por ejemplo, n o se pu ede d ecir q ue l as ag uas de l a
alcantarilla domiciliaria contaminan las aguas del alcantarillado sanitario municipal.
La mayoría de las A.R. son de origen doméstico urbano por lo tanto los métodos
de t ratamiento t radicionales i ncluían g randes d epósitos d e hormigón d onde s e
llevó a cabo la sedimentación, filtración y cloración, en la actualidad el tratamiento
de A.R. lleva varios procesos de tratamientos, equipos y operaciones unitarias en
el futuro hay que considerar nuevas tecnologías, nuevos procesos y por lo tantonuevas líneas de tratamiento así como la modificación de los antiguos.
En al gunos c asos p ara el ab astecimiento, se pue de c lasificar d e ac uerdo a su
origen en:
a) Aguas superficiales
b) Aguas subterráneas
c) Aguas meteorológicas o meteóricas
Aguas s uperficiales: son aq uellas pr ovenientes d e l as corrientes naturales c omo
ríos, arroyos, lagos, embalses que están contaminados en su mayoría, por lo tanto
existe una v ariación en l a l ocalidad. Al es currir por l a s uperficie l as c orrientes
naturales se contaminan convirtiéndolas en muchos casos en aguas nocivas.
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Aguas subterráneas: son las que penetran por las porosidades del suelo mediante
infiltración, provocan poca turbidez y se divide en agua freática y artesiana.
Agua freática: están suspendidas entre la superficie de la t ierra y la primera capa
impenetrable se mueve libremente, se encuentra a presión atmosférica.
Agua artesiana: es la que está contenida entre dos estratos impermeables no se
mueve libremente, está confinada y tiene una presión diferente a la atmosférica.
En la eliminación de aguas residuales y pluviales se utilizan tres t ipos de redes de
alcantarillado: s anitarias, pl uviales y uni tarias. C uando ut ilizan s istemas
independientes par a r ecolectar l as ag uas r esiduales ( redes s anitarias) y a guas
pluviales ( redes pl uviales), l os c audales d e ag ua r esidual en l as al cantarillas
sanitarias se componen de tres grandes elementos: 1) agua residual doméstica; 2)
agua residual industrial, y 3) infiltración y conexiones incontroladas.
Donde ex iste un s istema de alcantarillado único, l os c audales d e agua residual
incluyen l os c uatro c omponentes m encionados an teriormente, en es te caso el
porcentaje d e l os c omponentes del ag ua residual v aría s egún l as c ondiciones
locales y la época del año.
En ár eas q ue t ienen alcantarillado, l os c audales d el ag ua r esidual s e pueden
determinar normalmente a par tir de datos procedentes de a foros existentes por
medición directa. En zonas de nueva construcción, los caudales correspondientes
se obt ienen del an álisis de l os dat os de pobl ación y s us c orrespondientes
dotaciones de agua previstas, o bi en a partir de estimaciones de los caudales de
agua residual per cápita en poblaciones similares.
1.3 Comportamiento de los Caudales contra tiempo.
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Dadas l as c aracterísticas y variaciones en l a des carga de ag uas r esiduales, a l
sistema de alcantarillado, el tipo o sistema de alcantarillado usado, la diferencia en
las c ostumbres de l a c omunidad a portante, el r égimen de operación d e l as
industrias t ratadoras, el c lima, et c., l os c audales de ag uas r esiduales oscilan
ampliamente durante el año, cambian de un día a otro y f luctúan de una hora aotra, todos los factores anteriores entre ot ros deben de t enerse en c uenta en l a
predicción de las variaciones del c audal y, por consiguiente, de l a concentración
de las aguas residuales afluentes a una planta de tratamiento. Una curva típica de
descarga de aguas residuales, para un alcantarillado separado, puede observarse
en la figura 1.1.
Fig. No.1.1 Variación típica horaria del caudal de AR.
Los caudales mínimos ocurren en las primeras horas de la mañana, entre las 2:00
y las 5:30; durante dichas horas el consumo es mínimo y el flujo es básicamente
por infiltración y pequeñas cantidades de AR. El caudal máximo ocurre entre las
7:00 y l as 10: 00, c uando se pr esenta el consumo m áximo, ex iste, además, u n
segundo caudal máximo entre l as 15:00 y las 16: 00 horas. Entre las 7:00 y l as
19:00 el caudal de AR, es m ayor que el caudal promedio, y durante la noche es
menor que el promedio.
Cuando la infiltración es alta o existen conexiones de aguas pluviales, el régimen
de lluvias puede influir notablemente sobre el caudal y, por consiguiente, sobre las
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características de ag ua r esidual. E l c onocimiento d e l as c argas hi dráulicas d e
DBO y ot ros c ontaminantes, es esencial p ara ev aluar l os factores de diseño y
operación d e una planta de t ratamiento. Generalmente las variaciones d e DBO
siguen l as del c audal, per o deb en det erminarse en c ada c aso par ticular. E n
alcantarillados c ombinados s e pr esenta u na m ayor c oncentración de m aterialinorgánico que en al cantarillados sanitarios o separados, debido a la introducción
de aguas pluviales; así m ismo las variaciones del c audal y de concentración del
AR son más extremas.
El régimen de caudales de una corriente de agua durante un período determinado,
es el único término del balance hidrológico de una cuenca que puede ser medido
directamente con una buena precisión. Los otros elementos de ese balance, como
las precipitaciones, la evaporación, etc., no pueden ser sino estimados a partir demediciones observadas en distintos puntos de la cuenca o d educidos de fórmulas
hidrológicas, los cuales son siempre estimativos muy aproximados. El régimen de
caudales es un da to básico, i ndispensable, para todos los diseños hidráulicos y
para m uchas obr as civiles en l os q ue el los s on parte i mportante c omo l as
carreteras, pue ntes, acueductos, pr esas, etc. A sí l a i nstalación de m uchas
"estaciones de aforo" que permitan observar, en una serie de años tan larga, como
sea posible, los caudales escurridos en puntos característicos del río principal y, si
fuera oportuno, de s us di versos af luentes, es el pr eámbulo d e t odo es tudio
hidráulico de una cuenca. Sin embargo en países como el nuestro las estaciones
de a foro de c audales s on i nexistentes en muchos s itios, l o q ue ha o bligado a
recurrir a métodos ap roximados p ara l a estimación de l os c audales de diseño,
como son los métodos de regionalización. Sin embargo jamás debe olvidarse que
ningún método por bueno que sea reemplaza la medida directa.
Todos los ríos de cierto tamaño en una región se deben medir cerca de sus bocaslo m ismo q ue un c ierto nú mero de a fluentes. L as c orrientes que s e pi ensen
aprovechar en un futuro deben ser instrumentadas.
1.4 Medición de Caudales y Análisis de Comportamiento.
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Para el diseño de estructuras hidráulicas y en g eneral obras relacionadas con el
agua s e t rabaja c on una s erie de t érminos r elacionados c on el c audal q ue es
necesario conocer. Los principales son:
Caudal medio diario. Es la tasa promedio de descarga en m
3
/s para un períodode 24 horas. Se puede m edir mediante un l imnígrafo (dispositivo que permite el
registro continuo de los niveles en el tiempo).
Caudal medio mensual Qm. S e c alcula hal lando par a c ada m es l a m edia
aritmética de los caudales promedios diarios.
Caudal promedio mensual interanual. E s l a m edia de l os c audales medios
mensuales para un mes dado durante un período de n años.
Caudal medio anual. Es l a media de l os caudales promedios diarios durante un
año.
Caudal máximo instantáneo anual. Es el máximo caudal que se presenta en un
año det erminado. Para su determinación es nec esario q ue l a es tación de aforo
tenga limnígrafo. Si no es así se habla de caudal máximo promedio anual el cual
es menor que el máximo instantáneo anual.
Caudal mínimo anual. Es el m enor c audal q ue s e pr esenta durante un añ o
determinado.
El an álisis de l os c audales medios diarios g eneralmente pr esentan v alores
variables, m ostrando, por un l ado, t endencias de ac uerdo con l as es taciones o
épocas de l luvia o de sequía, como por ejemplo valores mayores de caudales en
las ép ocas de l luviosas q ue en l as de e stiaje. P or ot ro l ado, m uestran u na
aleatoriedad en l a oc urrencia d e es tas v ariaciones, q ue d ependen d e u n g ran
número de variables, posiblemente la l luvia y los factores geológicos son los más
importantes.
Se pue de d efinir que el per iodo c onsiderado los caudales: máximo, m edio y
mínimo, d e c uyos v alores dep ende g ran par te del pl anteamiento r elativo a l a
utilización de los recursos hídricos.
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También es i mportante dentro de l os recursos hídricos de una hoya hidrográfica
destacar el hecho de que el caudal mínimo puede ser alcanzado apenas durante
un cierto t iempo; en el c aso de q ue el período de estiaje sea más extenso, los
caudales es tarán pr óximos al m ínimo. Lo m ismo s e pu ede d ecir del c audal
máximo.
De acuerdo al problema que se desee resolver, se debe conocer las variaciones
de los caudales medios diarios y hasta horarios para un cuerpo de agua grande, si
se requiere estudiar estiajes, por ejemplo, el conocimiento de los caudales medios
mensuales puede ser suficiente.
Los factores m ás i mportantes q ue c ontribuyen a l a variación del c audal en u na
corriente de agua son los siguientes:
Factores geológicos. Un cuerpo de agua bastante permeable, al recibir una c ierta
lluvia, da or igen a una escorrentía con un pico achatado y bastante retrasado en
relación c on el i nicio de en esa l luvia. E sto se de be a q ue hay un a infiltración
inicial, con la consiguiente acumulación de aguas subterráneas que contribuirán
posteriormente al hidrograma. Un cuerpo de agua relativamente impermeable, al
recibir una cierta lluvia, da origen a una escorrentía superficial con pico agudo y nomuy retrasada con respecto al inicio de esa lluvia.
Factores pluviométricos. Lluvias m uy i ntensas provocan c recientes en peq ueños
cuerpos de agua. Las lluvias de menor intensidad pero con duración y cubrimiento
grande provocan crecientes en grandes cuerpos de agua.
Es claro que lo que más interesa en relación con la escorrentía superficial es el
volumen de lluvia total precipitada. El área del cuerpo de agua ésta asociada con
la al tura de l luvia pr ecipitada para producir un a es correntía s uperficial
determinada.
Humedad del suelo. Depende a su vez de precipitaciones antecedentes.
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Temperatura. Influye en la escorrentía de aguas subterráneas, la evaporación y la
escorrentía s uperficial. E sta úl tima principalmente al c omienzo de s u pr oceso
cuando el agua escurre en finas capas sobre grandes áreas hasta llegar al curso
de agua.
Topografía. Influye en la infiltración y la escorrentía superficial. Un cuerpo de agua
con bastante i nclinación d a origen a m ayor es correntía s uperficial y menor
infiltración. En una cuenca plana el proceso rige de modo inverso.
Tipo de vegetación. Influye en la infiltración y la detención superficial.
Forma d e l a c uenca. U na c uenca r elativamente c ircular es más pr opensa a
crecientes que cuenca alargada, dado que el t iempo de recorrido del agua desde
los sitios más lejanos hasta el sitio de interés en esta última es similar, y se puede
producir una mayor concentración de escorrentía superficial.
Finalmente, cuando una lluvia se dirige en el sentido de aguas arriba hacia aguas
debajo de una cuenca alargada, da or igen a m ayores picos de c reciente del que
daría s i se dirigiese en el s entido i nverso. Si se cuenta con datos históricos delcaudal, por ej emplo, de 30 añ os, l a el ección del per iodo más c rítico de s equía,
esto es de caudales m ínimos, durante el m ayor intervalo del tiempo t endrá un
valor estadístico de 30 años de periodo de retorno. Cuando se cuenta apenas con
5 años de datos, el periodo más crítico de sequía puede no ser el adecuado para
el dimensionamiento de la planta de t ratamiento. En este caso se puede estudiar
por análisis de frecuencias, esto es extrapolando la curva de probabilidades de los
periodos de sequía. Cuando se cuenta con un pequeño número de datos se puede
recurrir a la generación estadística de datos del caudal.
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1.5 Métodos para Medición de Caudales.
Un caudal se define como la cantidad de agua que corre en determinado lugar por
unidad de tiempo. En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa
por el r ío en una u nidad de tiempo. N ormalmente s e i dentifica c on el flujovolumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos
frecuentemente, s e identifica c on el flujo m ásico o masa q ue pa sa por un área
dada en la unidad de tiempo.
El régimen de c audales es un dat o básico, indispensable, para todos los diseños
hidráulicos y para muchas obras civiles en los que ellos son parte importante como
las carreteras, puentes, acueductos, presas, etc.
La medición de caudales es importante para los siguientes proyectos:
a) Instalación de recolección
b) Bombeo
c) Tratamiento
d) Evacuación
Existen una diversidad de métodos y estructuras para medir caudales, algunos de
los cuales se describen brevemente a continuación:
Tobera de Flujo
Hace uso del principio de Venturi, pero utilizan una tobera que se inserta en una
tubería en lugar del tubo venturi para producir la presión diferencial.
Orificio
Es una a bertura c ilíndrica o pr ismática a t ravés de l a c ual f luye el líquido ydetermina el chorro en una salida que no toca de n uevo la pared del orificio. Se
basa en el teorema de Torricelli.
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Medidores Magnéticos
Se induce una fuerza electromotriz o voltaje que es proporcional a la velocidad del
conductor. Se b asa en l a l ey de F araday y es s imilar a m edidores
electromagnéticos.
Placa de Orificio
Se inserta en una conducción cerrada una placa que tiene una abertura cilíndrica
en el c entro. E l c audal s e det ermina a partir de l as l ecturas de pr esiones
diferenciales.
Tubo Venturi
Se utiliza para medir caudales en conducciones cerradas, consta de 3 partes:
a. Cono de entrada e n el c ual, el di ámetro de la t ubería s e r educe
gradualmente.
b. La garganta o sección contraída.
c. Cono de salida, en el cual el diámetro aumenta gradualmente hasta el de la
tubería en la que se inserta el medidor.
Molinetes
Se utilizan par a l a determinación pr ecisa de l a v elocidad d e flujo e n g randes
alcantarillas o canales, siempre y cuando no haya demasiada materia flotante que
puedan obturar el medidor.
Medidas con Flotadores.
Son r aramente ut ilizados, ex cepto en c anales r ectangulares o par a l a
determinación aproximada de l a velocidad del f lujo entre dos pozos de r egistro,existen tres tipos:
1. Superficial: Mide la velocidad en la superficie.
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2. Sumergido: Son más pesados que el agua, conectados con alambres finos
a flotadores superficiales.
3. Varilla: M iden c on mucha pr ecisión de flujo, ut ilizados pr incipalmente e n
canales.
Existen métodos eléctricos que son utilizados para medir el caudal de ag ua que
fluye en u na c orriente, s uponen el us o d e un eq uipo q ue i ncluye pi las de
conductividad, anemómetros de hilo caliente y anemómetros de película caliente.
Aunque no son muy utilizados por la materia orgánica que trae el agua residual.
Tubo de Pitot
Útil en aforos de tubería de agua, no se aplica en aforos de alcantarilla debido a la
materia en suspensión del agua residual, ya que existe la tendencia a obturarlo.
Trazadores Químicos y Radiactivos
Cuando se usa la s al como t razador, el t iempo de r ecorrido entre los puntos de
control es m edido con electrodos conectados a un a mperímetro o r egistrador. El
tiempo recorrido se registra mediante contadores de radiactividad conectados enel exterior del tubo.
Trazadores con colorantes
Sirven para medir la velocidad en tuberías pequeñas, es uno de los métodos más
utilizados y de m ayor éx ito, ent re l os colorantes ut ilizados es tán: eos ina,
fluoresceína, rojo de congo, per manganato de pot asio, s adamina B y pont acil
brillante B.
A continuación se describirá con más detalle algunos de estos métodos.
Los métodos para medir caudales pueden clasificarse en dos grandes categorías:
métodos directos y métodos indirectos. En estas dos categorías los más utilizados
son:
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a. Métodos directos:
a.1 Método área velocidad
a.2 Dilución con trazadores
b. Métodos indirectos:
b.1 Estructuras hidráulicas.
b.2 Método área pendiente.
Con muy pocas excepciones las medidas de caudal continuas en el t iempo s on
muy costosas, por lo que se relaciona el caudal con el nivel del agua, el c ual se
puede m edir m ucho más fácilmente q ue e l c audal. Las c urvas q ue relacionan
estos niveles con el caudal son las llamadas curvas de calibración.
a. Métodos directos
a.1Método área velocidad.
Este método consiste básicamente en medir en un área transversal de la corriente,
previamente d eterminada, l as v elocidades de flujo c on l as c uales s e puede
obtener l uego el c audal. El l ugar el egido para hacer el aforo o m edición debe
cumplir los siguientes requisitos:
La sección t ransversal debe es tar bien definida y que en l o posible no se
presente degradación del lecho.
Debe tener fácil acceso.
Debe estar en un sitio recto, para evitar las sobreelevaciones y cambios en
la profundidad producidos por curvas.
El s itio debe es tar l ibre de efectos de controles aguas abajo, que puedan
producir remansos que afecten luego los valores obtenidos.
Una de l os pr ocedimientos más c omunes em pleados e n es te m étodo es e l
descrito a c ontinuación. En el s itio q ue s e dec idió hac er el a foro, s e hac e un
levantamiento topográfico completo de la sección transversal, el cual dependiendo
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de su ancho y profundidad, puede hacerse con una cinta métrica o con un equipo
de topografía. La sección escogida se divide en t ramos iguales, como s e puede
observar en la figura No.1.2.
Fig. No.1.2 Sección transversal para el método área-velocidad
En cada vertical, de las varias en que se divide la sección, se miden velocidades
con el cronómetro a 0.2, 0.6 y 0.8 de l a profundidad total. Cada vertical tiene su
respectiva área de influencia (sombreada en la gráfica). Las verticales deben tener
las siguientes características:
El ancho entre ellas no debe ser mayor que 1/15 a 1/20 del ancho total de la
sección.
El caudal que pasa por cada área de influencia Ai no debe ser mayor que el10% del caudal total.
La diferencia de velocidades entre verticales no debe sobrepasar un 20%.
Cuando las profundidades de la sección son pequeñas, menores de 0.6 m, solo se
mide l a v elocidad a 0. 6 de l a profundidad, v elocidad q ue s e considera
representativa de la velocidad media de la vertical.
a.2 Dilución con trazadores
Esta t écnica s e us a en aq uellas c orrientes q ue pr esentan di ficultades par a la
aplicación del método área velocidad o medidas con estructuras hidráulicas, como
en c orrientes muy anchas o en r íos t orrenciales. Se pu ede i mplementar de dos
maneras:
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1. Inyectar rápidamente un volumen de trazador . Este método es llamado
también método de integración. Supóngase que en una sección 1 de un río
se adiciona un peq ueño volumen de trazador (V1) con una concentración
alta C 1. Si ex iste en el r ío una c oncentración (Co), en el r ío, el perfil deconcentraciones se comporta con el tiempo, como lo muestra la figura 1.3.
Fig. No.1.3 Inyección de un volumen conocido de trazador.
2. Inyección a caudal constante. Se i nyecta un t razador en u na s ección
dada a un caudal constante, con una concentración de trazador Co.
Es importante an otar que par a a plicar es te m étodo s e s upone q ue el flujo e s
permanente. Los trazadores deben tener las siguientes propiedades:
No de ben s er a bsorbidos por l os s edimentos o v egetación, ni de ben
reaccionar químicamente.
No deben ser tóxicos.
Se deben detectar fácilmente en pequeñas concentraciones.
No deben ser costosos
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Los trazadores son de 3 tipos:
1. Químicos: de esta clase son la sal común y el dicromato de sodio
2. Fluorescentes: como la rodamina3. Materiales radioactivos: lo s m ás us ados son el y odo 1 32, bromo 82,
sodio.
La sal común puede detectarse con un er ror del 1% para concentraciones de 10
ppm. El dicromato de sodio puede detectarse a concentraciones de 0.2 ppm y los
trazadores fluorescentes c on c oncentraciones d e 1/ 1011. Los t razadores
radioactivos se detectan en c oncentraciones muy bajas (1/1014), sin embargo su
utilización requiere personal muy especializado.
b. Métodos indirectos
Los métodos indirectos más utilizados son las estructuras hidráulicas y el método
área -velocidad.
b.1Estructuras hidráulicas:
El principio de funcionamiento de todas las estructuras hidráulicas es establecer
una s ección d e c ontrol, d onde a p artir de l a pr ofundidad s e p ueda estimar e l
caudal. Las estructuras hidráulicas más comunes para este tipo de medidas son
usar vertederos, canaletas y compuertas.
b.2 Método área-pendiente.
A v eces s e pr esentan c recientes en s itios do nde n o ex iste n ingún t ipo de
instrumentación y c uya es timación s e r equiere p ara el diseño de estructurashidráulicas t ales c omo pue ntes o c anales. Las c recientes d ejan huel las q ue
permiten hac er una es timación apr oximada d el c audal, determinando l as
propiedades geométricas de 2 secciones diferentes, separadas una distancia L y
el coeficiente de rugosidad en el tramo.
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Métodos generales para medir caudales
a) Instalación de v ertederos o c anales P arshall ( canales abi ertos o
alcantarillado principalmente llenos).
b) Métodos de l lenado d e r ecipientes par a caudales pequeños o d escargasintermitentes (medición del tiempo en que el caudal permanece).
c) Estimación d e l os c audales de bo mbeo ( se es tima a par tir de l as
características de la bomba).
d) Cronometrando el d esplazamiento de u n ob jeto flotante entre dos puntos
fijos a lo largo de s u recorrido, se ut iliza para al cantarillados parcialmente
llenos, se tiene que medir la profundidad y estimar una velocidad media.
e) Examen de los registros de uso de agua de la planta ( tomando en cuenta
las pérdidas del agua debidas a la evaporación).
Vertederos
Se emplean para medir el gasto del agua que fluye libremente (flujos relativamente
pequeños), como se muestran en la figuras 1.4, 1.5 y 1.6.
Características:
a) Es un dispositivo hidráulico que consiste de una escotadura, a través de la
cual s e hac e c ircular ag ua, pued en ser r ectangulares, t rapeciales,
triangular o circular
b) son de pared delgada.
Se requiere conocer algunos parámetros para determinar el gasto:
a) cresta: es l a altura del chorro de ag ua desde el nivel de la cresta hasta la
superficie medida a una distancia (d) antes de la crestas.
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b) Carga sobre la cresta; es el espesor del chorro de ag ua medida desde la
crestas en el plano del vertedero y tiene un valor aproximado del 31% de la
carga.
Vertedor Rectangular
Fig. No. 1.4 Vertedor rectangular.
Las siguientes ecuaciones se aplican para calcular el gasto.
Con contracción.
Q= 3.33 (L- n 0.1H)H3/2 Sistema Ingles
Q= 1.84 (L- n 0.1H)H3/2 Sistema Métrico
Sin contracción.
Q= 1.84 LH3/2 Sistema Métrico.
Q= 3.33 LH3/2 Sistema Ingles
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Donde:
Q= Caudal (m3/s)
n= Número de contracciones (en un lado o en los dos)
L= Longitud de la cresta del vertedero (vertedor) (m)
H= Carga del vertedor (m)
Nota: Cuando el agua no tiene concentraciones laterales (n=0)
Triangular
Es el m ás utilizado principalmente es el del ángulo 90º en su vértice inferior, s in
embargo presenta u na g ran pérdida de c arga por l o t anto s e r ecomienda para
caudales pequeños (menores a 110 l/s) y se muestra en la figura 1.5.
Fig. No.1.5 Vertedor triangular.
Las siguientes ecuaciones se aplican para calcular el gasto.
Q= 2.54 H5/2 Sistema Inglés
Q= 1.40 H5/2 Sistema MétricoQ= 1.4 tg α H5/2 Sistema Métrico
Ángulo diferente a 90°
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Trapezoidal (vertedor Cipo l lett i )
Es un v ertedor que requiere que el t alud de sus lados estén en la proporción de
1:4, como se muestra en la figura 1.6
Fig. No.1.6 Vertedor Cipolletti
Las siguientes ecuaciones se aplican para calcular el gasto.
Q= 3.36 LH3/2 Sistema Ingles
Q= 1.859 LH3/2 Sistema Métrico
Dónde:
L= Largo cresta (m)H= Carga (cm)
Ejemplo.
En un curso de agua está colocado un vertedor rectangular con dos contracciones,
con una longitud de c resta 1.2 m y una carga de 0 .4 m. Calcular el gasto en el
sistema métrico e inglés.
Datos:
n= 2
L= 1.2 m
H= 0.4 m
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Sustituyendo para sistema ingles.
Q= 3.33 ((L- n 0.1H)H3/2
Q= 3.33 (3.9369 ft-(2*0.1*1.3124ft))(3.3124ft)
3/2
Q= 18.3963 ft3 /s
1.2 m 3.2808 ft = 3.9372 ft
1 m
Sustituyendo para sistema métrico
Q= 1.84 (L-n0.1H)H3/2
Q= 1.84 (1.2- (2/0.1*0.4)*0.4)) 3/2
Q= 0.5213 m3 /s
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1.6 Características Químicas, Físicas, Fisicoquímicas y Biológicas.
El conocimiento de la naturaleza del agua residual es esencial para el proyecto de
las instalaciones de almacenamiento, tratamiento y evacuación, y para la gestión
de calidad del ambiente. Las propiedades físicas y l os constituyentes químicos ybiológicos de l as aguas residuales se encuentran, junto con sus procedencias en
los cuadros No.1.5, No.1.6 y No.1.7 respectivamente.
La c aracterística f ísica m ás i mportante del ag ua r esidual es s u c ontenido de
sólidos t otales, el c ual es tá c ompuesto por materia flotante y m ateria e n
suspensión, en dispersión coloidal y en disolución, otras características físicas son
la temperatura, color y olor. La procedencia de estos pueden ser; aguas residuales
domésticas e i ndustriales, des integración nat ural d e c ontaminantes or gánicos,
agua r esidual en d escomposición, v ertidos i ndustriales, er osión del s uelo,
infiltración y conexiones incontroladas. A continuación se describirán algunos de
estos parámetros:
Características Físicas.
Sólidos totales.
Analíticamente, el c ontenido de s ólidos t otales de un ag ua r esidual, s e d efine
como l a materia q ue queda c omo r esiduo después de la evaporación a 103°C-
105°C. La materia total, sólidos y l íquidos – a veces se utiliza el t érmino no del
todo correcto, de sólidos totales -, existentes en un agua, se puede clasificar de la
siguiente forma, ver cuadro No.1.3.
El término fijo engloba habitualmente materia de n aturaleza inorgánica, m ientras
que el término volátil se incluyen compuestos, en general, de naturaleza orgánica.
Dentro de todos estos t ipos d e s ustancias, l a materia en suspensión es
responsable de los siguientes efectos.
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Produce color aparente en el agua.
Disminuye el pas o d e ener gía s olar, por l o q ue es r esponsable de u na
menor actividad fotosintética.
Ocasiona de pósitos s obre l as plantas ac uáticas y l as br anquias de l os
peces. Ocasiona depósitos por sedimentación, con lo que favorece la aparición de
condiciones a naerobias y di ficulta l a al imentación de l os s eres v ivos
acuáticos.
Cuadro No.1.3 Clasificación de sólidos
Las sustancias filtrables son las responsables de:
Aumentar la salinidad.
Variar la solubilidad de oxígeno.
Pueden i nducir t oxicidad por l a presencia ent re ellas d e de terminados
compuestos.
Materia en suspensión
Sustancias filtrables
Sedimentables
No sedimentables
Coloides
Disueltas
Fija
Volátil
Fija
Volátil
Volátil
Volátil
Fija
Fija
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A causa de las di ferentes formas en que pueden encontrarse las sustancias en el
agua, s e m iden diversos par ámetros q ue hacen r eferencia a l as m ismas, entre
estos se encuentran:
Sólidos sedimentables. Sólidos en suspensión.
Sólidos disueltos.
Sólidos fijos
El tamaño de dichos sólidos se puede observar en el siguiente cuadro No.1.4.
Cuadro No.1.4 Tamaño de los sólidos.
Temperatura.
Es una v ariable f ísica q ue i nfluye not ablemente e n l a c alidad d el ag ua, af ecta
parámetros o características como:
Solubilidad de gases y sales (Ley de Henry y curvas de solubilidad).
Cinética de l as r eacciones q uímicas y bi oquímicas ( Aumento d e l avelocidad de reacción con la temperatura, ley de Arrhenius).
Desplazamientos de equilibrios químicos (Un aumento de la temperatura los
desplaza en el sentido en que son endotérmicos, principio de Le-Chatelier).
Tensión superficial.
Desarrollo de organismos presentes en el agua.
´
´ ´
´´
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La influencia más interesante va a ser la disminución de la solubilidad del oxígeno
al aumentar la temperatura y la aceleración de los procesos de putrefacción.
La c ontaminación por c alor s e debe, fundamentalmente, al us o del ag ua c omo
medio de refrigeración en pr ocesos industriales. Se deben de aportar solucionescomo la aplicación de torres de refrigeración o la construcción de albercas o lagos
de retención del agua caliente, antes de la devolución al cauce receptor.
Conductividad.
Es una medida d e l a r esistencia q ue o pone el ag ua al pas o de l a c orriente
eléctrica, la conductividad proporciona la concentración de los iones en disolución,
una c onductividad el evada s e t raduce en una s alinidad el evada o en v alores
anómalos d e pH . L a temperatura es u na v ariable q ue m odifica sensiblemente
estos valores.
Color.
Hay que distinguir lo que se llama color aparente, que es el que presenta el agua
bruta, del denominado color verdadero, que es el que se presenta cuando se ha
eliminado la materia en suspensión.
El or igen del c olor pu ede s er de tipo interno ( debido a l os materiales di sueltos,
dispersos o suspendidos) o de tipo externo (absorción de las radiaciones de mayor
longitud de onda).
La coloración de un agua natural “no contaminada” es causada principalmente por:
sustancia húmicas, ácidos t ánicos, hojas, fitoplancton, s ales d e h ierro, et c. L os
colores de las aguas residuales pueden ser debidos a una multitud de compuestos
orgánicos e inorgánicos, que pueden estar en elevadas concentraciones: sales de
cromo, c olorantes i ndustriales, ac eites; l as ag uas r esiduales ur banas r ecientes
tienen color gris, que va pasando a oscuro e incluso negro.
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Olor y Sabor.
El ol or y s abor es tán, en g eneral, í ntimamente relacionados. E xisten solamente
cuatro sabores f undamentales: ácido, s alado, a margo y dul ce. J unto a ellos s e
suele hablar de sabores metálico, a tierra, a moho, a farmacia, etc., en estrecha
relación c on l os ol ores. L as fuentes de olor y s abor pu eden s er nat urales oartificiales. En general, los compuestos inorgánicos no producen olor, excepto el
cloro, s ulfuro de hidrógeno, amoniaco y der ivados. Los c ompuestos or gánicos
suelen producir tanto olores como sabores, entre estos, se destacan, los fenoles,
clorofenoles, alquitranes, aldehídos, detergentes, ácidos g rasos, índoles, también
organismos vivos producen olores y sabores: algas, bacterias, hongos, así como
la descomposición de vegetales y animales. Especialmente tienen malos olores y
sabores las aguas residuales domésticas e industriales.
Turbidez.
La turbidez de un ag ua es provocada por l a materia i nsoluble, en s uspensión o
dispersión coloidal. Es un fenómeno ópt ico que consiste, esencialmente, en una
absorción de luz combinada con un proceso de difusión. Las partículas insolubles
responsables d e es ta t urbidez pued en s er apor tadas t anto por pr ocesos d e
arrastre c omo de r emoción de tierras y t ambién p or v ertidos ur banos e
industriales.
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Características Químicas.
Con respecto a los compuestos orgánicos, debido a su gran variedad, procedentes
del hombre y la naturaleza, sus componentes moleculares no s uelen expresarse
individualmente en u n anál isis de ag ua. Aunque s e pu eden determinar por
separado, p or ejemplo, uno muy c onocido: el al quil benc il s ulfonato ( ABS). Esposible que en el caso de no tener una información precisa, se puede recurrir a
una serie de pruebas no específicas.
Estas pruebas n o hacen distinción entre los c ompuestos orgánicos, pero dan la
evidencia q ue ellos e xisten o es tán presentes e n el ag ua. Entre l os pr incipales
parámetros que caracterizan la materia orgánica presente en un agua están:
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO): Mide l a c apacidad de l as
bacterias comunes p ara di gerir l a m ateria or gánica bi odegradable. S e
expresa como ppm de 02.
Extraíbles de Carbón - Cloroformo (CCE): Determina l os pr oductos
orgánicos absorbidos en c artuchos de carbón ac tivado que s on extraídos
con cloroformo.
Extraíbles de Carbón - Alcohol (CAE): Determina los productos orgánicos
absorbidos en cartuchos de carbón activado que son extraídos con alcohol
etílico. Esta extracción se realiza después de la de cloroformo.
Demanda Química de Oxígeno (DQO): Mide la capacidad en disoluciones
calientes de ác ido c rómico para ox idar l a m ateria or gánica. A naliza l a
materia or gánica biodegradable y l a no biodegradable o r efractaria. S e
expresa en ppm de O2.
Oxígeno Disuelto (OD): Determina la presencia de sustancias fuertemente
reductoras en l as aguas residuales, que p ueden disminuir rápidamente el
nivel de ox ígeno en las c orrientes r eceptoras. S e d etermina midiendo l a
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pérdida de oxígeno, 15 minutos después de di luir un a muestra con agua
saturada en oxígeno. Se expresa en ppm de O2.
Oxígeno consumido por el permanganato (O2): Mide l a s usceptibilidad
de la materia orgánica de una muestra a la oxidación por el permanganatopotásico. Se expresa como ppm de O2.
Extraíbles en disolvente: Determina l a materia or gánica q ue s e pu ede
extraer directamente del agua. C omo agente par a la extracción se ut iliza
hexano, tetracloruro de carbono o cloroformo.
Carbón Orgánico Total (TOC): Mide el CO2 producido por los compuestos
orgánicos cuando s e introduce una muestra de ag ua e n una c ámara d e
combustión. Se de be eliminar pr eviamente el C O2 de l a al calinidad o s e
resta del CO2 total para así determinar el carbón orgánico. Se expresa en
ppm como C.
El c omponente or gánico de l as m uestras de ag uas r esiduales es es timado
generalmente en términos de l as demandas de ox ígeno ut ilizando l a Demanda
Bioquímica de O xígeno (DBO), l a D emanda Q uímica de Oxígeno ( DQO) y l aDemanda Total de O xígeno ( DTO) o en t érminos d el C arbono O rgánico T otal
(COT), dos de los principales parámetros, se describen a continuación:
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)
La DBO5 es la cantidad de ox ígeno empleado por los microorganismos a lo largo
de un período de cinco días, para descomponer la materia orgánica de las aguas
residuales a una temperatura de 20 °C.
La D BO5 suele e mplearse para c omprobar l a c arga or gánica de l as ag uas
residuales municipales e i ndustriales bi odegradables, s in t ratar y t ratadas. La
DBO5, la cual es un estimativo de la cantidad de oxígeno requerido para estabilizar
los m ateriales or gánicos bi odegradables por u na población h eterogénea de
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microorganismos, es un par ámetro no bi en de finido q ue ha s ido ut ilizado po r
muchos años, al asignar una demanda de oxígeno a las aguas residuales.
La pr ueba d e l aboratorio es tá i nfluenciada por muchas v ariables y l imitaciones
como son:
a) Aclimatación de la semilla.
b) La temperatura y el pH.
c) La presencia de compuestos tóxicos.
d) El tiempo de incubación.
e) Nitrificación.
a) Ac limatación de la Semil la: El us o d e u na s emilla bi ológica q ue no es té
aclimatada al agua residual es un factor muy común responsable de resultados
erróneos de DBO5. La semilla a utilizar en esta prueba debe ser preparada en
un reactor continuo a es cala de l aboratorio, al imentado con disoluciones d el
desecho. La composición del desecho puede ser incrementada y se considera
la semilla como aclimatada una vez que la remoción de orgánicos y el oxígeno
alcanzan un nivel máximo y llegan a estabilizarse.
b) Temperatura y pH: Los resultados de la DBO5 pueden ser afectados sí el pH
de la muestra es menor de 6. 5 o mayor de 8. 3 unidades. Aunque la DBO5 se
lleva a cabo a una temperatura estándar de 20 °C, las condiciones del campo
necesitan la incubación a otras temperaturas. Se requiere entonces un factor
de corrección para compensar la diferencia de temperatura.
c) Toxic idad: La pr esencia de s ustancias t óxicas en una muestra de ag ua
residual p uede t ener un e fecto bi otóxico o bi oestático s obre l a s emilla d e
microorganismos. Este efecto se manifiesta por disminución de los valores de
DBO5 donde, el r esultado de la DBO5 aumenta con el aumento de la dilución
de la muestra. Una vez se detecte la presencia de materiales tóxicos se debe
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tomar m edidas par a i dentificarlos y r emoverlos o us ar diluciones don de l os
resultados de la DBO5 den valores consistentes.
d) Tiempo de incub ación: La importancia de la variable tiempo de incubación es
indicada en la ecuación básica de la DBO5. El tiempo de incubación usual esde 5 dí as, a unque el tiempo usual r equerido par a l a completa estabilización
ocurre (DBO5 última) dependiendo de la biodegradabilidad de los compuestos
presentes y la capacidad depuradora de los microorganismos.
e) Nitr i f icación: Aunque al go de ni trificación oc urre a t ravés del per íodo d e
incubación, un efecto de dos etapas es generalmente observado. Esto resulta
del hecho de que las constantes de velocidad de nitrificación son mucho más
bajas que las de la demanda carbonácea y la demanda nitrificante; no se inicia
hasta que la demanda carbonácea esté completamente satisfecha. La medida
de l a demanda de ox ígeno ej ercida p or l a fracción carbonácea d el desecho
puede s er medida, r etardando el pr oceso de ni trificación e n l a bot ella,
adicionando inhibidores de la nitrificación o dejando que ella ocurra y sustraerla
de la demanda total.
Demanda Química de Oxígeno (DQO)
La DQO mide el ox ígeno eq uivalente de s ustancias orgánicas e i norgánicas en
una muestra acuosa que, es s usceptible a l a oxidación por dicromato de p otasio
en una solución de ácido sulfúrico. Este parámetro ha s ido usado por m ás de un
cuarto de s iglo par a es timar el c ontenido d e orgánicos e n aguas y ag uas
residuales. Sin embargo, la correcta interpretación de los valores de D QO puede
presentar pr oblemas por lo cual s e debe e ntender l as v ariables que a fectan los
resultados de este parámetro.
El valor de la DQO es s iempre superior al de la DBO5 porque muchas sustancias
orgánicas pueden oxidarse químicamente, pero no biológicamente.
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Generalmente, s e po dría es perar q ue l a D BO5 última d el ag ua r esidual s e
aproximara a l a DQO. S in embargo, ex isten muchos factores que afectan estos
resultados especialmente en desechos industriales complejos. Estos factores son
los siguientes:
1. Muchos compuestos orgánicos que son oxidables por el dicromato no s on
bioquímicamente oxidables.
2. Ciertas s ustancias i norgánicas, t ales c omo s ulfuros, s ulfatos, t iosulfatos,
nitritos y el i on ferroso, son oxidados por e l dicromato creando una D QO
inorgánica, l o cual entorpece l os datos c uando l a DQO s e m ide como e l
contenido de materia orgánica en un agua residual.
3. Los resultados de la DBO5 pueden ser afectados por pérdida de semilla por
aclimatación, d ando resultados er róneos. Los r esultados de DQO s on
independientes de esta variable.
4. Los cloruros interfieren en el análisis de la DQO. Se puede obtener lecturas
más altas resultantes de la oxidación de cloruros por dicromato.
En l a c aracterización de l as ag uas residuales, de ac uerdo c on l a i ndustria, es
necesario el análisis de otros compuestos orgánicos, como son ácidos orgánicos,
alcoholes, al dehídos, f enoles y ac eites específicamente e n l a i ndustriapetroquímica.
En un agua residual de concentración media, un 75% de los sólidos suspendidos y
un 40% de l os s ólidos f iltrables s on de naturaleza or gánica pr ocedentes de l os
reinos animal y vegetal y de las actividades humanas relacionadas con la síntesis
de c ompuestos or gánicos. Los c ompuestos or gánicos es tán formados
generalmente por un a c ombinación de c arbono, hidrógeno y ox ígeno, j unto con
nitrógeno en al gunos c asos. O tros el ementos i mportantes t ales c omo az ufre,
fósforo y hierro pueden también estar presentes.
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Los s ólidos i norgánicos es tán formados p rincipalmente por nitrógeno, fósforo,
cloruros, sulfatos, carbonatos, bicarbonatos y al gunas s ustancias tóxicas como
arsénico, cianuro, cadmio, cromo, cobre, mercurio, plomo y zinc.
Los sólidos orgánicos se pueden clasificar en nitrogenados y no nitrogenados. Los
nitrogenados, es decir, los que contienen nitrógeno en su molécula, son proteínas,
ureas, aminas y aminoácidos. Los no ni trogenados son pr incipalmente celulosa,
grasas y jabones. La concentración de orgánicos en el agua se determina a través
de la DBO5, la cual mide material orgánico carbonaceo principalmente, mientras
que la DBO20 mide material orgánico carbonaceo y nitrogenado.
Las pr opiedades q uímicas de l as ag uas r esiduales s on pr oporcionadas p or
componentes q ue se pue den agrupar en t res categorías, según s u naturaleza:
materia or gánica, c ompuestos i norgánicos y c omponentes g aseosos. Tanto el
grupo de s uspensión como di solución, pr esenta una composición más o menos
homogénea, en l a que se encuentran, en forma predominante, las proteínas, los
hidratos de carbono y algunos aceites y grasas.
El nitrógeno orgánico puede aparecer como amonio, en los nitratos orgánicos y en
los nitritos, siendo las dos pr imeras formas mayoritarias. La pr esencia de ni tratos
es muy i mportante cuando se apl ican s istemas de vertidos a suelos. Y a demás,por l a c apacidad de eut roficación q ue d esarrollan es tos c ompuestos c uando
aparecen en concentraciones elevadas en la parte superficial de los suelos.
Otros el ementos c omo el z inc el c obre y el ní quel s on l os metales que m ás
contribuyen a acrecentar las cifras de elementos pesados, siendo el zinc el metal
usado como referencia de toxicidad.
El boro es el otro elemento que puede afectar mucho a los sistemas biológicos detratamientos de aguas. Es esencial en la micronutrición vegetal, pero puede ser
tóxico para muchos sistemas de fauna y flora que están presentes en los procesos
de las aguas residuales. En los siguientes cuadros se resumen algunos de es tos
parámetros y su procedencia.
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Materia Orgánica
Combinación d e CH(Algunos casos)
CARACTER STICAS QU MICAS
Gases
Medida de contenidoorgánico
• Moléculas s intéorgánicas((2)plaguicidas,Fenoles, agtensoactivos).
• Proteínas ( P .M20000- 20 E6)
• Se forman a parlos aminoácidos
• Su or igen l as ply tejidos grasos carne
Materia
Inor ánica
• Carbohidratos(azucares, al midón,celulosa…)
• G y A ( Mantequilla)G y A vegetales(semillas, nueces…)
• Urea
Contaminantespeligrosos en
aguassuperficiales
Plaguicidas
Procedencia: Escorrentías, Campos,Tierras abandonadas.
Método:
Cromatografíade gases concaptura de e-
Causan:
Muerte de peces,intoxicación
Se reportan
en ppbTóxicos
G y A
Método:
romatografíae gases conaptura de e-
Causan:Muerte de peces,
intoxicación
Agentes tensoactivos *
• Moléculas grandes orgánicas
• Ligeramente solubles en agua
• Causan espumas en PTAR
• Presentes en detergentes
Método:
SAAM
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Azufre q ue s e l ibera dsíntesis de proteínasMATERIA INORGÁNICA
Proceden de l a disolución desuelos y r ocas , intrusión deagua s alada, descargas de ARD y A RI, a grícolas, He ceshumanas ( 6g de C l-/díapersonas)
Compuestos tóxicos
• Muerte demicroorganism
• Y por lo tanto detiene la PTA
Nitrógeno:Causa c recimientoplantas. YEutroficación de cuede agua.
Aniones CN, CrO4, F) proceden del A
Metales pesados:
• Ni , Cr, Cu
• Mn, Cd, Fe
• Pb, Zn, Hg
Cloruros
Crecimiento de algas
Fosforo
Gases comunes en laatmosfera CO2, O2,N2
Gases
O3 Desinfección ycontrol de olor.
CH4
escomposicin anaerobia
Cl2 para desinfección
SOx y N2
procesos decombustión
Descomposición d e l amateria orgánica.
( H2S, NH3 )
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DBO:
• Determina t amaño d e i nstalaciónPTAR.
• 20 días oxida del 95-99%
• 5 días oxida del 60-70%
• M.O (5 días a 20°C)
• Bacterias saprófitas
• Bacterias au tótrofas –Materia ncarbonosa
• Cantidad d e ox ígeno par a estabbiológicamente la materia OrgánicaMEDIDA DEL
CONTENIDO ORGÁNICO
DTeO:
Determina principalmente materialde origen animal o vegetal en A.R
COT:
Para peq ueñasconcentracionesMat.Org. A naliza c onI.R, E spectroinfrarojo.
DTOCombustión c atalizadacon platino
DQO:
Utiliza q uímico f uertemente oxidante emedio acido K2CrO7(H2SO4)
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Características Biológicas.
Es c laro que el c omponente orgánico de l as aguas r esiduales es un m edio de
cultivo que per mite el des arrollo de l os m icroorganismos q ue c ierran l os c iclos
biogeoquímicos de elementos como el azufre, el carbono, el nitrógeno o el fósforo,
entrando frecuentemente en c onsecuencia y el iminando l os elementos q ue s on
fundamentales par a los s istemas bi ológicos de t ratamientos de l as ag uas
residuales.
Este componente biológico se manifiesta fundamentalmente en 5 áreas diferentes:
a. Descomposición d e l os c ompuestos or gánicos c ontenidos e n l as ag uas
residuales.
b. Eliminación de determinados compuestos orgánicos que sean tóxicos para
los vegetales y microorganismos del suelo.
c. Desaparición de microorganismos patógenos.
d. Participación de l os c iclos biogeoquímicos del ni trógeno, del fósforo y del
azufre.
e. Reacciones de l a materia or gánica t ransformada y del c omponente
microorgánico frente a los constituyentes minerales del suelo.
Un úl timo aspecto del c omponente bi ológico de l as aguas r esiduales, es l a
presencia de d eterminados v irus, c omo p ueden s er el ad enovirus, en terovirus,
hepatitis A , etc. Q uienes a ún e n muy baj a pr oporción r especto a bac terias y
microorganismos en general, manifiestan enorme peligrosidad desde el punto de
vista s anitario. Una de l as r azones más i mportantes para t ratar l as ag uas
residuales es la el iminación de todos l os agentes patógenos de origen hum ano
presentes en l as excretas c on el pr opósito de c ortar el c iclo epi demiológico de
transmisión. Estos son, entre otros:
a. Coliformes totales
b. Coliformes fecales
c. Salmonella
d. Virus
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Microoganismos
Los g rupos pr incipales d e or ganismos que s e encuentran en l as ag uas
superficiales se clasifican en pr otistas, vegetales y ani males. La categoría de l os
protistas i ncluyen l as bac terias, hongos, protozoos y al gas. Los v egetales s e
clasifican en plantas de semilla, helechos, musgos y hepáticas. Como animales seclasifican los vertebrados e invertebrados. Los virus que también se encuentran en
el agua residual se clasifican según el sujeto infectado.
Protistas. Dado el a mplio y fundamental papel j ugado p or l as bac terias en l a
descomposición y es tabilización de l a m ateria or gánica, t anto e n l a nat uraleza
como en l as pl antas de t ratamiento, de ben c onocerse bien s us características,
funciones, metabolismo y s íntesis, las bacter ias co l i formes se utilizan como un
indicador de contaminación y es pr oducida por vertidos d e or igen hu mano. Las
algas pueden presentar un serio inconveniente en las aguas superficiales, ya que
cuando las condiciones son favorables pueden reproducirse rápidamente y cubrir
ríos, lagos y embalses con grandes colonias flotantes.
Virus. Los v irus ex cretados por l os h umanos pu eden l legar a s er un pel igro
importante par a l a s alud p ública, s e s abe c on c erteza q ue al gunos v irus viven
hasta 41 días en el agua residual a 20 °C y durante 6 días en un rió normal. Ciertonúmero de br otes de hepatitis infecciosa han sido atribuidos a la transmisión del
virus a través del suministro normal de agua.
Plantas y animales. El conocimiento de es tos organismos es út il para valorar el
estado de las corrientes y lagos, al determinar la toxicidad de las aguas residuales
evacuadas al ambiente y al o bservar l a e fectividad de l a v ida b iológica en l os
procesos secundarios de tratamiento.
Organismos Patógenos
Los organismos patógenos encontrados en el agua residual pueden proceder de
desechos hu manos que es tén i nfectados, o q ue s ean por tadores de u na
enfermedad determinada. Los or ganismos pat ógenos b acterianos us uales, q ue
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pueden s er excretados p or el hombre, causan e nfermedades del aparato
gastrointestinal, tales c omo f iebre tifoidea o par atifoideas, disentería, di arreas y
cólera. D ado q ue estos or ganismos s on al tamente i nfecciosos, s on l os
responsables de m uchas miles de m uertes cada año en zonas con escasa
sanidad, especialmente en los trópicos. A pesar de que los organismos patógenosbacterianos son los más numerosos, no son en ningún modo los únicos patógenos
presentes en el agua residual.
Bacterias. Son l os organismos más i mportantes e n l a des composición y
estabilización d e l a materia or gánica. A sí m ismo, l os organismos bac teriales
patógenos q ue pu edan ac ompañar l as excretas h umanas or iginan u no de l os
problemas sanitarios m ás g raves. Los i ndividuos i nfectados c on al gún t ipo d e
enfermedad ex cretan en s us h eces b acterias pat ógenas, c ontaminando así l as
aguas residuales domésticas.
Huevos de H elminto. Los parásitos h elminto más i mportantes q ue p ueden
encontrarse en aguas residuales son las lombrices intestinales que causan anemia
debido a la perdida sanguínea (200 ml/día) que ocasiona aproximadamente 1000
gusanos d e Necator americanus. E l t érmino hel minto se apl ica a parásitos en
forma de lombriz.
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Proceden de: Desechos humanos, Bacterias
• Fiebre ,cólera, diarrea
• Tifoidea, Disentería
• Enfermedades gastrointestinales
ASPECTOS BIOLÓGICOS
Descomposición y estabilizaciónM.O.
• Bacterias …. Coliformes
Indicador de contamin
Origen humano
• Hongos
• Protozoos ( Amebas, Flagelciliados(1)[se al imentan dbacterias]
• Algas
Problemas en aguas s
Reproducción rápida
Cubre r íos, lembalses.
Eutroficación
Para A.S
Animales:
Rotíferos
Gusanos
Crustáceos
Para A.R
Vegetales
Helechos, Musgos
Plantas de semilla
Organismospatógenos
G
r u p o s d e M . O .
p r e s e n t e s e n
A . R
y
A . S
Virus:
10000-1000000 dosis infecciosasde hepatitis en 1g de heces.
Viven hasta 41 días en A.R a20 °C 6 días en un río.
Incluye géneros:
E.Coli
Aerobacter
Tienenforma de
bastoncillos
Coliformes
significanntaminación
humanos.
Existen 2Métodos:
NMP
Filtro deMembrana
Útiles para destruirM.O en procesos
biológicos en PTAR
Su a usencia i ndicaque no ex istenorganismosproductores deenfermedades
Indican quepuede haberM.Opatógenos
Personaevacua100000-400000mill/día
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1.7 Muestreo de las Aguas Residuales.
La adquisición de datos significativos demanda el uso de procedimientos correctos
de m uestreo, t ransporte y al macenamiento. E stos pr ocedimientos pued en s er
bastante di ferentes para l as di stintas especies en el ag ua. E n general, d ebentomarse m uestras s eparadas unas p ara l os anál isis q uímicos y ot ras par a l os
análisis bi ológicos, p orque s us t écnicas d e m uestreo y c onservación di fieren
significativamente. Normalmente, mientras más corto s ea el i ntervalo de t iempo
entre la toma de la m uestra y el análisis, más preciso será el mismo. De hecho
algunos an álisis debe n r ealizarse en el c ampo algunos m inutos después de l a
toma de l a m uestra. O tros c omo l a determinación de l a temperatura de ben
hacerse en el propio cuerpo de agua. Unos minutos después de la toma, el pH del
agua puede cambiar, los gases disueltos (oxígeno, dióxido de carbono, sulfuro de
hidrógeno y cloro) pueden volatilizarse, mientras otros gases (oxígeno, dióxido de
carbono) pu eden absorberse de l a a tmósfera. P or c onsiguiente, l os a nálisis de
temperatura, pH y l os g ases di sueltos s iempre d eben r ealizarse en el c ampo.
Además, l a pr ecipitación d el c arbonato d e calcio ac ompaña l os cambios e n l a
relación de pH -alcalinidad-carbonato de c alcio después de l a t oma de m uestras.
De es ta manera, el análisis de una m uestra después de es tar es tancada puede
dar valores erróneamente bajos en calcio y para la dureza total.
Las muestras pueden dividirse en dos categorías principales:
1. Muestras puntuales. Son aquellas que se toman en un solo instante
y en un s olo l ugar y , por c onsiguiente, s on m uy es pecíficas c on
respecto al tiempo y la localización.
2. Muestras compuestas. Son las tomadas durante un lapso de tiempo
y pueden ab arcar t ambién l ocalidades di ferentes. E n pr incipio, l os
resultados promedio de un gran número de muestras puntuales dan
la m isma i nformación q ue un a muestra c ompuesta. U na m uestra
compuesta tiene la ventaja de proporcionar un cuadro global a partir
de un solo análisis.
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Para determinar los valores y concentraciones de los parámetros establecidos en
la Norma Oficial Mexicana, se deben aplicar los métodos de prueba indicados en
las N ormas M exicanas, por ej emplo p ara coliformes fecales, los a nálisis se
llevarán a cabo en el laboratorio de acuerdo con la NMX-AA-102-1987, siempre y
cuando se demuestre a nte la a utoridad c ompetente q ue l os r esultados de l aspruebas g uardan un a es trecha c orrelación o s on equivalentes a l os ob tenidos
mediante el método de tubos múltiples que se establece en la NMX-AA-42-1987.
Algunas normas para el muestreo se mencionan a continuación:
NMX-AA-003-1980. Muestreo de Aguas Residuales.
Esta nor ma es tablece l os l ineamientos generales y r ecomendaciones par a
muestrear l as des cargas de ag uas r esiduales, c on el f in de det erminar s us
características físicas y químicas, debiéndose observar las modalidades indicadas
en las normas de métodos de prueba correspondientes.
Aparatos y equipo
Recipientes para el t ransporte y c onservación de l as m uestras. Los r ecipientes
para l as m uestras d eben s er d e materiales i nertes al c ontenido de l as ag uas
residuales. Se recomiendan los recipientes de polietileno o vidrio.
Las t apas d eben pr oporcionar un c ierre her mético e n l os r ecipientes y s e
recomienda que sean de m aterial a fín al del r ecipiente. Se r ecomienda que los
recipientes tengan una capacidad mínima de 2 dm3 (litros).
NMX-AA-014-1980. Muestreo en Cuerpos Receptores.
Esta nor ma es tablece l os l ineamientos g enerales y r ecomendaciones p ara el
muestreo en cuerpos receptores de ag uas superficiales, ex cluyendo ag uas
estuarinas y aguas marinas, con el fin de d eterminar sus características físicas y
químicas y bateriológicas, debiéndose observar las m odalidades indicadas en las
normas de métodos de prueba correspondientes.
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Etiquetas para la muestra
Se deben tomar las precauciones necesarias para que en cualquier momento sea
posible identificar las muestras. Se deben emplear etiquetas pegadas o colgadas,
o numerar los frascos anotándose la información en una hoja de registro.
Estas etiquetas deben contener como mínimo la siguiente información:
a. Cuerpo receptor en estudio.
b. Número y nombre de la estación.
c. Identificación de la descarga.
d. Número de la muestra.
e. Fecha y hora de muestreo.
f. Nombre y firma de la persona que efectúa el muestreo.
g. Análisis a efectuar.
Se debe utilizar papel y tinta que no sufran alteraciones con el agua.
Hoja de Registro
Se debe de llevar una hoja de registro con la información que permita identificar el
origen de la muestra y todos los datos que en un momento dado permitan repetirel muestreo. Esta hoja debe contener la siguiente información:
a. Los datos descritos en el punto anterior.
b. Resultados de pruebas de campo practicadas en la zona estudiada, sobre
diferentes planos de la misma.
c. Temperatura ambiental, temperatura del agua, pH y gasto.
d. Localización de las estaciones de muestreo.
e. Descripción det allada de l as es taciones de m uestreo, de m anera que
cualquier persona pueda tomar otras muestras en el mismo lugar.
Para l as nor mas an teriores, t ambién es pos ible el us o d e m uestreadores
automáticos.
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Muestreadores Automáticos.
Se per mite s u em pleo s iempre y c uando s e oper en d e ac uerdo c on l as
instrucciones del fabricante d el eq uipo muestreador d ándoles el c orrecto y
adecuado mantenimiento, as egurándose que s e obtienen muestras
representativas de las aguas residuales o del cuerpo receptor.
Cualquiera que sea el método de muestreo específico que se aplique a cada caso,
debe cumplir los siguientes requisitos.
Las muestras d eben ser r epresentativas d e l as c ondiciones q ue ex istan e n el
punto y hora de m uestreo y t ener el v olumen suficiente par a efectuar en él l as
determinaciones c orrespondientes. Las m uestras de ben r epresentar l o m ejor
posible las características del efluente total que se descarga por el conducto que
se muestrea.
Tipos de muestreo.
Muestreo en tomas: Se recomienda, se instalen tomas en conductos a presión o
en conductos que permitan el fácil acceso para muestrear a c ielo abierto con el
objeto de caracterizar debidamente las aguas residuales.
Las tomas deben tener un di ámetro adecuado para muestrear correctamente las
aguas residuales en función de los materiales que puedan contener, deben ser de
la m enor l ongitud pos ible, y pr ocurar s ituarlas d e t al manera q ue l as muestras
sean representativas de la descarga.
Se r ecomienda el us o de m ateriales s imilares a l os del c onducto, de ac ero al
carbón o de acero inoxidable.
Se deja f luir un v olumen aproximadamente i gual a 10 v eces el v olumen d e l a
muestra y a continuación se llena el recipiente de muestreo.
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Muestreo en descargas libres
Cuando l as ag uas r esiduales fluyen l ibremente en forma d e c horro, d ebe
emplearse el siguiente procedimiento.
El recipiente muestreador se debe enjuagar repetidas veces antes de efectuar elmuestreo.
Se introduce el recipiente muestreador en l a descarga o de s er posible, se t oma
directamente la muestra en su recipiente.
La muestra se transfiere del recipiente muestreador al recipiente para la muestra
cuidando de que ésta siga siendo representativa.
Muestreo en canales y colectores
Se recomienda tomar las muestras en el centro del canal o colector de preferencia
en lugares donde el flujo sea turbulento a fin de asegurar un buen mezclado.
Si s e va a ev aluar c ontenido d e grasas y aceites s e deben t omar porciones, a
diferentes profundidades, cuando no haya mucha turbulencia para asegurar una
mayor representatividad.
El r ecipiente m uestreador s e debe enjuagar repetidas v eces c on el agua p or
muestrear antes de efectuar el muestreo.
El recipiente m uestreador, at ado con una c uerda y sostenido con la m ano de
preferencia e nguantada, s e i ntroduce en el ag ua r esidual c ompletamente y s e
extrae la muestra.
Si l a m uestra s e t ransfiere de r ecipiente, s e deb e c uidar que és ta s iga s iendo
representativa.
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Obtención de muestras compuestas
Se r ecomienda q ue l as m uestras s ean c ompuestas, para que r epresenten el
promedio de l as v ariaciones de l os c ontaminantes. El pr ocedimiento p ara l a
obtención de dichas muestras es el siguiente:
Las muestras compuestas se obtienen mezclando muestras simples en volúmenes
proporcionales al g asto o flujo de des carga m edido en el s itio y m omento del
muestreo.
El i ntervalo ent re l a toma de c ada muestra s imple p ara i ntegrar l a m uestra
compuesta, d ebe s er el s uficiente p ara det erminar l a v ariación d e l os
contaminantes del agua residual.
Las muestras c ompuestas s e deben t omar de t al m anera q ue c ubran l as
variaciones de las descargas durante 24 horas como mínimo.
Preservación de las muestras
No es posible proteger completamente una muestra de agua de los cambios en su
composición. S in embargo pueden emplearse varios aditivos y t ratamientos para
minimizar el deterioro de las muestras. El método más general de conservación dela muestra es l a refrigeración a 4°C. Normalmente debe ev itarse la c ongelación
debido a l os cambios físicos ( formación de precipitados y pérdida de gases) que
puede afectar adversamente a la composición de la muestra. La acidificación se
aplica, normalmente, a las muestras de metales para prevenir su precipitación y
también para hacer más lenta la acción microbiana. En el caso de los metales, las
muestras deben filtrarse antes de agregar el ácido para facilitar la determinación
de los metales disueltos. Los tiempos de almacenamiento de las muestras varían,
desde cero para parámetros como la temperatura o el oxígeno disuelto medido por
una s onda, h asta s eis m eses para l os metales. M uchos t ipos di ferentes d e
muestras, incluyendo aquellas en que van a ser analizadas la acidez, alcalinidad y
varias formas de nitrógeno o fósforo, no deben almacenarse por más de 24 horas.
Algunos métodos se resumen en la siguiente tabla No. 1.2.
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Preservar l a m uestra dur ante el t ransporte p or m edio d e u n baño de hi elo y
conservar las muestras en refrigeración a una temperatura de 277K (4°C).
Conservante o técnica
usada
Efectos en las muestras Tipo de muestra para el
cual se emplea el método
Ácido Nítrico Mantiene los metales en
disolución
Muestras q ue c ontienen
metales
Ácido Sulfúrico Bactericida
Formación de s ulfatos c on
las bases volátiles
Muestras bi odegradables
que c ontienen c arbono
orgánico, aceite o grasa
Muestras q ue c ontienen
aminas o amoníaco
Hidróxido de Sodio Forma s ales de s odio c on
ácidos volátiles
Muestras q ue c ontienen
ácidos orgánicos volátiles o
cianuros
Reacción Química Fijar un el emento en
particular
Muestras q ue s e anal izan
para ox ígeno di suelto, OD,
usando el método Winkler.
Tabla No.1.2 Conservantes y métodos de conservación para las muestras de agua
Se recomienda que el intervalo de t iempo entre la extracción de l a muestra y s u
análisis sea el menor posible y que no exceda de tres días.
Solo se permite agregar a las muestras los preservativos indicados en las Normas
correspondientes y en función del parámetro a determinar.
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1.8 Determinación de Gastos Másicos.
Otra c aracterística de los f luidos en m ovimiento es que en general al f luir unas
capas del f luido se deslizan sobre otras. Este deslizamiento se realiza con c ierta
resistencia, o sea que en general los fluidos presentan fricción o rozamiento. Estafricción o r ozamiento está r elacionada c on la v iscosidad del fluido. Todos h an
notado cuan diferente fluye el agua, el aceite o la miel de abeja, lo cual se debe a
la diferente viscosidad de estos fluidos. En ocasiones se considera que la fricción
en los fluidos es muy pequeña por lo que no se toma en cuenta.
Una magnitud que caracteriza un flujo de un fluido determinado es el gasto:
a. Gasto V olumétrico (G). Volumen del f luido por unidad de t iempo, que
atraviesa una sección transversal del tubo de corriente.
b. Gasto Másico (Q). Masa del fluido por unidad de t iempo, que atraviesa
una sección transversal del tubo de corriente.
De acuerdo a la definición del gasto volumétrico, se tiene
…(1.1)
Donde:
G = Gasto volumétrico
V = Volumen que atraviesa la sección transversal del tubo, en el tiempo t.
t = Tiempo
El v olumen V es i gual al ár ea de l a s ección t ransversal A por l a di stancia q uerecorre una capa de fluido en el tiempo, por l o anterior: el gasto se de fine como
volumen d el l íquido que pas a por l a s ección t ransversal de un a corriente en l a
unidad de t iempo. E ste dat o es uno d e l os m ás i mportantes q ue deb en
considerarse en la recolección de muestras, su medida se utiliza para:
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a. Interpretar las variaciones de flujo.
b. Calcular la masa de las sustancias arrastradas por el agua y,
c. Facilitar la planificación de los estudios.
El gasto másico está relacionado con el volumétrico por la siguiente expresión:
Q = G ρ = A V ρ … (1.2)
Donde:
Q = Gasto másico
G = Gasto volumétrico
A = Área
V = Velocidad
ρ = Densidad del fluido
Analizando l as u nidades del g asto v olumétrico tiene unidades de m 3/s y la
densidad d e K g/m3 por lo q ue l as uni dades d el g asto másico s on K g/s,
correspondientes c on l a def inición de g asto m ásico c omo masa del f luido po r
unidad de tiempo.
Es importante conocer el gasto de des carga cuando se muestrean para delimitarlos parámetros, ya que la concentración de contaminantes se reparte en mg/l y sin
este flujo de descarga no se puede evaluar la carga total de los contaminantes.
A la acción de medir el gasto se le denomina “aforar”, en términos generales los
métodos para a forar una c orriente es tán b asados en l a l ey de l a c ontinuidad,
expresada por la siguiente ecuación:
G= A x V … (1.3)
Dónde:
G= Gasto (l/s, m3/s)
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A= Área a través de la cual fluye el agua (m2, cm2)
V = Velocidad media del flujo o distancia por unidad de tiempo (m/s)
Entre estos métodos destacan los de:
1. Sección - velocidad
2. Sección - pendiente
3. Vertederos
Sección – Velocidad. Para aplicar este método se calculan por separado el área
de l a sección t ransversal y l a velocidad de la c orriente. Si es p osible v adear l a
corriente, se mide el ancho y se divide en segmentos para también medir en cada
uno de ellos el tirante de agua y calcular áreas parciales cuya suma será el área
total. Si no es posible vadear el r ío se usará alguna estructura como un puente o
una embarcación.
El área o sección se calcula mediante la expresión:
…(1.4)
… (1.5)
Dónde:
A= Área mojada (m2)
D = Diámetro (m)θ = Ángulo que forman los radios que unen el espejo de agua
r = Radio del ducto de la descarga (m)
T = Tirante (m)
Nota: Tiene una limitante cuando r se hace igual al tirante.
A = D2
Π θ Senθ
4 360 2
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La medición del caudal se realiza de forma manual utilizando un cronómetro y un
recipiente aforado. El procedimiento a seguir es tomar un volumen de una muestra
cualquiera ( V) y m edir el t iempo t ranscurrido ( t) des de q ue s e i ntroduce en l a
descarga has ta q ue s e r etira de ella, l a r elación d e es tos dos v alores per mite
conocer el caudal (Q) en ese instante de tiempo.
Este método tiene la ventaja de ser el más sencillo y confiable, siempre y cuando
el lugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen
de agua que sale por la descarga. Entre sus desventajas se cuenta que la mayoría
de veces es necesario adecuar el sitio de aforo para evitar perdida de muestra en
el m omento de a forar; t ambién s e deben evitar r epresamientos que p ermitan l a
acumulación de sólidos y grasas.
La estimación y la proyección de los caudales promedio se necesitan para definir
la capacidad de di seño, as í como l os requerimientos hi dráulicos del sistema de
tratamiento. L os c audales pr omedios de ben s er des arrollados t anto para l as
condiciones de diseño como para el periodo inicial de operación.
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1.9 Aguas Residuales de Origen Industrial.
El or igen, c omposición y c antidad d e l os desechos es tán r elacionados c on l os
hábitos de vida vigentes. Cuando un producto de desecho se incorpora al agua, el
líquido resultante recibe el nombre de agua residual. Las aguas residuales tienenun origen doméstico, industrial, subterráneo y meteorológico.
El uso del agua que la industria demanda puede clasificarse en cuatro principales
actividades que se llevan a cabo en la mayoría de las industrias:
1. Agua para enfriamiento.
2. Agua para calderas.
3. Agua para procesos.
4. Agua para servicios generales.
1. Agua para Enfriamiento.
La industria demanda grandes volúmenes de agua para enfriamiento en diversos
procesos, c omo p uede s er el e nfriamiento de c ondensadores de pl antas de
energía, refinamiento del petróleo, plantas químicas, destilerías y otras; también
se us a par a en friamiento e n m áquinas de c ombustión i nterna y pl antas d ebombeo, y enfriamiento en plantas de fundición.
El agua para l a industria debe c umplir con las normas de c alidad específicas de
acuerdo a los usos y al t ipo de industria. Los problemas que se pueden presentar
en un sistema de enfriamiento debido a la mala calidad del agua empleada son:
formación de d epósitos e i ncrustación, corrosión, obstrucción de los sistemas de
distribución, c recimiento d e or ganismos y por s upuesto, un i ncremento en l os
costos de mantenimiento y operación.
2. Agua para Calderas.
El agua que se ut iliza para calderas permite la generación de vapor o energía. En
general, la calidad del agua debe ser tal que no deposite sustancias incrustantes,
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no corroa al m etal de las calderas o de las l íneas de conducción y no oc asione
espumas. U n ag ua d e t ales c aracterísticas es di fícil de enc ontrar en es tado
natural, por lo que las condiciones de calidad se logran mediante un tratamiento.
3. Agua para Proceso.Es el agua que se incorpora en la manufactura del producto, o que pasa a formar
parte del producto terminado, o el agua empleada como medio de transporte de
los productos.
La calidad del ag ua r equerida par a el pr oceso v aría ampliamente de u n s ector
industrial a otro, así se tiene por ejemplo que, el agua requerida en la manufactura
de alimentos debe ser de calidad comparable a la del agua potable, mientras que
el agua empleada para la fabricación de celulosa Kraft sin blanquear, puede ser de
calidad comparable a la de un efluente secundario con cloración. Para cada caso
en par ticular l os pr ocesos i ndustriales de mandan ag ua d efinida en n ormas
específicas.
4. Agua para Servicios Generales.
En es te us o del ag ua s e i ncluye l a l impieza de l as i nstalaciones, s ervicios
sanitarios, usos personales y en oc asiones riego de ár eas verdes. E l agua paraservicios requiere de cierta calidad, sobre todo cuando ésta se emplea para usos
sanitarios y personales, la calidad debe ser potable.
La cantidad y naturaleza de los vertidos industriales es muy variada, dependiendo
del t ipo de i ndustria, de l a g estión d e s u c onsumo de agua y del g rado d e
tratamiento que los vertidos reciben antes de su descarga.
Tipos de Descargas Industriales
La clasificación se puede hacer de acuerdo a diferentes criterios:
a. Composición de elementos contaminantes.
b. Características de dichos elementos.
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c. Los procesos en los que se originan.
d. Secuencia de tiempo en la que se generan.
e. Vertidos continuos: Provienen de procesos en los que existe una entrada y
una salida continua de agua, como son el t ransporte, lavado, refrigeración,
etc.f. Vertidos discontinuos: Proceden de op eraciones intermedias, son los más
contaminantes; c omo en el c aso de l os b años de c urtido, l ejías neg ras,
emulsiones, etc. A l a umentar el t amaño d e l a i ndustria, al gunos v ertidos
discontinuos pueden convertirse en continuos.
Clasificación de las Industrias según sus Vertidos
a. Industrias con efluentes principalmente orgánicos.
b. Industria con efluentes orgánicos e inorgánicos.
c. Industria con efluentes principalmente inorgánicos.
d. Industrias con efluentes con materias en suspensión.
e. Industrias con efluentes de refrigeración.
Los c ontaminantes más c omunes de l as des cargas i ndustriales e n g eneral
proceden de las siguientes fuentes:
Agentes químicos de acondicionamiento de agua para enfriamiento.
Purgas de lodos acumulados en torres de enfriamiento.
Lavado de materias primas.
Procesos de transporte con residuos de producto terminado.
Compuestos químicos usados en el lavado de equipo.
Sustancias químicas empleadas como materias primas y reactivos.
Desechos de materia or gánica g enerados dur ante el pr oceso d e
industrialización.
Desechos de ác idos y al calinos g enerados en pr ácticas a uxiliares del
proceso industrial, como l a generación de i ntercambios iónicos, lavado de
filtros, limpieza del equipo, etc.
Metales pesados que se generan en algunos procesos de transformación.
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Cada industria, en pa rticular, genera descargas características de ac uerdo a l os
procesos específicos de transformación de la materia prima.
Son dos las circunstancias que obligan a una industria a dar tratamiento al agua:
a. Para lograr la calidad deseada en el abastecimiento para la propia industria.
b. Para cumplir con las condiciones particulares en su descarga.
Las di ferentes i ndustrias g eneran c ontaminantes en función d e l os pr ocesos
productivos que utilizan en la elaboración de sus productos. Por tanto para definir
los tipos de contaminantes que se generan es necesario considerar cada industria
en particular y en ocasiones cada planta de la rama industrial. Algunos factores
que influyen en la diversidad de las aguas residuales para diferentes plantas de un
mismo g iro s on: l a t ecnología del proceso, el us o eficiente o no del agua en l a
industria, las materias primas empleadas y el manejo de las descargas de aguas
residuales.
Cada actividad i ndustrial apor ta u na c ontaminación determinada, por l o q ue e s
conveniente c onocer el or igen d el v ertido i ndustrial p ara v alorar s u c arga
contaminante y s u incidencia en el medio receptor, a c ontinuación se describenalgunos ejemplos.
Industria Alimenticia.
Sólidos totales
Sólidos sedimentables
Grasas y Aceites
DBO
DQO
Industria Textil.
Sólidos totales
Sólidos suspendidos totales
Sólidos sedimentables
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Grasas y aceites
DBO
DQO
SAAM
Nitrógeno total Cobre
Fierro
Cromo hexavalente y trivalente
Industria Papelera.
Color
Materia en suspensión y decantable.
pH en algunos casos.
Contaminación orgánica.
Industria del Curtido.
Alcalinidad
Materia en suspensión y decantable
Contaminación orgánica
Sulfuros
Cromo
Refinerías. Aceites
Materia orgánica
Fenoles
Amoníaco
Sulfuros
Industrias de acabado de Metales.
pH
Cianuros
Metales, según el proceso de acabado
Industria Lechera.
Materia orgánica
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Las c aracterísticas d e l as ag uas r esiduales i ndustriales p ueden di ferir mucho,
tanto de ntro c omo ent re l as e mpresas. Dentro de l as I ndustrias m ás
contaminantes se encuentran:
Centrales Termoeléctricas Convencionales Industria Productora de Azúcar de Caña
Industria de Refinación de Petróleo Crudo y sus Derivados y Petroquímica
básica
Industria de Fabricación de Fertilizantes
Industria de Productos Plásticos y Polímeros Sintéticos
Industria de Fabricación de Harinas
Industria de Cerveza y Malta
Industria de Fabricación Asbestos de Construcción
Industria de la Celulosa y Papel
Industria de Matanza de Animales
Industria Textil
Industria del Hierro y Acero
Industria del Curtido y Acabado en Pieles
El im pacto de l os v ertidos i ndustriales depende, n o s olo de s us c aracterísticascomunes, como la D emanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), sino también de s u
contenido en s ustancias or gánicas e i norgánicas es pecíficas. En det erminados
casos, también será necesario determinar el grado de toxicidad de los efluentes e
identificar las sustancias responsables de dicha toxicidad.
El control puede tener lugar ahí donde se generan dentro de la planta; las aguas
pueden t ratarse pr eviamente y des cargarse en el s istema de alcantarillado, o
pueden t ratarse por completo e n l a pl anta y s e r eutilizadas o v ertidas en l os
cuerpos de agua.
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Autoevaluación.
1.- Es el par ámetro que se c onsidera importante en el c recimiento de l as algas y ot ros
organismos bi ológicos, debi do al noc ivo c recimiento i ncontrolado de al gas en ag uas
superficiales, s e han r ealizado g randes es fuerzos por c ontrolar l as des cargas
principalmente industriales, ya que las de tipo doméstico aportan poca cantidad.
a. Nitrógeno.
b. Fósforo.
c. Materia orgánica.
d. Las tres anteriores.
e. Ninguno de los anteriores.
2.- La c oncentración de es te par ámetro es a guas r esiduales es tá r elacionado c on s u
reutilización, su presencia en aguas naturales proviene de los lixiviados de las rocas y lossuelos con los que ellas hacen contacto. En áreas costeras estas concentraciones pueden
de la intrusión de las aguas salinas o salobres. :
a. Cloruros.
b. Azufre.
c. Carbonatos.
d. Las tres anteriores.
e. Ninguna de las anteriores.
3.- Es el parámetro que nos indica la capacidad que tiene el agua para neutralizar
soluciones ác idas s on gener adas pr incipalmente po r los hidróxidos, carbonatos,
bicarbonatos de c alcio, s odio, pot asio y m agnesio. E ste par ámetro s e ut iliza
principalmente para el t ratamiento químico de l as aguas residuales, en l os procesos de
remoción bi ológica de nut rientes, en l a r emoción de am oniaco y en t ratamiento
anaerobios.
a. pH
b. Dureza.c. Alcalinidad.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores.
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4.- Es un parámetro importante en aguas residuales ya que modifica la concentración de
OD, i nfluye en l a solubilidad de l os contaminantes y en l a velocidad de l as reacciones
químicas así como de la actividad bacterial ( tasas de c recimiento de m icroorganismos),
aumenta los problemas de olor, color y corrosión.
a. Temperatura.
b. Bacterias.
c. Coliformes fecales
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores
5.- En concentraciones altas causan problemas de calidad de aguas para riego y de sabor
para a gua de reuso, s on c omunes en a guas residuales pues l a apor tación di aria po r
persona es de 6 a 9 gramos. Los m étodos c onvencionales de t ratamiento, no l os
remueven.
a. Grasas y aceites.
b. Nutrientes.
c. Sulfatos.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores.
6. S on moléculas or gánicas de ac tividad s uperficial q ue pr ovienen de l a des carga d e
detergentes domésticos, estos t ienden a ac umularse en l a interface ai re/agua y pueden
causar la aparición de espumas en las plantas de tratamiento de las aguas residuales y
en la superficie de los cuerpos receptores de los vertimientos del agua residual tratada.
a. Agentes tensoactivos.
b. Jabones y detergentes.
c. Grasas y aceites.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores
7.- Son no des eables en ag uas s uperficiales, pues c ubren l a s uperficie de l agos y
embalses, pr oliferan en l agos eut róficos o enr iquecidos nut ricionalmente, al teran l a
calidad del agua produciendo olores y sabores indeseables, al igual que algunos efectos
tóxicos sobre peces.
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a. Nutrientes (Fosfatos, Nitratos).
b. Algas.
c. Bacterias.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores
8.- Es el parámetro para medir la materia orgánica presente en el agua residual, se lleva
cabo la oxidación cuando se inyecta una cantidad conocida de muestra en un horno a alta
temperatura, midiendo el dióxido de carbono en el infrarrojo.
a. Demanda Bioquímica de Oxígeno Carbonatada.
b. Demanda Bioquímica de Oxígeno Nitrogenada.
c. Carbono Orgánico Total.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores.
9.- Son c ompuestos aromáticos comunes en aguas residuales, principalmente
provenientes de l a i ndustria, no s on bi odegradables y t ienen una al ta de manda d e
oxígeno.
a. Fenoles.
b. Plaguicidas.
c. Cresoles.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores.
10.- Son c ompuestos d e carbono, hidrógeno y ox ígeno q ue flotan en el ag ua residual,
recubren l as s uperficies, c ausan i ridiscencia, i nterfieren c on l a ac tividad bi ológica, s on
sustancias solubles en hexano.
a. Sustancias Activas al Azul de Metileno (SAAM).
b. Grasas y aceites.
c. Clorofenoles.d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores.
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UNIDAD II
PROCESOS PARA SEPARACI NDE CONTAMINANTES
OBJETIVO.
El estudiante conocerá y comprenderá los distintos procesos biológicos que son
factibles de ser utilizados en el tratamiento de las aguas residuales.
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2.1 Procesos Físicos
Las aguas r esiduales pueden definirse como l as ag uas de composición v ariada
provenientes d e l as des cargas de us o p úblico ur bano, d oméstico, i ndustrial,
comercial d e s ervicios, ag rícola, pec uario, i ncluyendo fraccionamientos y engeneral de cualquier uso así como la mezcla de ellas.
El objetivo del t ratamiento de l as aguas residuales es la remoción de s ustancias
contaminantes a fin d e evitar efectos negativos en l a calidad de los cuerpos de
agua receptores, y para lograr que la calidad del agua sea la adecuada para las
necesidades de los usuarios.
En l a formulación, planeación y di seño d e un s istema d e t ratamiento s e puede
considerar objetivos di ferentes, t eniendo en cuenta l a di sponibilidad de r ecursos
económicos y t écnicos, as í c omo l os c riterios es tablecidos p ara descarga d e
efluentes, algunos de ellos son:
1.- Proteger la Salud Pública y el Ambiente. Si las aguas residuales van a
ser vertidas a un cuerpo receptor natural (mar, ríos, lagos), será necesario realizar
un t ratamiento p ara e vitar enfermedades c ausadas por b acterias y virus en l aspersonas q ue ent ran en c ontacto c on es as ag uas, y t ambién p ara pr oteger l a
fauna y flora presentes en el cuerpo receptor natural.
2.- Reúso del Agua Tratada. Existen actividades en las que no se requiere
utilizar agua potable estrictamente y que se pueden realizar con agua tratada, sin
ningún riesgo a la salud, tales como:
a. Riego de Áreas Verdes c omo: g lorietas, c amellones, j ardines,
centros r ecreativos, parques, c ampos d eportivos, f uentes de
ornato.
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b. Industriales y de s ervicios c omo: l avado de pat ios y nav e
industrial, l avado de flota v ehicular, s anitarios, i ntercambiadores
de calor, calderas, cortinas de agua, etc.
Con base en lo anterior el objetivo del t ratamiento de l as aguas residuales es elgarantizar que no existirán efectos nocivos a la salud por entrar en contacto con el
agua tratada en las actividades antes descritas.
Este t ipo de objetivos involucran tratamientos de mayor nivel, que generalmente
implican la implementación de l as mejores tecnologías y l as calidades logradas
son casi tan buenas como las generadas para el agua potable.
Las operaciones realizadas en el t ratamiento del agua residual en l as cuales el
cambio se lleva a c abo por medio de o a t ravés de l a aplicación de las fuerzas
físicas, s e c onocen c omo operaciones uni tarias. D ado q ue es tas oper aciones
originalmente fueron o riginalmente der ivadas de observaciones de la naturaleza,
constituyen l os pr imeros m étodos de t ratamiento ut ilizados. H oy d ía, l as
operaciones físicas unitarias conforman la base de la mayoría de los diagramas de
flujo de los procesos.
Las operaciones unitarias más comúnmente utilizadas en el tratamiento de aguas
residuales incluyen:
a. Desbaste
b. Dilaceración
c. Homogenización del caudal
d. Mezclado
e. Floculación
f. Sedimentación
g. Flotación
h. Filtración
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Las aplicaciones principales de estas operaciones se resumen en la tabla No. 2.1
Operación Aplicación
Desbaste Eliminación de s ólidos g ruesos y s edimentables por
intercepción (retención en superficie).
Dilaceración Trituración de s ólidos gruesos has ta ob tener un
tamaño más o menos aceptable.
Homogenización del caudal Regulación del caudal y de las cargas de DBO y de
sólidos en suspensión.
Mezclado Mezclado de los reactivos químicos y gases c on el
agua residual, y para mantener los sólidos en
suspensión.
Floculación Provoca l a ag regación de peq ueñas par tículas
aumentando el tamaño de las mismas, para mejorar
su eliminación por sedimentación por gravedad.
Sedimentación Eliminación de sólidos sedimentables y
espesamiento de lodos.
Flotación Eliminación de sólidos es suspensión finamente
divididos y de partículas con densidades cercanas a
la del agua.
También espesa lodos biológicos.
Filtración Eliminación de los sólidos finos en suspensión que
quedan tras el tratamiento biológico o químico.
Microtamizado Lo mismo que la filtración también elimina algas
procedentes de l os e fluentes de l os tanques de
estabilización.
Tabla 2.1 Aplicaciones de las operaciones físicas unitarias en el tratamiento de A.R.
A c ontinuación s e describirán br evemente algunas de es tas operaciones; o tras
como cribado, mezclado, floculación, sedimentación; serán tratados en l a unidad
tres.
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Tamices
Los t amices s e caracterizan por di sponer de aber turas l ibres inferiores a l os 15
mm y normalmente s e em plean en pl antas de peq ueño t amaño, en l as q ue s e
eliminan del agua residual entrante los sólidos de menor tamaño, aunque también
tiene aplicaciones dentro del tratamiento primario y del tratamiento secundario.
Los primeros tamices eran de tipo circular o de disco y se empleaban como medio
para pr oporcionar u n t ratamiento pr imario, en l ugar d el ac tual t anque d e
sedimentación. Los tamices modernos s on de t ipo es tático ( fijos) o de t ambor
giratorio, pr ovistos de una m alla fina d e acero i noxidable o de un material n o
férreo.
Los tamices van a r etener sólidos suspendidos afluentes que contienen o es tán
compuestos por m ateria put rescible ( incluida l a m ateria fecal pat ógena) y
cantidades s ustanciales de g rasas y es pumas, por l o q ue el manejo de es tos
residuos requiere especial atención.
Dilaceración
Su objetivo es triturar las materias sólidas arrastradas por el agua. Esta operación
no es tá d estinada a m ejorar l a c alidad del ag ua bruta y a q ue l as materias
trituradas no son separadas, s ino que se r eincorporan al c ircuito y pasan a l os
demás t ratamientos, p or l o que es te p aso n o se suele utilizar, a no s er q ue no
haya desbaste, con lo que si es necesario incluirlo en el diseño y funcionamiento
de la planta.
Pero, a v eces, aunque haya un des baste p revio, se s uelen ut ilizar di laceradores
para tratar los detritus retenidos en las rejas y tamices, siendo después vueltos a
incorporar al agua.
Consta el dilacerador, de un tamiz tipo tambor que gira alrededor de un eje vertical
provisto de r anuras c on u n paso entre 6 -10 mm. L os s ólidos s e hacen pasar a
través de unas bar ras de c izalladura o di entes c ortantes don de s on t riturados
antes de llegar al tambor. Se homogeneizan en t amaño y at raviesan las ranuras,
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saliendo por una ab ertura de fondo mediante un s ifón i nvertido, s iguiendo s u
camino aguas abajo.
Esta operación está muy cuestionada y ac tualmente casi ha d esaparecido de l a
mayoría de las instalaciones, por dos razones:
1. No es lógico mantener o r etornar al proceso aquellos sólidos que pueden
eliminarse por desbaste o tamizado, ya que lo que hacemos es empeorar la
calidad del agua residual que va a ser tratada posteriormente.
2. En la práctica, esta operación presenta varios inconvenientes:
a. La necesidad de una atención frecuente debido a que se trata de un
material muy delicado.
b. El pel igro de obs trucción de t uberías y bom bas pr ovocada por la
acumulación en masas de las fibras textiles o vegetales unidas a las
grasas.
c. La formación de una costra de lodo en los digestores anaerobios.
Las tareas a realizar son las que siguen:
Vigilar las posibles obstrucciones de las tuberías.
Reponer los dientes del tambor, en caso de rotura.
Vaciar el contenedor de los sólidos que pueden estar retenidos.
Todas estas operaciones se deben realizar con la maquina desconectada.
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2.2 Procesos Químicos
Precipitación Química
La precipitación química en el tratamiento de las aguas residuales lleva consigo la
adición d e productos químicos c on la finalidad de al terar el es tado físico de l ossólidos disueltos y en suspensión, y facilitar su el iminación por sedimentación. En
algunos c asos, l a al teración es peq ueña, y la el iminación s e l ogra al q uedar
atrapados dentro de un precipitado voluminoso constituido, principalmente, por el
propio coagulante. Otra consecuencia de l a adición de productos químicos es el
incremento neto en l os constituyentes di sueltos del agua residual. Los procesos
químicos, j unto c on al gunas de l as o peraciones físicas uni tarias, s e ha n
desarrollado para proporcionar un t ratamiento s ecundario completo a l as aguas
residuales no t ratadas, incluyendo la eliminación del nitrógeno, del f ósforo, o de
ambos a l a v ez. T ambién s e h an desarrollado otros procesos q uímicos p ara l a
eliminación d el fósforo p or pr ecipitación q uímica, y es tán pensados par a s u
utilización en combinación con procesos de tratamiento biológicos.
El objetivo de esta sección es identificar y discutir los siguientes aspectos:
1. Reacciones de precipitación que tienen l ugar c uando s e añaden di versos
productos químicos para mejorar el comportamiento y el rendimiento de lasinstalaciones de tratamiento de las aguas residuales
2. Reacciones q uímicas q ue i ntervienen en el pr oceso de pr ecipitación del
fósforo en el agua residual
3. Algunos de l os as pectos t eóricos m ás i mportantes de l a pr ecipitación
química. Los cálculos que se realizan para determinar la cantidad de fango
producida como resultado de la adición de los diversos productos químicos.
A lo largo de los años, se han empleado muchas sustancias de diversa naturaleza,
como agentes de precipitación, las más comunes de las cuales se presentan en la
Tabla No.2.2. El grado de clarificación resultante depende tanto de la cantidad de
productos químicos que se añade como del nivel de control de los procesos.
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Mediante pr ecipitación q uímica, es pos ible c onseguir ef luentes c larificados
básicamente l ibres d e m ateria en s uspensión o en es tado c oloidal y s e pue de
llegar a eliminar del 80 al 90% de la materia total suspendida, entre el 40 y el 70 %
de l a DBO5, del 30 al 60% de la DQO y e ntre el 80 y el 90 % de l as bacterias.
Estas cifras c ontrastan c on l os r endimientos de el iminación de l os pr ocesos d esedimentación s imple, en l os q ue l a el iminación de l a materia s uspendida s ólo
alcanza valores del 50 al 70% y en la eliminación de la materia orgánica sólo se
consigue entre el 30 y el 40 %.
Producto químico Fórmula
Sulfato de alúmina Al2(S04)3 18H2O Al2(S04)3. l4H2O
Cloruro férrico FeCI3
Sulfato férricoFe2(S04)3
Fe2(S04)3 3H20
Sulfato ferroso Fe504. 7 H20
CalCa(OH)2
Tabla No. 2.2 Productos químicos empleados en el tratamiento del AR
Los pr oductos q uímicos q ue s e añaden a l ag ua r esidual r eaccionan c on l as
sustancias habitualmente presentes en el agua o que se añaden a ella para tal fin.
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Sulfato de alúmina
Cuando se añade sulfato de alúmina al agua residual que contiene alcalinidad en
forma de bicarbonato cálcico y magnésico, la r eacción que t iene lugar se puede
ilustrar de la siguiente manera:
A]2(S04)3. 18 H20 + 3 Ca(HCO3)2 ~3 CaSO4~ + 2 Al(OH)3 ± 6 CO2 + 18 H20
Los nú meros i ndicados enc ima d e l as fórmulas q uímicas c orresponden a l os
pesos moleculares de combinación de las diferentes sustancias y denotan, por lo
tanto, la cantidad de cada una de ellas que interviene en el proceso. El hidróxido
de al uminio i nsoluble es un flóculo g elatinoso q ue s edimenta l entamente en elagua r esidual, arrastrando c onsigo m ateria s uspendida y pr oduciéndose o tras
alteraciones. La r eacción es ex actamente anál oga c uando s e s ustituye el
bicarbonato cálcico por la sal de magnesio.
Transferencia de gases
La transferencia de gases se puede definir como el fenómeno mediante el cual se
transfiere gas de una fase a otra, normalmente de la fase gaseosa a la líquida. Es
una componente esencial de gran número de los procesos de tratamiento del agua
residual. Por ejemplo, el funcionamiento de los procesos aerobios, tales como la
filtración bi ológica, l os f angos ac tivados y l a di gestión aerobia, dep ende d e l a
disponibilidad de cantidades suficientes de oxígeno. Para alcanzar los objetivos de
desinfección se transfiere cloro en f orma gaseosa a un a disolución en ag ua. Es
frecuente añ adir ox ígeno al e fluente t ratado des pués de l a c loración ( post-
aireación). Uno de los procesos de el iminación de l os compuestos del ni trógeno
consiste en la conversión del nitrógeno en amoníaco y l a posterior t ransferencia
del amoníaco en forma gaseosa del agua al aire.
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Descripción
En el c ampo d el t ratamiento del ag ua r esidual, l a apl icación m ás c omún de l a
transferencia de gases consiste en la transferencia de oxígeno en el tratamiento
biológico del ag ua residual. D ada l a r educida solubilidad del ox ígeno y l a baj a
velocidad de t ransferencia q ue ello c omporta, s uele oc urrir q ue l a c antidad de
oxígeno que penetra en el agua a t ravés de la interfase aire-superficie del líquido
no es suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno del tratamiento aerobio. Es
preciso crear interfases adicionales para c onseguir t ransferir l a g ran cantidad de
oxígeno necesaria. Para conseguir este propósito se puede introducir en el agua
aire u oxígeno, o s e pu ede ex poner el l íquido a l a atmósfera en forma de
pequeñas gotas.
Para c rear i nterfase gas-agua adi cionales, el ox ígeno s e pu ede s uministrar en
forma de b urbujas de ai re o de oxígeno puro. E n l a mayoría de l as plantas de
tratamiento de aguas r esiduales, l a aireación s e l leva a c abo m ediante l a
dispersión d e bur bujas s umergidas a pr ofundidades d e has ta 10 m . En algunos
diseños europeos s e han l legado a i ntroducir l as bur bujas a pr ofundidades
superiores a l os 30 m. Los di ferentes s istemas d e ai reación i ncluyen pl acas y
tubos por osos, t ubos per forados, y di ferentes c onfiguraciones de difusores
metálicos y de pl ástico. T ambién s e pu eden em plear ap aratos de c izalladurahidráulica, que rompen las burbujas en burbujas de menor tamaño al hacer circular
el fluido a t ravés d e un orificio. L os mezcladores de t urbina se pueden e mplear
para di spersar bur bujas de ai re i ntroducidas en el t anque b ajo el c entro de l
elemento impulsor.
Los aireadores de superficie, método alternativo para la introducción de grandes
cantidades de ox ígeno, c onsisten en t urbinas de alta o de baja velocidad o e n
unidades flotantes d e al ta v elocidad q ue g iran en l a s uperficie del l íquidoparcialmente s umergidas. Estos aireadores s e pr oyectan, t anto para mezclar el
contenido del tanque, como para exponer el líquido a la acción de la atmósfera en
forma de pequeñas gotas.
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Adsorción
El pr oceso de a dsorción c onsiste, e n t érminos g enerales, e n l a c aptación d e
sustancias s olubles presentes e n l a i nterfase d e u na s olución. Esta i nterfase
puede hallarse entre un líquido y un gas, un sólido, o entre dos líquidos diferentes.
A pesar de que la adsorción también t iene lugar en la interfase aire-líquido en elproceso d e f lotación, en es ta s ección s ólo s e c onsiderará l a adsorción e n l a
interfase en tre l íquido y s ólido. E l pr oceso de adsorción n o s e ha empleado
demasiado a menudo hasta el momento, pero la necesidad de una mayor calidad
del e fluente de los tratamientos de aguas residuales ha conducido a un es tudio
más det allado del proceso de a dsorción s obre c arbón activado y de s us
aplicaciones.
El t ratamiento del ag ua r esidual c on c arbón ac tivado s uele es tar c onsideradocomo un proceso de refino de aguas que ya han recibido un tratamiento biológico
normal. E n es te c aso, el c arbón s e em plea par a el iminar par te de l a m ateria
orgánica disuelta. A simismo, es pos ible el iminar par te de l a m ateria par ticulada
también presente, dependiendo de la forma en que entran en contacto el carbón y
el agua.
Análisis del proceso de adsorciónEl proceso de adsorción tiene lugar en tres etapas:
a. Macrotransporte
b. Microtransporte y;
c. Sorción.
El macrotransporte engloba el m ovimiento por advección y di fusión de l a materia
orgánica a t ravés d el l íquido has ta al canzar l a i nterfase l íquido-sólido. Por s u
parte, el m icrotransporte hac e r eferencia a l a di fusión del m aterial or gánico a
través del sistema de macroporos del carbón activado granular hasta alcanzar las
zonas de ads orción que s e hal lan en l os m icroporos y s ubmicroporos de l os
gránulos de carbón activado.
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La ads orción s e pr oduce en l a s uperficie del g ránulo y en s us m acroporos y
mesoporos, pero el área superficial de es tas zonas, es tan pequeña comparada
con el área de l os micro y s ubmicroporos, que la cantidad de m aterial adsorbido
en el los s e c onsidera des preciable. E l us o del t érmino s orción s e debe a l a
dificultad de diferenciar la adsorción física de l a adsorción química, y se empleapara describir el mecanismo por el cual la materia orgánica se adhiere al carbón
activado. E l equilibrio se al canza c uando s e i gualan l as t asas de s orción y
desorción, momento en el que se agota la capacidad de adsorción del carbón. La
capacidad teórica de adsorción de un d eterminado c ontaminante por m edio del
carbón activado se puede determinar calculando su isoterma de adsorción.
La c antidad d e a dsorbato q ue p uede r etener un adsorbente es función de l as
características y de l a c oncentración d el ads orbato y de l a t emperatura. Engeneral, l a c antidad de m ateria ads orbida s e det ermina c omo f unción de l a
concentración a t emperatura constante, y l a función resultante se c onoce con el
nombre de isoterma de adsorción.
Procesos Químicos unitarios
Los procesos empleados en el t ratamiento de las aguas residuales en los que las
transformaciones s e p roducen m ediante reacciones q uímicas reciben el n ombre
de procesos químicos unitarios. Con el fin de alcanzar los objetivos de tratamiento
del ag ua r esidual, l os pr ocesos q uímicos uni tarios s e l levan a c abo e n
combinación con las operaciones físicas unitarias.
Desinfección
La desinfección consiste en la destrucción selectiva de los organismos que causan
enfermedades. No todos los organismos se destruyen durante el proceso, punto
en el q ue r adica l a p rincipal di ferencia en tre l a des infección y l a es terilización,
proceso que conduce a l a des trucción de la t otalidad de los or ganismos. E n el
campo de las aguas residuales, l as tres c ategorías de or ganismos entéricos d e
origen humano de mayores consecuencias en la producción de enfermedades son
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las bac terias, l os virus y l os quistes am ebianos. Las en fermedades bac terianas
típicas transmitidas por el agua son: tifus, cólera, paratifus y la disentería bacilar,
mientras q ue l as enfermedades c ausadas p or l os v irus i ncluyen, ent re otras, l a
poliomelitis y la hepatitis infecciosa.
Descripción de los objetivos y métodos de desinfección
Los r equisitos q ue debe c umplir un desinfectante q uímico, en l a q ue s e p uede
apreciar q ue u n d esinfectante i deal debería t ener una g ran v ariedad d e
características. A pesar de que tal compuesto puede no existir, es preciso tener en
cuenta los requisitos propuestos a la hora de valorar los desinfectantes propuestos
o recomendados. También es importante que los desinfectantes sean seguros en
su aplicación y manejo, y que su fuerza o concentración en las aguas tratadas seamedible y c uantificable. Los m étodos m ás em pleados p ara l levar a c abo l a
desinfección son:
Agentes químicos
Agentes físicos
Medios mecánicos
Radiación.
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Autoevaluación.
1.- Mencione y explique al m enos cinco situaciones que generan la problemática
de las plantas de tratamiento de Agua, comente algunas cifras
2.- Mencione y ex plique al menos c inco di sciplinas q ue i ntervienen e n l a
problemática del agua.
3.- Explique al menos tres fuentes de origen de aguas residuales industriales y el
tipo de agua que descargan.
4.- Explique al menos tres métodos para medir caudales.
5.- Elabore y ex plique una g ráfica q ue ej emplifique el c omportamiento d e l os
caudales en las plantas de tratamiento, considere los máximos y mínimos.
6.- Dibuje un di agrama de l a planta de t ratamiento i ndicando l os diversos
procesos, desde la entrada del influente hasta la salida del efluente tratado.
7.- Explique la diferencia entre gasto másico y gasto volumétrico, cuales son las
unidades en que se reporta cada uno.
8.- Realice una l ínea del t iempo q ue i lustre l a hi storia del t ratamiento d e ag ua
residual.
9.- Identifique l os e quipos o s istemas empleados en el pr etratamiento y
tratamiento primario.
10.- Elabore un reporte acerca del funcionamiento de la planta y su eficiencia.
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UNIDAD III
PROCESOS F SICOS DESEPARACIÓN.
OBJETIVO.
El estudiante conocerá y c omprenderá l os d iversos p rocesos físicos q ue so n
factibles de ser utilizados en el tratamiento de las aguas y aguas residuales.
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3.1 Cribado [Rejillas y Cribas]
Desbaste (Cribado).
La pr imera o peración uni taria q ue t iene l ugar en l as plantas d e tratamiento de
aguas r esiduales, es l a oper ación de des baste. Una rejilla es u n elemento c on
aberturas, g eneralmente de tamaño u niforme, q ue s e ut iliza p ara r etener l os
sólidos gruesos existentes en el agua residual. Las aberturas libres entre barras
suelen ser de 15 mm o mayores. En ellas van a quedar retenidos sólidos de gran
tamaño tales como piedras, ramas, trozos de c hatarra, papel, raíces de ár boles,
plásticos y t rapos. Al quedar eliminados estos componentes del agua residual en
primer l ugar, s e v an a i mpedir d años y obt uraciones en bo mbas, v álvulas,
conducciones y otros elementos presentes en posteriores procesos de tratamientoen la planta.
Los el ementos s eparadores p ueden es tar c onstituidos por bar ras, al ambres o
varillas par alelas, r ejillas, t elas m etálicas o pl acas per foradas, y l as aber turas
pueden s er de c ualquier f orma, a unque nor malmente s uelen s er r anuras
rectangulares u orificios circulares.
Según el método de limpieza que se emplee, los tamices y rejas pueden ser de
limpieza manual o aut omática. G eneralmente, l as r ejas t ienen aber turas
(separación entre las barras) superiores a 15 mm, mientras que los tamices tienen
orificios de tamaño inferior a este valor.
Algunas características del cribado son:
Se usa para eliminar troncos, ramas, basura y ot ros además de cualquiermaterial que pueda dañar el equipo o tapar las tuberías
La distancia o abertura de las rejillas depende del objeto
La limpieza puede ser manual o mecánica
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Tipos de rejas de barras
Las rejas están formadas por barras metálicas verticales o inclinadas, espaciadas
en intervalos i guales, pue den t ener un a i nclinación d e 3 0 a 60º r especto a l a
vertical. Existen dos tipos de rejas de barras en función del sistema de limpieza de
las mismas, que puede ser manual o mecánico (automático). En la tabla No. 3.1,
se comparan las características de ambos tipos.
Característica Limpieza manual Limpieza automática
Tamaño de la barra Anchura (mm) 5-15 5-15
Profundidad (mm) 25-37.5 25-37.5
Separación entre barras (mm) 25-50 15-75
Pendiente en relación a la vertical (º) 30-45 0-30
Velocidad de aproximación (m/s) 0.3-0.6 0.6-1.1
Pérdida de carga admisible (mm) 150 150
Tabla No. 3.1 Características del tipo de rejas Fuente: Metcalf, 1994
1. Rejas de limpieza manual. Se emplean frecuentemente en instalaciones
de pequeño tamaño y actualmente se t iende a i nstalar equipos de limpieza
automática p ara facilitar las op eraciones y r educir al máximo l os trabajos
manuales. E n l os c asos en l os q ue s e u tilicen, s u l ongitud no deb erá
exceder de l a que permita su c orrecta l impieza, es decir, unos 3 m etros.
Las bar ras q ue c onforman l a r eja n o s uelen ex ceder de l os 10 m m de
anchura por 50 mm de profundidad.
2. Rejas de limpieza automática. Incorporan un pei ne r ascador q ue
periódicamente y de manera automática l impia la r eja por l a cara anterior
(aguas arriba) o posterior (aguas abajo). El peine rascador puede funcionar
de manera continua o se puede activar al superarse cierto valor establecido
de pérdida de carga o mediante temporizador. El canal de las rejas se debe
proyectar de forma que se evite la acumulación y sedimentación de arenas
y otros sólidos de gran tamaño, y para ello se recomiendan velocidades de
aproximación superiores a 0.4 m/s. A caudales punta, la velocidad de paso
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a t ravés de l as bar ras no deb erá s er s uperior a 0. 9 m /s p ara evitar el
arrastre de basuras a través de las rejas. Los residuos se suelen descargar
a una cinta transportadora o a un sistema de evacuación neumático para su
transporte a una tolva de almacenamiento, compactador o incinerador.
Se expone a continuación un esquema básico de un s istema de rejas inclinadas.
Figura No. 3.1.
Fig. 3.1 Rejas inclinadas
Rejillas
Tienen la misma función que las rejas, la diferencia es su tamaño de
abertura de 1.5 a 5 cm y las rejas van de 5 a 10 cm.
Tamices
Tiene la misma función que los dos anteriores pero sus aberturas van
de 22 a 32 mm.
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En la siguiente tabla (No. 3.2), se presentan algunos de los propósitos por los que
se implementa el cribado.
Tabla No. 3.2 Propósitos del cribado. Fuente: Metcalf, 1994
Consideraciones de Diseño.
El diseño de las rejas y rejillas depende de las características de los materiales a
eliminar y al sistema de limpieza, para el diseño se establece lo siguiente
1. Suponer un número de barras con: espesor, diámetro y una separación
2. Calcular el ancho de la reja
3. Calcular la superficie mojada
4. Cálculo del caudal medio
5. Calcular la velocidad del flujo al pasar por la reja
6. Cálculo de l a c arga de v elocidad de acercamiento de flujo p ara c ada
espaciamiento
7. Calculo de la perdida de carga hidráulica
8. Cálculo del nivel del agua
9. Calcular la velocidad
Ejemplo
Diseñar una rejilla para que un influente de agua residual doméstica considerando
que se tienen barras de acero circulares con un ancho de 15mm, el ángulo que se
desea para la rejilla es de 60º y el espacio entre barras es de 30 mm. La dotación
Tipo Tamaño común Propósito
Rejillas p/basura 5 a 10 cm Proteger bombeo y equipo de objetosgrandes
Rejillas 1.5 a 5 cm Proteger bombas
Tamices 22 a 32 mm Protege l as boq uillas de l os filtros
percoladores
Rejillas finas 5 mm o menos Tratamiento preliminar par a r emoción
de partículas pequeñas
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de agua por habitante al día es de 250 L y la población es de 150 mil habitantes.
Considerar un tirante o profundidad de la rejilla de 1. 5 m, la velocidad de flujo es
de 0.45 m/s.
1. Calcular Q= (m /s)
250 l 1 m3 1 dia 1 h 1 min = 2.8935E-6 m3 * 150000 habDia 1000 l 24 h 60 min 60 s
Q= 0.4340 m3/s
2. Área total
AT= Q/V= Gasto/Velocidad
AT = 0.4340 m
3
/s = 0.9644 m
2
0.45 m/s
3. Número de barras
ao= n(d1)+ (n-1)b
Donde:ao= Ancho de la rejan= Número de espaciosn-1= Número de barras
b= Espacio entre barrasd1= Ancho de barra
Ancho de reja (ao)
ao= AT/Tirante = 0.9644 m2 = 0.6459 m1.5 m
0.6429= n (0.014)+)n-1)(0.03)0.6429= 0.015 n+0.03 n-0.030.6429+0.03= 0.045 m0.6729= 0.045 m n= 0.6729*0.045= 14.9533
Número de espacios; n= 15 espacios
n-1= Número de barras; 15-1= 14 barras
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4. Superfície mojada AER
AER= nbt
n= Número de espaciosT= tirante
b= Espacio entra barras AER= Área de entrada de cada rejag = Aceleración de la gravedadC = Coeficiente de fricción
AER = (15)(0.03m)(1.5m) = 0.675 m2
5. Velocidad del flujo Al pasar entre rejas
V2= Q/AER = 0.4340 m3/s = 0.6429 m/s0.675 m2
6. Carga de velocidad de acercamiento para cada espacio de rejilla (hv)
Hv = V22 = ( 0.6429 m/s)2 = 0.02106 m
2g 2* 9.81 m/s 2
7. Pérdida de carga hidráulica para rejilla limpia
hL= 1.79 (0.015 m/ 0.03 m) 4/3 = 0.0129 m
8. Pérdida de carga hidráulica para el 50% de obstrucción
Hf = V22-V1 ; hf= (0.6429 m/s)2- ( 0.45 m/s)2 = 0.0179 m
2g C 2*9.81m/s * 0.6
Ejercicio.
Una rejilla de barras circulares de 2 c m de diámetro instalada con una inclinaciónde 50º respecto a la horizontal con un espesamiento libre entre barras de 2.5 cm
recibe un caudal de L/s. Con una velocidad de 0.6 m/s y una profundidad de .75m
calcule el nº de rejas, cargas hidráulicas, área total, velocidad de flujo y la pérdida
de carga considerando una obstrucción del 30%.
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3.2 Almacenamiento de Excedentes [Igualación]
Igualación.
El i gualamiento c onsiste e a mortiguar l as v ariaciones par a l ograr un c audal
aproximadamente constante, tiene entre otros, los siguientes propósitos:
Superar l os pr oblemas oper acionales c ausados por l as v ariaciones d el
caudal.
Proveer un c ontrol adec uado d e pH par a m inimizar l os r equerimientos
posteriores de dosificación en procesos de neutralización.
Mejorar l a ef iciencia de los procesos de t ratamiento bi ológico al c ontrolar
las cargas de choque orgánicas.
Permitir descarga de caudales muy variables al alcantarillado municipal.
Proveer un flujo continuo en plantas de residuos industriales con operación
de procesos intermitentes.
Homogeneización o Igualación de Caudales
La ho mogeneización o i gualamiento consiste simplemente en am ortiguar por
laminación l as v ariaciones del c audal, c on el obj eto de c onseguir un c audal
constante o casi constante. Esta técnica puede aplicarse en s ituaciones diversas,dependiendo d e l as c aracterísticas de la red de al cantarillado. Se us a
principalmente para igualar:
a. Caudal en tiempo seco
b. Caudales pr ocedentes de redes de al cantarillado separadas en époc as
lluviosas
c. Caudales procedentes de redes de alcantarillado unitarias en combinación
de aguas pluviales y aguas residuales sanitarias.
d. Caudales de plantas industriales.
La apl icación de l a hom ogenización de c audales en el t ratamiento d el ag ua
residual, se da en «línea», en donde la totalidad del caudal pasa por el tanque de
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homogenización. E ste s istema per mite r educir l as c oncentraciones d e l os
diferentes constituyentes y amortiguar los caudales de forma considerable. En la
disposición «e n d erivación», sólo s e hac e pas ar p or el t anque de
homogeneización el caudal que excede un límite prefijado.
Las principales ventajas que produce la homogenización de l os caudales son las
siguientes:
a. Mejora del tratamiento biológico, ya que se eliminan o r educen las cargas
de choque, se diluyen las sustancias inhibidoras, y se consigue estabilizar
el pH.
b. Mejora de l a calidad del e fluente y del r endimiento d e l os t anques de
sedimentación secundaria al trabajar con cargas de sólidos constantes.
c. Reducción de l as s uperficies nec esarias par a l a filtración del ef luente,
mejora de los rendimientos de los filtros y posibilidad de conseguir ciclos de
lavado más uniformes.
d. Uniformiza la carga de sólidos sobre el sedimentador secundario y mejora
el espesamiento de los lodos.
e. En el t ratamiento q uímico, el a mortiguamiento de l as c argas a plicadas
mejora el control de l a dos ificación de l os r eactivos y l a f iabilidad del
proceso.
f. Aparte de l a mejora de l a mayoría de l as oper aciones y pr ocesos de
tratamiento, la homogenización del caudal es una opción al ternativa para
incrementar el rendimiento de las plantas de tratamiento que se encuentran
sobrecargadas.
Localización de las instalaciones de homogenización.
La ubicación óptima de l as instalaciones de homogeneización debe determinarse
para cada caso concreto. Dado que la localización óptima variará en función del
tipo de t ratamiento, de las características de la red de al cantarillado y de l as del
agua residual, de las condiciones físicas del sistema de conducción y del tipo de
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tratamiento, es pr eciso l levar a c abo un es tudio de tallado d e l as di ferentes
posibilidades. Probablemente, l a localización m ás i ndicada c ontinuará s iendo en
las plantas de tratamiento existentes o en fase de proyecto.
También es n ecesario c onsiderar l a integración de l as i nstalaciones d e
homogenización e n e l diagrama de f lujo de l os pr ocesos de tratamiento. E n
ocasiones, puede resultar más interesante situar la homogenización después del
tratamiento pr imario y ant es del biológico, pues así s e r educen los problemas
originados por el lodo y las espumas. Si las instalaciones de h omogenización se
sitúan p or del ante de l a s edimentación pr imaria y del t ratamiento bi ológico, el
proyecto deb e tener en c uenta la provisión de un g rado de mezclado suficiente
para pr evenir l a s edimentación de s ólidos y las v ariaciones de concentración y
dispositivos de aireación suficientes para evitar los problemas de olores.
Los tanques de igualamiento r equieren g eneralmente mezcla, para as egurar un
igualamiento adecuado y para prevenir asentamiento de sólidos sedimentables en
el tanque. Este tanque puede ser de profundidad variable, para proveer un caudal
constante, o de volumen constante y efluente igual al afluente, cuando el propósito
es i gualar c aracterísticas del afluente, c omo s u ac idez, al calinidad y pH , par a
optimizar tratamiento químico o bi ológico posterior. A continuación se muestra el
diagrama de flujo de una planta de tratamiento, figura No. 3.2.
Fig. No. 3.2 Diagrama de flujo de una PTAR con igualamiento en línea
Desarenador Tanque deIgualamiento
PTAR
ARCaudal
Cte.
Efluente
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3.3 Mezclado
Mezclado
El mezclado es una operación unitaria de gran importancia en cualquier fase del
tratamiento de aguas residuales, entre las que podemos citar:
Mezcla completa de una sustancia con otra
Mezcla de suspensiones líquidas
Mezcla de líquidos miscibles
Floculación
Transferencia
Como ejemplo, se puede citar el mezclado del cloro o hipoclorito con el efluenteprocedente de l os t anques de s edimentación secundaria, en l a úl tima parte de l
proceso. Los productos químicos se mezclan igualmente con el lodo para mejorar
sus características de deshidratación antes de la filtración a vacío. En el tanque de
digestión, se utiliza el mezclado frecuentemente para asegurar un contacto íntimo
entre el sustrato y los microorganismos. En el tanque del proceso biológico, el aire
deberá mezclarse con el lodo activado con el fin de proporcionar a los organismos
el oxígeno requerido.
La mayoría de las operaciones de mezclado relacionadas con el tratamiento de las
aguas residuales p uede c lasificarse en continuas y r ápidas c ontinuas ( 30
segundos o menos). Estas últimas suelen emplearse en los casos en los que debe
mezclarse una sustancia con otra, mientras que las primeras tienen su apl icación
en aquellos c asos e n los que debe m antenerse en s uspensión el c ontenido del
reactor o d el d epósito. A c ontinuación s e analiza cada uno de es tos t ipos de
mezclado.
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Mezcla rápida continua de productos químicos.
En el proceso de mezcla rápida continua, el principal objetivo consiste en mezclar
completamente una sustancia con otra. La mezcla rápida puede durar desde una
fracción d e s egundo has ta al rededor d e 30 s egundos. La mezcla r ápida d e
productos químicos se puede l levar a cabo mediante diversos sistemas, entre los
que destacan:
1. Resaltos hidráulicos en canales
2. Dispositivos Venturi
3. Conducciones
4. Por bombeo
5. Mediante mezcladores estáticos
6. Mediante mezcladores mecánicos
En l os c uatro pr imeros, el m ezclado s e c onsigue c omo c onsecuencia de l as
turbulencias que se crean en el régimen de flujo. En los mezcladores estáticos, las
turbulencias son inducidas y se producen como consecuencia de la disipación de
energía, por el us o d e i mpulsores g iratorios c omo; p aletas, t urbinas y hél ices;
mientras que e n l os m ezcladores mecánicos l as t urbulencias s e c onsiguen
mediante l a a portación de en ergía c on i mpulsores g iratorios c omo l as pal etas,
hélices y turbinas.
Mezcla continua en reactores y tanques de retención.
En el proceso de mezcla continua, el principal objetivo consiste en mantener un
estado de mezcla completa con el contenido del reactor o del tanque de retención.
El mezclado continuo puede llevarse a cabo mediante diversos sistemas, entre los
cuales se encuentran:
a. Mezcladores m ecánicos. S e lle va a c abo m ediante l os m ismos
procedimientos y medios que el mezclado mecánico rápido continuo.
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b. Mecanismos ne umáticos. S e a plica en l a i nyección de g ases, q ue
constituye un factor importante en el diseño de los canales de aireación del
tratamiento biológico del agua residual.
c. Mezcladores es táticos. Un c anal c on pantallas de flectoras es un t ipo de
mezclador estático que se emplea en el proceso de floculación.d. Por bombeo.
Suelen ut ilizarse al gunos dispositivos como l os ag itadores de paletas que giran
lentamente puesto que tienen una superficie grande de acción sobre el fluido. Los
agitadores de paletas se emplean como elementos de floculación cuando se debe
añadir al agua residual, o a l os lodos, coagulantes como el s ulfato férrico o d e
aluminio, o coadyuvantes a la coagulación como los polielectrolitos y la cal.
La coagulación se promueve, mecánicamente, con una agitación moderada con
palas g irando a v elocidades baj as. E sta acción s e complementa, en ocasiones,
con la disposición de unas hojas o láminas estáticas entre las palas giratorias para
reducir el movimiento circular de la masa de agua y favorecer así el mezclado. El
aumento del c ontacto ent re par tículas conduce a un i ncremento del t amaño del
flóculo, p ero una agitación de masiado v igorosa pue de pr oducir t ensiones q ue
destruyan los flóculos formando partículas de menor tamaño.
Es importante controlar adecuadamente la agitación, de modo que los tamaños de
los flóculos sean los adecuados y s edimenten rápidamente. La producción de un
buen flóculo requiere generalmente un tiempo de retención entre 10 y 30 minutos.
Los fabricantes de equipos han llevado a cabo numerosos estudios para obtener
las configuraciones idóneas de las dimensiones de las paletas, separación entre
ellas y velocidad de rotación. Se ha podido constatar que una velocidad l ineal de
aproximadamente, 0 .6 a 0 .9 m/s en l os extremos de l as paletas c rea s uficiente
turbulencia sin romper los flóculos.
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3.4 Floculación
Floculación.
Una parte esencial de cualquier sistema de precipitación química, o químicamente
asistida, es la agitación, con proyecciones a aumentar la posibilidad del contactoentre partículas (floculación), tras la adición de los productos químicos.
La floculación es un pr oceso químico mediante el c ual, c on l a adi ción d e
sustancias den ominadas floculantes, s e ag lutinan l as sustancias c oloidales
presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado.
Este proceso es pr ecedido por l a c oagulación, por es o s e s uele ha blar d e l os
procesos de coagulación-floculación. Ambos facilitan la retirada de las sustanciasen suspensión y de l as par tículas coloidales, de manera general se entiende en
dos pasos, estos son:
a. La coagulación es la desestabilización de las partículas coloidales causadas
por l a adi ción de un r eactivo q uímico l lamado coagulante, e l c ual,
neutralizando sus cargas electrostáticas, hace que las partículas tiendan a
unirse entre sí, y;
b. La floculación es l a ag lomeración de p artículas des estabilizadas e n
microflóculos y des pués en l os flóculos m ás g randes q ue t ienden a
depositarse e n el fondo d e l os r ecipientes c onstruidos p ara este fin,
denominados sedimentadores.
Los factores que pueden promover la coagulación-floculación son el gradiente de
velocidad, el tiempo y el pH. El tiempo y el gradiente de velocidad son importantes
al aumentar la probabilidad de que las partículas se unan y da más t iempo para
que las partículas desciendan, por efecto de la gravedad, y así se acumulen en el
fondo. Por otra parte el pH es un factor prominente en acción desestabilizadora de
las sustancias coagulantes y floculantes.
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La s olución floculante m ás adaptada a la nat uraleza de l as m aterias e n
suspensión con el fin de conseguir aguas decantadas l impias y l a formación de
lodos espesos se determina por pruebas, ya sea en laboratorio o en el campo.
En l a minería, l os floculantes ut ilizados s on pol ímeros s intéticos de al to p eso
molecular, c uyas m oléculas s on de c adena l arga y c on gran af inidad p or l as
superficies sólidas. Estas macromoléculas se f ijan por adsorción a las partículas y
provocan así la floculación por formación de puentes interpartículas.
La floculación s e ve favorecida por una ag itación moderada c on paletas a poc a
velocidad. A veces la acción es mejorada por la instalación de paletas auxiliares
fijas, o p aletas es táticas, s ituadas entre l as pal etas móviles, q ue s irven par a
interrumpir l a r otación de m asa del l íquido y ac tivar el m ezclado. U n mayor
contacto entre las partículas favorecerá la formación de flóculos; sin embargo si la
agitación fuese d emasiado fuerte, l os es fuerzos c ortantes q ue s e pr oducen
romperán el f lóculo e n partículas m ás peq ueñas. La agitación d ebe controlarse
con mucho c uidado, de modo q ue l os flóculos s ean d el t amaño adecuado y s e
depositen rápidamente.
Se han realizado numerosos experimentos por parte de fabricantes de equipos y
operadores de plantas para determinar la configuración óptima del tamaño de lapaleta, su espaciamiento y velocidad. Se ha comprobado que una velocidad en la
punta de l a pal eta de apr oximadamente 0. 6 a 0. 9 m /s c onsigue s uficiente
turbulencia sin romper el floculo.
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3.5 Sedimentación [desarenación y clarificación]
Sedimentación.
La sedimentación consiste en la separación, por la acción de la gravedad, de las
partículas suspendidas cuyo peso específico es mayor que el del agua. Es una delas operaciones unitarias más utilizadas en el tratamiento de las aguas residuales.
Los términos sedimentación y decantación se utilizan indistintamente.
Esta o peración s e e mplea p ara l a eliminación d e ar enas, de l a materia en
suspensión, del flóculo b iológico en l os dec antadores s ecundarios, en l os
procesos d e lodo activado, t anques de d ecantación pr imaria, de l os f lóculos
químicos cuando se emplea la coagulación química; y para la concentración de
sólidos en los espesadores de lodo.
En l a mayoría de l os c asos, el objetivo pr incipal es l a ob tención de un efluente
clarificado, per o t ambién es nec esario pr oducir un lodo cuya c oncentración d e
sólidos per mita s u fácil t ratamiento y m anejo. E n el pr oyecto de t anques d e
sedimentación, es ne cesario pr estar at ención en l a obtención d e un e fluente
clarificado, así como a la producción de un lodo concentrado.
En función de la concentración y de la tendencia a la interacción de las partículas,
se pueden producir cuatro tipos de sedimentación:
a. Discreta
b. Floculenta
c. Retardada (también llamada zonal)
d. Compresión
En la siguiente tabla se resume cada una de ellas.
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Tipo de fenómeno
Sedimentación Descripción
Aplicación/Situaciones
en que se presenta
Partículasdiscretas
(Tipo 1)
Se refiere a la sedimentación de partículasen una suspensión con baja concentraciónde s ólidos. L as par tículas s edimentancomo entidades individuales y no existeinteracción sustancial c on l as par tículasvecinas.
Eliminación de l as ar enas de lagua residual.
Floculenta
(Tipo 2)
Se refiere a una suspensión bastantediluida de partículas que se agregan, ofloculan, durante e l pr oceso de
sedimentación. A l u nirse, l as par tículasaumentan de masa y sedimentan a mayorvelocidad.
Eliminación de una fracción delos s ólidos en s uspensión d elagua residual br uta e n lostanques de s edimentación
primaria, y en la zona superior delos dec antado-res s ecundarios.También elimina los flóculosquímicos de l os t anques desedimentación.
Retardada,
llamada zonal
(Tipo 3)
Se r efiere a s uspensiones deconcentración i ntermedia, en l as que lasfuerzas ent re par tículas s on s uficientespara e ntorpecer l a s edimentación de laspartículas vecinas. Las partículas tienden apermanecer en posiciones relativas fijas, y
la masa de partículas sedimenta como unaunidad. Se desarrolla una interfase sólido-líquido en la parte superior de la masa quesedimenta.
Se presenta en l os t anques desedimentación secundariaempleados en las instalaciones
de tratamiento biológico.
Compresión
(Tipo 4)
Se refiere a la sedimentación en la que laspartículas están concentradas de talmanera que s e forma una estructura, y l asedimentación s ólo puede t ener l ugarcomo c onsecuencia d e l a c ompresión deesta estructura. La compresión se producepor e l peso de l as partículas, que se v anañadiendo constantemente a l a es tructurapor s edimentación des de el líquidosobrenadante.
Generalmente, s e pr oduce enlas capas inferiores de una masade f ango d e gr an es pesor, t alcomo oc urre en el f ondo de l osdecantadores secundariosprofundos y en l as i nstalaciones
de espesamiento de fangos.
Tabla No. 3.3 Tipos de s edimentación que i ntervienen en el t ratamiento del ag ua
residual
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Sedimentación acelerada
La s edimentación, s e pr oduce de bido a l a ac ción d e l a fuerza de l a g ravedad
dentro d e u n c ampo de aceleración constante. L a eliminación de p artículas
sedimentables también puede llevarse a c abo aprovechando las propiedades de
un campo de aceleraciones variable.
Para la el iminación de arenas del agua residual se han desarrollado numerosos
aparatos que aprovechan tanto l a acción de las fuerzas gravitacionales, como la
acción de la fuerza centrífuga y l as velocidades inducidas. Los principios en los
que se basa uno de estos aparatos, conocido como Teacup separator (separador
en f orma de t aza de t é). A pr imera v ista, el s eparador t iene forma de c ilindro
achatado. El ag ua r esidual s e i ntroduce t angencialmente c erca del fondo del
cilindro, y se extrae por la parte superior del mismo, también tangencialmente. La
arena se extrae por una abertura dispuesta en el fondo del elemento.
Aplicación.
La sedimentación es la separación de partículas suspendidas más pesadas que el
agua mediante la acción de la gravedad, el propósito fundamental es obtener un
efluente c larificado s in em bargo s e pr esenta t ambién un l odo c oncentrado con
base a l a concentración y la tendencia de interacción entre la pa rtículas pueden
efectuarse c uatro c lasificaciones g enerales s obre la f orma en que dichas
partículas se depositan.
Tipo No.1. Se refiere a la sedimentación discreta de partículas en una suspensión
de concentración baja, las partículas se depositan como entidades individuales y
no existe interacción con las partículas próximas.
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La s edimentación d e par tículas di scretas se analizan mediante l as l eyes
señaladas por Newton y Stokes.
Newton
… (3.1)
Donde:
Vs = Velocidad de Sedimentación
ρs = Densidad de la partícula
ρL = Densidad del fluidog = Constante de la gravedad
φ = Diámetro de la partícula
CD= Coeficiente de fricción
Stokes
CD= 24/ (NRe) zona de stokes flujo laminar
CD= 24/(Nre)+ 3/ NRe+ 0.34 flujo turbulento
…(3.2)
Donde:
Vs= Velocidad de sedimentación
ρs= Densidad de la partícula
ρL= Densidad del fluido
φp2= Diámetro de la partícula
µ= Viscosidad del liquido
(ρs- ρL) g φ Vs = 4
3CD ρL
3/2
g (ρs-ρL) φp2
Vs =
18 µ
Newton
Stokes
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Tipo No. 2. Se refiere a una s uspensión di luida de p artículas que se agregan a
floculan durante la sedimentación. Al agregarse las partículas aumenta su masa y
se depositan más rápidamente.
El efecto de la floculación depende de las oportunidades de contacto que tenganlas partículas y que varía con respecto a los siguientes factores:
a. Gradientes de velocidad del sistema
b. Concentración de partículas
c. Gama de tamaños
d. Profundidad del tanque
e. Flujo de alimentación
El e fecto d e t odas estas v ariables p uede de terminarse s olamente mediante
pruebas experimentales.
Tipo No. 3. Tiene lugar en s uspensiones de concentración intermedia donde las
fuerzas interpartículas son suficientes para retardar la sedimentación de partículas
vecinas. Las partículas tienden a prevalecer entre sí en posiciones fijas y la masa
de las mismas se deposita como una unidad. En la parte superior de los lodos se
desarrolla una interfase solidó-liquido bien diferenciada.
Tipo No. 4. Tiene lugar cuando las partículas alcanzan tal concentración que se
forma una es tructura en l a q ue s e forma una es tructura en l a q ue s olo pu ede
producir un asentamiento por compresión. La compresión ocurre por el peso de
las par tículas q ue c ontinuamente se va añadiendo y se presenta en l a zona de
lodos.
Velocidad de sedimentación
Durante la primera etapa esta es constante y a medida que el solidó se acumula
en la zona de compresión la velocidad disminuye constantemente hasta alcanzar
la altura final y el punto crítico se alcanza cuando la velocidad de s edimentación
en su primera etapa deja de ser constante.
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Aplicaciones.
Se emplean para separar materiales más pesados que la materia orgánica
en descomposición como arenas, gravas o cenizas.
Protegen bombas y ot ros eq uipos del desgaste ( abrasión) ev itando
obstrucciones y taponamientos.
Deberán tener poca profundidad.
El tiempo de retención va de 20 a 60 s.
Su forma general es de grandes canales. Cuya velocidad recomendable es
de 0.3m/s para q ue l os s ólidos or gánicos pes ados s e d epositen
manteniéndose en suspensión, los s ólidos or gánicos l igeros y l os
inorgánicos finos (menores .2mm)
Se recomienda un ancho del desarenador de 0.6m
Ejemplo
Se considera diseñar un sedimentador para proteger los equipos de bombeo de
una planta de tratamiento. Los datos son:
Q= 400 m3/dia
φ= 0.07mm
Ss= Densidad específica = 2.65
T= 20 ºC
γ = Viscosidad cinemática = 0.986 E-2 cm2/s
Determine la superficie del desarenador para obtener una separación del 70% de
las partículas.
1 cm10 mm = 0.007 cm
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Metodología.
1. Aplicar Stokes
2. Validar Stokes con Reynolds
NRe< 2 ------------ Stokes (Flujo laminar)
2< NRe < 500 ----- Allen (Flujo transición)
NRe > 500 -------- Newton (Flujo turbulento)
3. Si es flujo laminar, el flujo se saca directamente
4. Si es flujo t urbulento la velocidad de sedimentación s e calcula en función dediámetro o del coeficiente de fricción.
…(3.3)
Vs = g Ss-1 φP2
18 µ
1. Vs= (981 cm/sec) 2.65-1(0.007cm) = 0.4465 cm/s
(18) (0.9867E-2 cm2/s )
2. NRe= Vs φP µ
= (0.4465 cm/s)(0.007 cm) = 0.3168 0.9867E-2 cm2/s
3. A= Q/Vs= 4000 m3/dia
0.4465 cm 1 m 60 s 60 min 24 h = 385.776 m/dias 100 cm 1 min 1 h 1 dia
Área= 4000 m3/dia = 10.3687 m2 385.776 m/dia
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4.10.3687 m2 ------100%7.2581 m2 ------ 70%
5.- A= LW ; L= A/W = 7.2581 m
2
= 12.0968 m 0.6 m
6.- Tirante (profundidad)
H= Q/Vc (1/W)
Q= Gasto
Vc= Velocidad de arrastre
W= Ancho
Vc= 8 β g φP ( SS-1) ½ F
Donde:
Vc= Velocidad de arrastre (mm/s)
β= Constante; 0.04--- Arena granular
0.06--- Material no uniforme y que tiende a flocularse
F= Factor de fricción de Weisbach-Darcy = 0.003
El sedimentador queda con las siguientes dimensiones:
L= 12.0968 m
W=0.60 m
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Ejercicio.
El caudal promedio afluente para una pequeña planta de t ratamiento ARM es de
0.05 Mgal/día con una tamaño de partícula 3.28 E- 4 pies con una temperatura de
20 C° cuya viscosidad cinemática es de 1.003E-6 m2/s, una separación del 85 %
una constante (β) igual a .006 una gravedad Ss=1.125 (densidad especifica), unfactor de fricción(f) igual a 0.025
Flujo Turbulento
Los pasos a seguir son:
1. = [ (g(Ss-1)/γ]1/3 = Vc = [4NRe/3CD]1/3
2. = NRe= (Vs * Øp)/ γ
3. = [Vs/ g(Ss-1)/γ]1/3
4. = Vs= Vc [g(Ss-1)/γ]1/3
5. = A= Q/Vs
Ejemplo.
Calcular los par ámetros de di seño par a un des arenador c on l as s iguientes
características φp 0.002cm, densidad relativa Ss= 2.65, µ cinemática= 1.0105 E-2
cm2/s, temperatura 20 °C, caudal= 200 L/sec al 100%, Q caudal= 200 L/s a m 3/dia= 17,280
1. Vs= [(g (ss-1))/18 * γ] *Øp 2
Vs= [(981 (2.65-1))/18 * 1.0105 E-2 cm2/s] * (0.002cm) 2
Vs= 0.0355 cm/s
2. NRe= (Vs * Øp)/ γ
NRe= (0.0355 cm/s * 0.002cm)/ 1.0105 E-2 cm2/s
NRe= 0.007026 Flujo Laminar
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3. Área = Q / Vs
A= 17280 m3/dia / 30.672 m/dia
A= 563.3802 m2
4. 563.3802 m
2
– 100%-- 85%
5. A= L*W L= A/W
L= 563.3802 m2 / 0.6 m
L= 938.967 m
6. Tirante
Vc= [(8*0.06*9810 mm/s *0.02 mm *1.65)/0.03]1/2
Vc= 71.9699 mm/s
Vc= 621.8199 m/dia
H=[ 17280 m3/dia / 621.8199m/dia ]* [ 1/0.6m]
H= 46.31 m
Se propone construir dos sedimentadores en paralelo
Ejercicio.
Se co nsidera diseñar un s edimentador par a una planta de t ratamiento, con l os
siguientes datos.
φp=0.25 cm
Ss=2.65
T=20 °C
µ=0.9867 E-2 cm2/s
Q= 83750 m3/dia
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Consideraciones.
1. El periodo de diseño teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es
de 8 a 16 años.
2. El nú mero de u nidades m ínimas e n par alelo es d e dos par a e fectos demantenimiento.
3. El periodo de operación recomendable es de 24 h.
4. El tiempo de retención recomendable será entre 2 y 6 h.
5. La carga superficial estará entre los valores de 2 a 10 m3/m2dia
6. La profundidad del sedimentador recomendable será entre 15 m y 2.5 m
7. La relación de las dimensiones del largo y ancho serán entre los valores de
3 a 6
8. La relación de l as dimensiones de largo y profundidad (l/h) será entre los
valores de 5 a 20
9. El fondo de la unidad debe tener una pendiente entre 5 a 10% para facilitar
el deslizamiento del sedimento
10. La velocidad en los orificios no debe ser mayor a 0. 15 m/s para no crear
perturbaciones dentro de la zona de sedimentación
11. La descarga de lodos se debe ubicar en el primer tercio de la unidad pues
el 80% del volumen de los lodos se depositan en esta zona.12. Se recomienda un caudal por m etro l ineal de r ecolección en l a zona de
salida igual o inferior a 3 l/s
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3.6 Flotación
Flotación
La f lotación es una oper ación unitaria que se em plea par a la separación de
partículas s ólidas o l íquidas de una f ase líquida. La s eparación s e c onsigueintroduciendo f inas burbujas d e gas, n ormalmente aire, en l a fase l íquida. La s
burbujas se adhieren a las partículas, y la fuerza ascensional que experimenta el
conjunto partícula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del líquido.
De esta forma, es posible hacer ascender a la superficie partículas cuya densidad
es mayor que la del líquido, además de favorecer la ascensión de las partículas
cuya densidad es inferior, como el caso del aceite en el agua.
En el t ratamiento de aguas residuales, la flotación se emplea para la eliminación
de l a m ateria s uspendida y par a l a c oncentración de l os lodos biológicos. La
principal ventaja del proceso de flotación frente al de sedimentación consiste en
que permite eliminar mejor y en m enos t iempo las partículas pequeñas o l igeras
cuya deposición es l enta. U na v ez que las par tículas s e hallan en la superficie,
pueden recogerse mediante un rascado superficial.
La aplicación práctica de la flotación en las instalaciones de t ratamiento de aguasresiduales ur banas s e l imita, en l a ac tualidad, al us o d el ai re c omo ag ente
responsable del fenómeno. Las burbujas se añaden, o s e induce a su formación,
mediante uno de los siguientes métodos:
1. Inyección de aire en el líquido sometido a presión y posterior liberación de
la presión a que está sometido el líquido (flotación por aire disuelto).
2. Aireación a presión atmosférica (flotación por aireación).
3. Saturación con aire a l a presión atmosférica, seguido de la aplicación del
vacío al líquido (flotación por vacío).
En todos estos sistemas, es posible mejorar el grado de eliminación y rendimiento
mediante la introducción de aditivos químicos.
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1. Flotación por aire disuelto (FAD).
En los sistemas FAD (Flotación por Aire Disuelto), el ai re se disuelve en el agua
residual a una presión de varias atmósferas, y a continuación se libera la presión
hasta alcanzar la atmosférica. En las instalaciones de pequeño tamaño, se puede
presurizar la totalidad del caudal a tratar de 275 a 230 kPa, mediante una bomba,
añadiéndose el aire comprimido en la tubería de aspiración de la bomba. El caudal
se mantiene bajo presión en un calderín durante algunos minutos, para dar tiempo
a q ue el ai re se disuelva. A c ontinuación, el l íquido pr esurizado se al imenta al
tanque de flotación a t ravés de una v álvula reductora de presión, lo cual provoca
que el aire d eje de estar en disolución y q ue s e formen di minutas b urbujas
distribuidas por todo el volumen de líquido.
En las instalaciones de mayor tamaño, se recircula parte del efluente del proceso
de F AD ( entre el 15 y el 120%), el c ual se pr esuriza, y s emisatura c on aire. E l
caudal recirculado se mezcla con l a corriente principal sin presurizar antes de l a
entrada al t anque d e f lotación, l o q ue pr ovoca q ue el ai re dej e de es tar e n
disolución y ent re en contacto con las partículas sólidas a l a entrada del tanque.
Las pr incipales apl icaciones d e l a flotación por ai re di suelto s e c entran en el
tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de lodos.
2. Flotación por aireación.
En los s istemas de flotación por ai reación, l as bur bujas d e ai re s e i ntroducen
directamente en la fase líquida por medio de difusores o turbinas sumergidas. La
aireación directa durante cortos periodos de tiempo no es especialmente efectiva a
la hora de conseguir que los sólidos floten. La instalación de tanques de aireación
no suele estar recomendada para conseguir la f lotación de las grasas, aceites ysólidos presentes en las aguas residuales normales, pero ha resultado exitosa en
el caso de algunas aguas residuales con tendencia a generar espumas.
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3. Flotación por vacío.
La flotación por vacío consiste en saturar de aire el agua residual, puede darse de
dos formas
a. Directamente en el tanque de aireación
b. Permitiendo q ue el a ire penet re e n el c onducto de as piración de un a
bomba.
Al apl icar un v acío par cial, el aire di suelto ab andona l a s olución e n forma de
burbujas diminutas. L as bur bujas y l as par tículas sólidas a l as que s e adhieren
ascienden e ntonces a l a s uperficie par a formar u na c apa de espuma q ue s e
elimina mediante un mecanismo de rascado superficial. La arena y demás sólidos
pesados, que se depositan en el fondo, se transportan hacia un cuenco central delodos para su extracción por bombeo.
En el caso de que la instalación esté prevista para la eliminación de las arenas y si
el lodo ha d e s er di gerido, es nec esario s eparar l a ar ena d el lodo en un
clasificador de arena antes del bombeo a los digestores.
Aplicaciones.
Separación de grasa, aceites, fibras y otros sólidos de bajo peso molecular.
Espesado de lodos procedente de lados activados.
Espesado de lodos procedente de floculación.
Separación de algas en efluentes de lagunas de estabilización.
En procesos de tratamiento la flotación se puede incorporar:
Como unidad d e pr etratamiento antes de l a uni dad d e s edimentación
primaria.
Como unidad de tratamiento primario.
Como u nidad de p retratamiento de A R ant es d e l a des carga al
alcantarillado municipal.
Como unidad de tratamiento de efluentes de lagunas de estabilización para
remoción de algas.
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Para flotación de floc´s livianos.
Para flotación para algas coaguladas.
Como unidad específica de flotación para remover material suspendido no
removido con otros procesos.
Para recuperación de materias primas o subproductos de interés.
Consideraciones de Diseño
Para el diseño de los sistemas de flotación el parámetro utilizado es la relación de
los parámetros y sólidos.
…(3.4)
Donde:
A: Se obtiene a partir de determinaciones de aire disuelto (mg/l) en los puntos de
muestreo.
…(3.5)
…(3.7)
Donde:
P: Presión del sistema o del funcionamiento [atm]
F: Factor que toma en cuenta la saturación incompleta del aire y dependiendo
del diseño del tanque de retención.
F: [0.5 – 0.8]: generalmente
F: 0.5 concreto
Sa: Solubilidad del aire [mg/L]
ρa= Densidad del aire [mg / cm3]
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Donde:
C2= Solubilidad del aire en agua [mg / L]
C1 = Concentración de aire en agua
C1= F P Sa f
Xo = Ss = Concentración de sólidos en agua.P = Presión
…(3.8)
…(3.9)
Factores que afectan el diseño de las unidades de Flotación son:
Concentración de sólidos Cantidad de aire
Volumen de crecimiento de partículas
Q de alimentación
La solubilidad del aire en el agua varía con respecto a la temperatura, como se
muestra en la tabla No. 3.4.
T ( C) Sa (cm /L) aire (mg / cm3)
0 29.2 1.2915
10 22.8 1.2444
20 18.7 1.193 aprox 2.0
30 15.7 1.1555
Tabla 3.4 Solubilidad del aire a P=1 atm y diferente Temperatura
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Reactivos
Fig. 3.3. Diagrama de un sistema de flotación sin recirculación
Superficie Requerida
Sin Recirculación
…(3.10)
Donde:
A= Área (m2)
Q= Gasto (m3/día)
Fc= Factor carga
Tanque depasteurización
Efluenteclarificador
Tanque demezcla dereactivos
Bomba de Alimentaciónde reactivos
TanqueMezcla
Bomba depresurización
Válvula de controlde presión
Sistema de recolección del lododel fondo extracción de lodossedimentables
Mecanismo barrenadorde flotantes
MBFRebose flotantes
Lodos presentescon volumendespreciable
Tanque deflotación
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Con recirculación
A= …(3.11)
S= …(3.12)
S= …(3.13)
…(3.14)
A= …(3.15)
Donde:
A= Área
Q= Gasto
R=Recirculación
Fc=Factor de carga Gasto por unidad de área.
Nota: Estos sistemas implican conocer la presión requerida de operación y el área
de la unidad de flotación.
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Fig. 3.4. Diagrama de un sistema de flotación con recirculación
Ejemplo
Se es tá pr obando un s istema de flotación en el l aboratorio p ara un ag ua R
determinando l os s iguientes p arámetros y c onsiderando q ue n o ex iste
recirculación Q= 4000 Xo=250mg/l sólidos y un Fc= 7.32
Determine la Presión del sistema y el área requerida considere un T
Q=4000
Xo=250 mg/l
A/S=.04 kg aire/kg sol
Fc= 7.32
P=?
4000 m3/h
Tanque demesclas dereactivos
Bomba de AlimentaciónDe reactivos
Reactivos
Rebose de flotantes
Lodospresentes Tanque de flotación Q
Tanque deasteurizació
Efluenteclarificador
Efluentereciculado
Bomba depresurización
Mecanismo barrenador deFlotantes
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Sustituyendo:
P =
A= =
R=
Ejercicio
Para la aplicación del ejemplo anterior, diseñar un sistema de flotación con
reciclado. Considerando una presión de funcionamiento de 2.9 atm.
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3.7 Filtración en medio granular (filtros de arena)
Filtración.
A pes ar de q ue l a f iltración es una de l as pr incipales oper aciones uni tarias
empleadas en el tratamiento del ag ua potable, la f iltración de efluentes
procedentes de pr ocesos de t ratamiento de ag uas r esiduales e s una pr áctica
relativamente reciente. Hoy en dí a, la filtración se emplea, de modo generalizado,
para conseguir una mayor eliminación de sólidos en suspensión (incluida la DBO y
la materia particulada) de los efluentes de los procesos de tratamiento biológicos y
químicos, y también se emplea para la el iminación del fósforo precipitado por vía
química.
El diseño de los filtros y la valoración de su eficacia debe basarse en:
a. La comprensión de las variables que controlan el proceso
b. El conocimiento del mecanismo, o mecanismos, responsables de la
eliminación de la materia particulada del agua residual.
La operación de los filtros está en función de los siguientes factores:
1. Descripción de la operación de filtración.
2. Clasificación de los sistemas de filtración.
3. Variables que gobiernan el proceso
4. Mecanismos de eliminación de las partículas
5. Análisis general de la operación de filtración
6. Análisis de la filtración de aguas residuales
7. Necesidad de estudios en planta piloto.
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Descripción de la operación de filtración
La op eración c ompleta de filtración c onsta de dos fases: filtración y l avado o
regeneración ( comúnmente l lamada l avado a c ontracorriente). M ientras l a
descripción d e los f enómenos q ue s e pr oducen durante la fase de f iltración es ,
prácticamente, idéntica para todos los sistemas de filtración que se emplean para
las aguas residuales, la fase de lavado es bastante diferente en función de si el
filtro es d e funcionamiento c ontinuo o s emicontinuo. Tal c omo ex presan s us
nombres, en los filtros de funcionamiento semicontinuo la filtración y el lavado son
fases q ue s e dan u na a c ontinuación de l a ot ra, mientras q ue en l os filtros d e
funcionamiento continuo ambas fases se producen de forma simultánea.
Operaciones de filtración semicontinuas.
Se identifican tanto la fase de filtración como de l avado de un filtro convencional
de funcionamiento s emicontinuo. La fase de filtración en l a q ue s e el imina l a
materia particulada, se l leva a c abo haciendo circular el agua través de un l echo
granular, con o sin la adición de reactivos químicos. Dentro del estrato granular, la
eliminación de los sólidos en suspensión contenidos en el agua residual se realiza
mediante un complejo proceso en el q ue intervienen uno o más mecanismos de
separación como el tamizado, interceptación, impacto, sedimentación y adsorción.
El f inal d el c iclo de filtrado ( fase de filtración), s e al canza c uando e mpieza a
aumentar el contenido de sólidos en suspensión en el efluente hasta alcanzar un
nivel máximo aceptable, o cuando se produce una pérdida de carga prefijada en la
circulación a t ravés del l echo filtrante. Idealmente, a mbas c ircunstancias s e
producen simultáneamente.
Una vez que se ha alcanzado cualquiera de estas condiciones, se termina la fasede filtración, y s e de be l avar el f iltro a c ontracorriente par a el iminar l a m ateria
(sólidos en s uspensión) q ue s e h a ac umulado en el s eno d el l echo g ranular
filtrante.
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Para el lo, s e a plica un c audal de ag ua de l avado s uficiente para fluidificar
(expandir) el medio filtrante granular y arrastrar el material acumulado en el lecho.
Para mejorar y favorecer la operación de lavado del filtro, suele emplearse una
combinación de agua y aire. En la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas
residuales, el ag ua d e l avado, q ue c ontiene l os s ólidos en s uspensión q ue s eeliminan en el pr oceso de filtración, s e r etorna a l as i nstalaciones d e
sedimentación primaria o al proceso de tratamiento biológico.
Clasificación de los sistemas de filtración
Se ha proyectado y construido diversos modelos y sistemas de funcionamiento de
filtros. Los principales tipos de filtros de medio granular se clasifican atendiendo a:
Tipo de funcionamiento;
Tipo de medio filtrante empleado;
Sentido de flujo durante la fase de filtración;
Procedimiento de lavado a contracorriente
Método de control del flujo.
En el tratamiento de aguas residuales, la filtración es una operación utilizada pararemover sólidos, material no sedimentable, turbiedad, fósforo, DBO, DQO, metales
pesados, v irus; es decir, par a asegurar una c alidad s uperior del e fluente
secundario. La mayor experiencia en l a utilización de la filtración para tratamiento
de ag uas, pr oviene d el diseño y operación de f iltros de m edio granular para la
obtención de agua potable. Sin embargo, aunque el diseño, la configuración física
y l a oper ación de l os f iltros t ienen l os m ismos pr incipios básicos en a mbas
aplicaciones, deb e c onsiderarse q ue hay di ferencias m uy i mportantes e ntre l aaplicación de la filtración para agua potable y para efluentes secundarios de aguas
residuales.
La filtración s e puede us ar par a depurar ef luentes s ecundarios, s in ag regar
coagulantes; c on agregación, antes d e l a filtración o a ntes de l s edimentador
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secundario, y para depurar aguas residuales, previamente coaguladas, floculadas
y sedimentadas, en una planta de t ratamiento fisicoquímico. La r emoción de los
sólidos s uspendidos c ontenidos e n el ag ua r esidual, de ntro d el l echo f iltrante
granular, en t odos l os c asos, es el r esultado de u n proceso m uy c omplejo q ue
involucra m ecanismos de r emoción di ferentes c omo el c ribado, adsorción,absorción, floculación y sedimentación.
El f iltro típico convencional monomedio, es el que ut iliza arena o ant racita como
medio filtrante y opera por g ravedad con tasa d e filtración c onstante o v ariable.
Otro filtro es el ascensional profundo monomedio, este cuenta con las siguientes
ventajas:
La filtración pr ocede de un medio g rueso a f ino, ut iliza s olo un m edio
filtrante y permite usar un m edio c on tamaño e fectivo m ás g rande y con
mayor coeficiente de uniformidad.
El tiempo requerido para lavado es menor porque el tiempo de d renaje es
mínimo.
Se puede usar agua cruda para lavado, disminuyendo la cantidad de agua
que debe filtrarse dos veces.
La pr incipal desventaja de es ta úl tima configuración, radica en l a nec esidad d e
proveer una rejilla que retenga el medio filtrante en su sitio, cuando se ejerce la
fuerza ascensional para la filtración.
Los filtros de presión pueden necesitarse para un diseño económico y se usan en
plantas p equeñas; es es tas l a filtración s e r ealiza en un t anque c errado, c on
presión s uministrada por una b omba, p or l o q ue pued en op erar c on pér didas
finales de energía al tas, menor consumo d e lavado. C omo d esventaja d e estos
filtros e s la d ificultad p ara hac er obs ervación, i nspección y c ambio d el m edio
filtrante, a menos que se cuente con un acceso fácil al filtro.
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El diseño de un filtro para aguas residuales requiere de una selección apropiada
del tamaño del medio filtrante, de la profundidad del lecho de filtración, de la tasa
de filtración y de la perdida de la carga disponible para filtración. Evidentemente, la
mejor m anera de seleccionar di chos par ámetros y proveer un di seño de costo
mínimo es desarrollar un es tudio c on l a pl anta piloto q ue permita de ducir l osrequisitos del sistema de filtración.
Las recomendaciones principales para diseño de filtros, destinados al t ratamiento
de efluentes secundarios, son:
Se de be evaluar l a v ariabilidad de l a carga hi dráulica y de s ólidos
suspendidos para evitar carreras cortas de f iltración y consumos excesivos
de agua de lavado.
Es pr eferible utilizar f iltros q ue p ermitan l a pen etración de s ólidos
suspendidos, es dec ir, s istemas de filtración de g ruesos a finos. El medio
filtrante sobre el lado de entrada del afluente debe tener un tamaño efectivo
no menor de 1 a 1.2 mm.
La tasa de lavado debe ser suficiente para fluidizar los granos más gruesos
de cada componente del lecho filtrante. Medios más uniformes reducirán la
tasa de lavado requerida y son más deseables, aunque más costosos. Se debe evaluar el e fecto de l a recirculación del agua de l avado, a t ravés
de la planta, sobre la tasa de filtración y sobre la duración de la carrera de
filtración.
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Autoevaluación.
1. En un curso de agua se coloca un vertedor, calcule el gasto, si:
a. El vertedor es rectangular con dos contracciones laterales: L= 1.3 m, H=
1.5 in, n=2
b. El vertedor triangular de pared delgada con carga de 37cm, ángulo 80° en
la escotadura.
2. U na c omunidad r ural de 80 v iviendas considera l a i nstalación de una r ed d e
alcantarillado. Estime el caudal del agua residual si 40 v iviendas son nuevas, 30
viviendas son viejas y las 10 restantes son casas de veraneo ¿Qué porcentaje del
agua de abastecimiento r epresenta el c audal d el ag ua r esidual s i el ag ua
consumida es de 8000 gal/dia?
3. Estime el caudal pico en una zona que cuenta con un hotel vacacional de 250
habitaciones, una tienda para turistas, una zona de campamentos para capacidad
de 120 personas, un centro de visitas, una prisión con 150 reclusos, un hospital
médico con 120 camas y una oficina con 160 empleados. Exprese en forma clara
los aporte base adoptados para el cálculo.
4. S e r equiere di señar una r ejilla par a u n i nfluente d e ag ua residual de u na
población 1 75000 habitantes y un c onsumo de 15 0 l itros al día, c onsidere l os
siguientes parámetros para una limpieza manual:
a. Barras rectangulares. d. Separación entre barras: 40 mm.
b. Rejilla con el 40% de obstrucción. e. Ángulo (pendiente en relación a la
vertical): 45 °
c. Ancho de la barra: 25 mm. f. Profundidad de la rejilla: 120cm
g. Velocidad de flujo: 0.5 m/sec.
Calcular:
1. Número de barras 5. Pérdida de carga hidráulica (hL)
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2. Área de entrada de cada reja. 6. Pérdida de carga hidráulica con
obstrucción.
3. Velocidad de flujo al pasar la reja. 7. Caudal medio.
4. Carga de velocidad de
acercamiento (hv)
8. Longitud sumergida
9. Nivel del agua
5. Se considera diseñar un sedimentador, de acuerdo a los siguientes parámetros:
Q= 41 L/sec, φ= 0.075mm, Ss=2.65, γ = 0.9186E-2 a una temperatura de 24°C.
Calcular:
1. Superficie del desarenador. (Largo,
ancho, tirante)
3. Velocidad de arrastre.
2. Velocidad de sedimentación.
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UNIDAD IV
TRATAMIENTO DE LODOS.
OBJETIVO.
El estudiante conocerá y c omprenderá la i nformación r elativa a l os l odos
generados en las plantas de tratamiento de aguas y aguas residuales, así como
sus c aracterísticas y l os métodos a mbientales adec uados par a su m anejo y
disposición.
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4.1Origenes y formas de tratamiento (Posibles combinaciones)
Los pr incipales c onstituyentes del ag ua r esidual el iminados e n las pl antas d e
tratamiento i ncluyen basura, ar ena, y l odo. El l odo ex traído y pr oducido en las
operaciones y pr ocesos de t ratamiento de l as ag uas r esiduales g eneralmente
suelen ser un l íquido-semisólido con gran contenido de sólidos que están entre el
0.25 y el 12% en peso. El lodo es, por mucho el constituyente de mayor volumen
eliminado en los tratamientos y está formado por las sustancias responsables del
carácter desagradable de las aguas residuales no tratadas. Los lodos producidos
en el t ratamiento bi ológico debe n s er es tabilizados, es pesados y des infectados
antes de ser retirados del sitio de tratamiento.
En los tanques de s edimentación se producen grandes volúmenes de l odos conalto contenido de ag ua; s u deshidratación y di sposición final representa un al to
porcentaje del costo general del tratamiento.
Los l odos q ue s e p roducen en l os procesos de tratamiento de ag uas s on
principalmente los siguientes.
Lodo primario proveniente de la sedimentación del agua residual.
Lodo secundario proveniente del tratamiento biológico de aguas residual.
Lodos digeridos proviene de los dos anteriores, separados o mezclados.
Lodos provenientes de la coagulación y sedimentación de ag uas y aguas
residuales.
Lodos provenientes de plantas de ablandamiento.
Lodos provenientes de rejillas y desarenadores.
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4.2 Cantidades y características
Los lodos son una mezcla de aguas negras y sólidos sedimentables dependiendo
de su origen reciben el nombre como: primarios, secundarios, lodos activados o
lodos químicos. Estos son los términos descriptivos más comunes, algunas otrasson lodos del tanque Imhoff o del tanque séptico.
Las características de es tos varían mucho dependiendo de s u origen y s u edad,
del t ipo de proceso del cual provienen, como se muestra en la tabla No. 4.1. El
volumen del lodo que se produce en un tanque de sedimentación debe conocerse
o estimarse para cuantificar los diferentes componentes del sistema de tratamiento
y di sposición de l os l odos. D icho v olumen de pende principalmente d e l as
características del agua r esidual, del g rado de t ratamiento pr evio, el t iempo de
sedimentación, la d ensidad de sólidos, el c ontenido de hu medad, de eq uipos o
método de remoción de lodos y de la frecuencia de remoción de los mismos.
Proceso
% humedad
del lodo Densidad relativa
Intervalo Típico Sólidos Lodo
Sedimentación primaria 88-96 95 1.4 1.02Filtro percolador 91-95 93 1.5 1.025
Precipitación química - 93 1.7 1.03
Lodos activados 90-93 92 1.3 1.005
Tanques sépticos - 93 1.7 1.03
Tanques Imhoff 90-95 90 1.6 1.04
Aireación prolongada 88-92 90 1.3 1.015
Lodo primario digerido
anaerobicamente 90-95 93 1.4 1.02Laguna aireada 88-92 90 1.3 1.01
Lodo primario digerido
aeróbicamente 93-97 95 1.4 1.012
Tabla No. 4.1 Características de los lodos Fuente: Metcalf, 1994
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El lodo activado tiene generalmente una apariencia floculenta de color marrón. Si
el color es muy oscuro, puede estar próximo a volverse séptico. Si el color es más
claro de l o nor mal puede haber es tado ai reado i nsuficientemente y l os s ólidos
tienden a sedimentar lentamente.
Los l odos s e t ratan par a facilitar s u disposición, l os diversos pr ocesos d e
tratamiento t ienen por obj etivo, di sminuir el v olumen del m aterial q ue va a s er
manejado, por la eliminación de toda la porción liquida y también en descomponer
la m ateria or gánica muy put rescible a c ompuestos or gánicos e i norgánicos
relativamente estables o inertes.
La r educción del v olumen d e l odo es m uy bene ficiosa para l os pr ocesos d e
tratamiento subsecuentes, algunas ventajas son:
Capacidad de tanques y equipos necesarios.
Cantidad d e r eactivos q uímicos nec esarios par a el acondicionamiento de l
lodo.
Cantidad de calor necesario para los digestores.
Permite reducir tamaños de tuberías, bombas y tanques digestores.
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4.3 Espesamiento
La implementación de nuevas normas para controlar el uso de lodos, provenientes
del t ratamiento de aguas residuales, es implementar operaciones de t ratamiento
rentables que no causen daño al medio ambiente y que permitan generar un lodo
de buena c alidad q ue s e pueda r eutilizar o di sponer en r ellenos s anitarios. Su
tratamiento y evacuación es generalmente el problema más complejo.
Cualquier t ratamiento de l odos pretende di sminuir, p or el iminación d e ag ua, el
volumen, para s ubsecuentes t ratamientos y di sposición o t ransformación de l os
sólidos orgánicos putrescibles en s ólidos orgánicos o i norgánicos más estables o
inertes. Existen diferentes tratamientos para los lodos, a continuación se describen
algunos:
Espesado.
Es un pr ocedimiento que se emplea para aumentar la fracción sólida del lodo de
desecho m ediante l a r educción de l a fracción l iquida del m ismo. L os l odos
activados en ex ceso, q ue nor malmente s e bom bean des de l os t anques de
decantación secundaria con un contenido de sólidos de 0.8% pueden espesarse
hasta u n c ontenido del 4% de s ólidos, c onsiguiéndose de es ta m anera un a
reducción del volumen de lodo a una quinta parte del volumen original.
El espesado se consigue generalmente, por medios físicos, incluyendo los equipos
de es pesados por g ravedad, flotación y c entrifugación; q ue a continuación s e
describen:
Espesado por gravedad.
Se r ealiza en un t anque de di seño s imilar al de un t anque d e s edimentación
convencional. El lodo diluido se conduce a una cámara de alimentación central y a
continuación sedimenta y se compacta extrayéndose el lodo espesado desde el
fondo del t anque. E l flujo c ontinuo del s obrenadante pr oducido es r etornado al
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tanque de decantación primaria. El lodo espesado que se recoge en el fondo del
tanque se bombea a los digestores o al equipo de deshidratación.
Espesado por flotación.
Hay cuatro variantes básicas de la operación de espesado por flotación: flotaciónpor ai re disuelto, flotación p or v ació, flotación p or di spersión de aire y f lotación
biológica. Sin embargo, solo la flotación por aire disuelto tiene utilización para el
espesado del lodo.
La utilización más eficaz del espesado por flotación se consigue con los lodos en
exceso pr ocedentes de procesos de t ratamiento biológicos de c ultivos
suspendidos, t ales c omo el pr oceso de l odos ac tivados, o el pr oceso de
nitrificación de cultivo suspendido.
Espesado por centrifugación.
Las c entrifugas s e utilizan t anto para espesar c omo p ara d eshidratar lodos. E l
espesado supone la sedimentación de las partículas del lodo bajo la influencia de
las fuerzas centrifugas.
Los tres t ipos básicos de c entrifugas normalmente disponibles para el espesadode lodos son:
a) Centrifuga de discos,
b) Camisa maciza y
c) De cesta.
Los c ostos de mantenimiento y ener géticos del pr oceso d e es pesado por
centrifugación son al tos, por t anto el proceso es s olamente aplicable en plantas
grandes por encima d e 0.2 m3/s en las que el espacio s ea l imitado y do nde s e
disponga de o peradores c alificados, o bi en par a l odos q ue s ean di fíciles de
espesar por m étodos m ás c onvencionales. En l a figura N o. 4 .1 s e obs erva un
espesador típico
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Fig. No. 4.1 Espesador
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4.4 Digestión Anaerobia y Aerobia
Digestión Anaerobia.
Es uno de los procesos más antiguos empleados en la estabilización de lodos, en
éste s e pr opicia l a degradación de l a materia or gánica c ontenida e n él , en
ausencia de oxígeno molecular.
La materia orgánica contenida en la mezcla de l odos pr imarios y secundarios se
convierte en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) principalmente.
La di gestión an aerobia es u n pr oceso q ue depende de l a ac ción de bacterias,
clasificadas como hidrolíticas, acetogénicas, acidogénicas y metanogénicas.
El pr oceso se l leva a cabo en un r eactor c ompletamente cerrado. Los l odos se
introducen en el reactor de forma continua y permanecen dentro de estos tanques
durante periodos de tiempo considerables. El lodo estabilizado que se extrae del
proceso t iene un bajo c ontenido de m ateria or gánica y de m icroorganismos
patógenos vivos.
Digestión convencional.
La digestión del lodo se efectúa normalmente mediante un proceso de u na sola
fase; d entro de l a digestión, el es pesamiento d el l odo y l a formación de
sobrenadante se efectúan simultáneamente.
Cuando el g as sube hacia la superficie, arrastra consigo partículas de l odo y de
otras materias, tales como grasas y aceites, dando lugar finalmente a la formación
de una capa de espumas. Como resultado de la digestión el lodo se vuelve mas
mineralizado y se espesa por adición de la gravedad.
Digestión de alta carga.
Este proceso difiere del convencional de una sola fase en que la carga de sólidos
es mucho mayor. El lodo se mezcla íntimamente mediante recirculación del gas,
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bombeo, o m ezcladores con tubos de aspiración. E l equipo de mezclado deberá
tener mayor capacidad y l legar hasta el fondo del tanque; las tuberías de gas son
mayores, el t anque es más profundo para facilitar el proceso de mezclado en un
digestor de alta carga.
El lodo debe bombearse al digestor en forma continua o mediante temporizado en
ciclos de 30 m inutos cada 2 h oras, el l odo ent rante des plaza al di gerido a un
segundo digestor par a l a s eparación d el s obrenadante y ex tracción del g as
residual.
Digestión de dos fases.
En el proceso de dos fases, el primer tanque se usa para la digestión propiamente
dicha. El tanque es calentado y equipado con medios de mezclado que consisten
en u no o más de los di spositivo. E l s egundo t anque s e utiliza par a el
almacenamiento y concentración del lodo digerido, así como para la formación de
una capa de sobrenadante relativamente c larificado. Por lo general, los tanques
son circulares y raramente tienen diámetros menores de 6 m o mayores de 35 m
pueden llegar a tener una profundidad de hasta 14 m o más.
Algunas de l as v entajas y des ventajas de l a di gestión A naerobia s e enl istan acontinuación:
Ventajas
Se obtiene un lodo con mayor capacidad de espesamiento
Se requiere una menor necesidad de nutrientes
No necesita aireación al realizarse en ausencia de oxígeno
Se pr oduce metano, c ontribuyente del bi ogás y que c uando se
encuentra en proporciones s uperiores al 5 0% pue de s er ut ilizable
como gas combustible.
Existe menor producción de lodo, puesto que una mínima parte del
carbono presente en la DBO es trasformado en biomasa.
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El l odo pr oducido es f ácilmente deshidratado, y a q ue al
incrementarse l a el iminación de materia v olátil s e m ejora l a
deshidratación posterior.
Se elimina la mayor parte de los microorganismos patógenos.
Desventajas:
Se d ebe r ealizar m ediante bacterias t ermófilas a temperaturas
superiores a 30˚C. Temperaturas mucho más altas pueden favorecer
la apar ición de s ustancias t óxicas. Provoca un m ayor c onsumo
energético y necesidades de aislamiento térmico del digestor.
Los gases formados como el CO2 y CH4, favorecen la formación de
espumas q ue se t ienen q ue romper par a una c orrecta s eparación
lodo/agua y una buena recuperación del biogás.
Es s ensible frente a c ambios oper acionales de c arga, c audal y a
cambios ambientales como pH y temperatura.
La pu esta en marcha es m uy l enta de bido a l a b aja t asa d e
crecimiento.
Digestión Aaerobia.
Se e mplea g eneralmente en pl antas de t ratamiento c on c apacidad i nferior a
20,000 m3/día, sin embargo, en algunas ocasiones se ha empleado en plantas con
mayor capacidad.
Las v entajas y des ventajas pr incipales d e es te pr oceso, c omparado c on l a
digestión anaerobia, son:
Ventajas
Se c onsiguen menores c oncentraciones de D BO en el l íquido
sobrenadante.
Puede requerir menores costos iniciales.
La producción final biológicamente estable, sin olores.
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Desventajas
Un m ayor c osto energético as ociado al s uministro d e oxígeno
necesario.
Se pr oduce u n l odo di gerido de pobr es c aracterísticas par a l adeshidratación mecánica.
La digestión aerobia también es muy delicada en cuanto a operación
se refiere.
La digestión aerobia es similar al proceso de lodos activados. Conforme se agota
el suministro de substrato disponible (alimento), los microorganismos empiezan a
consumir s u propio protoplasma ( respiración en dógena) para obtener la e nergía
necesaria para las reacciones de mantenimiento celular. Los productos finales son
dióxido de carbono, agua y amoníaco. Posteriormente el amoníaco se oxida para
formar nitratos, la reacción global es la siguiente:
C5H7NO2 + 7O2 5CO2 + NO3 + 3H2O + H
Dentro d e l a di gestión aer obia es muy i mportante c onsiderar l os e fectos de l a
acidez pr oducidos p or l a o xidación del a moníaco a ni tratos, s i l a al calinidadpresente en el agua residual no es la suficiente, será necesaria la adición de algún
reactivo que permita mantener el pH en los niveles deseados.
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4.5 Deshidratación
En c uanto a l a t ecnología apl icada al pr oceso de d eshidratación m ecánica, l os
equipos más utilizados suelen ser las centrifugas, con una capacidad creciente de
eliminación de agua, lo que causa una disminución de volumen muy conveniente
para el transporte y compostaje, aunque también se sigue utilizando tecnología de
secado, que tiende a maximizar el control de olores que se presenta en las etapas
de espesamiento y deshidratación de lodos, mediante la construcción de cubiertas
y el tratamiento de las corrientes de aire evacuadas mediante lavado de gases o
absorción con carbono activo.
Una vez deshidratados los lodos pasan a un sitio donde son enviados a su destino
definitivo; es to pu ede s er: ag ricultura, c onstrucción i ncineración, ent re ot ros. Acontinuación se describen los tipos de deshidratadores.
Eras de secado.
Es una extensión de terreno drenado formado por capas de materiales drenantes
dispuestas d e formas v erticales en un r eceptáculo. El lodo s e sitúa sobre estas
capas de grava o arena produciéndose el filtrado de forma análoga a la filtración
en el tratamiento de aguas. El lodo se deshidrata por drenaje a través de la masa
del l odo y l a ar ena, y por ev aporación d esde l a superficie expuesta al aire. L a
evaporación dependerá de l as c ondiciones c limáticas de l a z ona, l os dí as de
exposición de l os l odos y l as c aracterísticas de l os m ismos, q ue en t odo c aso
deben estar bien estabilizados. Las eras pueden ser descubiertas o c ubiertas en
zonas lluviosas.
El drenaje suele estar formado por capas de 10 a 20 cm de arena sobre una capa
de grava de 10 a 20 cm, colocando una red de t uberías en l a parte inferior para
colectar el agua, que volverá a s er tratada. La c apa de l odo oscila entre 20 y 30
cm. d e es pesor. La c apa d e ar ena de be r eponerse c ada c ierto tiempo ya qu e
pierden arenas en el proceso d e f iltrado y recolección de l os l odos. El pr incipal
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problema q ue s e pr esenta es l a extracción d e l os l odos u na v ez q ue han
alcanzado la sequedad deseada.
4.5.1 Filtración
Filtros banda.Es una variable de los filtros de presión que permite realizar la operación de forma
continua. En es te filtro pr imero se pr oduce un dr enaje del agua por g ravedad y
después se continúa la deshidratación por efecto de la sobre presión que ejercen
los rodillos al comprimir las bandas porosas de fieltro en medio de l as cuales se
coloca el lodo a deshidratar, como se observa en la figura 4.2.
Son sistemas baratos, ya que no necesitan una gran inversión inicial, los costos de
mantenimiento y explotación son bajos y la instalación presenta un bajo consumo
energético. Además, son efectivos para casi todo los tipos de lodos procedentes
de aguas r esiduales m unicipales, a unque es tán s iendo d esplazados p or l os
sistemas de centrifugación.
Fig. 4.2 Filtro Banda
Filtros de vació.
Se realiza mediante una fuerza motriz para el transporte de la fase liquida a través
del medio poroso por m edio de la presión, debido a l a aplicación de v ació en l a
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superficie de des agüe del medio de f iltración, creando un gradiente de pr esión
entre ambas caras del filtro.
Los m ás ut ilizados en l a industria es el f iltro r otatorio o filtro de funcionamiento
continuo. Este consiste en un tambor cilíndrico horizontal que gira entorno a su ejeprincipal, parcialmente sumergido en la suspensión a filtrar.
Sus características son:
Tiene una superficie del tambor que está cubierta por un medio poroso,
cubierto con material filtrante como telas filtrantes o mallas metálicas en
espiral. La superficie del tambor está dividida en sectores circulares.
Cada s ector es tá separado d el s ector adyacente e n l os ex tremos del
tambor y está unido a una válvula rotativa situada en el eje del tambor
mediante una conducción de vació/drenaje.
La válvula controla las fases del ciclo de filtración y conduce el filtrado
hacia el exterior del tambor.
Conforme el tambor va girando, la válvula permite que cada sector pase
por c ada un a de las et apas d el pr oceso: formación, l avado,
deshidratación y descarga de la torta por acción de una cuchilla.
Filtros prensa.
La deshidratación se l leva acabo forzando la eliminación del agua presente en e l
lodo por la aplicación de una presión hidrostática elevada. Estos filtros constan de
una s erie d e pl acas r ectangulares di spuestas v erticalmente una detrás d e ot ra
sobre un b astidor. S obre l as c aras de es tas pl acas s e c olocan t elas f iltrantes,
normalmente de tejidos sintéticos.
El espacio que queda entre dos placas en su par te central hueca, es el espesor
que adquirirá l a torta resultante. La superficie de l os filtros prensa puede ser de
hasta 4000 m 2, y la superficie de cada placa en t orno a 2 m 2, es decir los filtros
prensa pueden estar formados por más de 100 placas.
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La torta se forma sobre un paño filtrante y el l íquido filtrado sale entre las ranuras
de las placas bajo el paño filtrante. La operación de un filtro prensa es discontinua,
pues una v ez c onseguida l a filtración debe d esmontarse, r etirar l os s ólidos y
limpiar el paño filtrante.
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Autoevaluación.
1. Escriba y explique los factores que influyen en la selección de los procesos de
tratamiento para lodos.
2. Escriba y explique las variables que afectan la sedimentación de los lodos.
3. Mencione las variables de las cuales depende la curva de crecimiento de los
microorganismos.
4. Realice el diagrama de las curvas de crecimiento de microorganismos.
5. Que es la estabilización de un lodo y explique al menos tres tratamientos que sele dan a los lodos.
6. ¿Qué es el espesamiento de lodos y cuál es el procedimiento?
7. M encione y ex plique l as v entajas y des ventajas q ue t iene el t ratamiento d e
lodos.
8. Realice una propuesta para el tratamiento de 1000 m3 de lodo procedente de un
tratamiento de agua residual.
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