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“Simulación de un sistema de tratamiento de aguas residuales
utilizando SÚPER PRO”
Tesis
que para obtener el título de
Ingeniero Químico
Presenta
Manuel Antelmo Arias Félix
Cd. Obregón, Sonora; Mayo del 2013
Agradecimientos
A Dios, por haberme permitido vivir para concretar mis estudios y llegar hasta el
nivel profesional, por darme fortaleza para enfrenta cada uno de los obstáculos
que se me atravesaron y darme la mano y levantarme en cada caída hasta hoy.
A mis padres; por su esfuerzo y apoyo en todo momento, a pesar de su poca
preparación ante la vida, por llevarme de la mano moral y económicamente
siempre. Los quiero.
A mi familia; por su hospitalidad y cariño, por acompañarme y hacer menos la
rigurosidad de las pruebas que se me pusieron en frente. Gracias especialmente a
mis tías: Toñita, Magui y Rosita, a mis primos: Iveth, Claudia y Elvira.
A mis amigos; por estar conmigo en todo momento a pesar de mis errores y
defectos, además por disfrutar conmigo cada minuto de éxito y ayudarme sobre
todo en los momentos más difíciles. Especialmente gracias a ti hermano Balta, a
mi hermanita mugrosa melisa y a ti Aro.
A todas esas personas que por sus consejos y apoyo integro y espiritual me
levantaron en varias caídas y se ganaron el derecho al titulo de segunda madre o
segundo padre. Especialmente a usted Paty, doña Chayo, Don Roberto, Doña
Manuela, Don Aristeo y Doña Lupita.
ii
A ITSON; por la educación tan valiosa que me brindó y por su hospitalidad. A todo
su personal; que ayuda que la institución este forjada tal y como yo la recibí.
A mis maestros; por todo lo que no dudaron en darme en cuestión académica y
por todo su cariño. Especialmente a mi maestro, tutor y también segundo padre
Jorge Saldivar, Panchito, Nidia, Rosario, Edna, Eduardo, Andrés, Gabriela, Evelia,
Liliana, Érika, Angélica, Gaby, Helena, etc.
A mis compañeros; que no me hicieron sentir solo y me ayudaron en mis
momentos de enfermedad. Especialmente a aquellos que además se convirtieron
en grades amigos; a ti Laura, Luis Carlos, Rocío, Cecilia, Sara, etc.
iii
Dedicatoria
A mis padres; que esperan con ansia mi crecimiento profesional para salir
adelante cada vez más en todos los aspectos.
A mi hermana; porque eres y siempre serás un impulso en mi vida. Te quiero
mucho y espero ayudarte y sacarte adelante siempre.
A mi abuela; que a pesar de la distancia que ha crecido entre nosotros, eres y
serás una de las personas más importante en mi vida.
A la memoria de mis abuelos: Elvira, francisco y Conrado. Para que sigan
cuidándome desde donde quiera que se encuentren.
A todas aquellas personas que están escazas de fe en la vida y en Dios, escazas
de esperanza y que están a la espera de una vida mejor. También a aquellas que
no tienen paz, a aquellos pobres de espíritu y de cuerpo, y a aquellos carentes de
polos de atracción.
iv
Índice
Portada.……………………………………………………………………………………..i
Dedicatoria…………………………………………………………………………………ii
Agradecimiento……………………………………………………………….…………...iii
Índice………………………………………………………………………………………..v
Lista de figuras…………………………………………………………………..………..vi
Lista de tablas…………………………………………………………………..………...vii
Resumen…………..……………………………………………………………………..viii
I. Introducción……………………………………………………………………………...1
1.1 Antecedentes……………………………………………………….………....3
1.2 Planteamiento del problema………………………….……………………...6
1.3 Objetivos………………………………………………….……………………7
1.4 Justificación………………………………………………….………………...8
1.5 Limitaciones……………………………………………………………………9
II. Marco teórico………………………………………………………………………… 11
2.1 Aguas residuales………………………………………………….…………11
2.1.1 Origen y procedencia de los efluentes………………………….12
2.1.2 Clasificación de aguas negras…………………….……………..12
2.1.3 Características de las aguas residuales…..……….….………..13
2.1.3.1 Contaminantes del agua residual…………...….……..13
v
2.1.3.2 Parámetros de importancia que se involucran………19
2.1.4 Tratamiento de aguas residuales………………………………..26
2.1.4.1 Pretratamiento……………………….…………………..27
2.1.4.2 Tratamiento primario……………………………………30
2.1.4.3 Tratamiento secundario………………………………...32
2.1.4.4 Tratamiento terciario……………………….……………34
2.1.4.5 Tratamientos de lodos………………………………….35
2.2 Normatividad…………………………………………………………………37
2.2.1 NOM-003-ECOL-1997….…………………………………………38
2.2.2 NOM-001-ECOL-1996……………………………….……………39
2.2.3 NOM-SEMARNAT-2002………………………………………….40
III. Material y métodos…………………………………………………………………...43
3.1 Investigación acerca del avance del proyecto……………………………43
3.2 Estudio y análisis del proyecto……………………………………………..47
3.3 Programa computacional…………………………………………………...48
IV. Resultados y discusiones…………………………………………………………...52
4.1 Pretratamiento……………………………………………………………….55
4.2 Tratamiento primario…………………………….…………………………..59
4.3 Tratamiento secundario…………………………………………………….61
4.4 Tratamiento terciario………………………………………………………...66
4.5 Tratamiento de lodos………………………………………………………..75
vi
V. Conclusiones y recomendaciones………………………………………………….79
Bibliografía………………………………………………………………………………..82
vii
Lista de tablas
Tabla #1. Promedio mensual…………………………………………………………...38
Tabla #2. Límites máximos permisibles para contaminantes básicos……………..40
Tabla #3. Límites máximos permisibles para metales pesados en biosólidos……41
Tabla #4. Límites máximos permisibles para patógenos y parásitos en lodos y
biosólidos…………………………………………………………………………………41
Tabla #5. Aprovechamiento en biosólidos…………………………………………….42
Tabla #6. Parámetros de entrada según el proyecto a seguir………………………47
viii
Lista de figuras
Figura #1. Vista por fuera de la construcción de una parte de la planta…………..44
Figura #2. Vista a lo largo de los canales de distribución de la planta……………45
Figura #3. Vista hacia adentro de los canales que forman parte de canales de
distribución………………………………………………………………………………..46
Figura #4. Diagrama de flujo del proceso de tratamiento de aguas residuales:
“lodos activados con aireación extendida simplificada”……………………………..48
Figura # 5. Vista general completa del simulador de tratamiento de aguas
residuales hecho en Súper pro desinger……………………………………………...53
Figura #6. Apreciación de todos los parámetros que participan en todo el
tratamiento desde la primer entrada hasta la última salida…………………………55
Figura #7. Remisión de la totalidad del material flotante por acción de la cribas...56
Figura #8. Parámetros del flujo que prosigue después de las cribas………………57
Figura #9. Cantidad de sólidos suspendidos fijos que se ha removido……………57
Figura #10. Cantidad de los parámetros que siguen en el efluente posterior al
desarenador………………………………………………………………………………58
Figura #11. Parámetros que se encuentran incorporados en el agua residual en
proceso después de la primer recirculación…………………………………………..59
Figura #12. Cantidad de grasas y aceites que se retiran en el homogeneizador...60
Figura #13. Parámetros característicos del agua en proceso al salir del
homogeneizador…………………………………………………………………………61
Figura #14. Cantidad de los parámetros de entrada al reactor biológico………….62
Figura #15. Cantidad de oxigeno en forma de aire que entra para la aireación…62
ix
Figura #16. Valores de los parámetros una vez terminado el tratamiento
biológico..................................................................................................................64
Figura #17. Cantidad de grasas y aceites que se retira del agua en proceso…….65
Figura #18. Parámetros que caracterizan el agua en proceso después de la
remisión de las grasas y aceites……………………………………………………….66
Figura #19. Biomasa que es removida y separada del vertido en el clarificador…67
Figura #20. Cantidad de gases emitidos por el clarificador…………………………67
Figura #21. Parámetros que siguen en el vertido después del clarificador……….68
Figura #22. Cantidad de vertido que se dirige al filtrador……………………………69
Figura #23. Reflejo del cambio en las cantidades de los parámetros después de
mandar una cantidad de agua al filtrador……………………………………………..69
Figura #24. Cantidad de Coliformes y huevos de Helminto que se retiran antes de
la última operación unitaria……………………………………………………………..70
Figura #25. Parámetros que caracterizan el vertido al retirar los últimos
contaminantes……………………………………………………………………………71
Figura #26. Cantidad de cloro que se introduce al agua para desinfectarla………72
Figura #27. Calidad final del agua que cumple con las normas establecidas en el
proyecto…………………………………………………………………………………...73
Figura #28. Reflejo de las cantidad de biomasa que se recircula al reactor
biológico…………………………………………………………………………………..74
Figura #29. Cantidad de biomasa que se dirige al tratamiento de lodos………….75
Figura #30. Cantidad de gases que son expulsados en el tratamiento de lodos…76
Figura #31. Parámetros que caracterizan a los lodos después de su tratamiento
anaerobio…………………………………………………………………………………76
x
Imagen #32. Cantidad de agua que se desecha del tratamiento de lodos en el
secado y que posteriormente es recirculada al tratamiento de aguas antes de la
repartición y desviación de la misma…………………………………………………..77
Figura #33. Calidad de los lodos al final de su debido tratamiento según las
normas estipuladas………………………………………………………………………78
Resumen
El cuerpo de la planta tratadora de aguas residuales (PTAR) que se analizó para
realizar este trabajo está en construcción en la ciudad de Navojoa, Sonora y esta
regida por la NOM-003-ECOL-1997 para el reúso de aguas cuidando el medio
ambiente y la salud humana, la NOM-001-ECOL-1996 para los contaminantes
que se encuentran en las descargas de aguas residuales y bienes nacionales y la
NOM-004-SEMARNAT-2002 para los lodos y biosólidos provenientes del
desazolve de los sistemas de alcantarillado municipal y urbano. Según la
investigación realizada y tal y como se especifica en este trabajo, la cantidad de
agua cruda que entra a esta planta es de 430 lt/seg, la cual esta acompañada por
una cierta cantidad de contaminantes y nutrientes como grasas y aceites,
coliformes fecales, huevos helminto, nitrógeno, material flotante, solidos
suspendidos fijos y totales, fosforo, DBO y algunos metales.
Súper pro fue utilizado para crear un simulador de la mencionada PTAR en base a
un sistema de aireación extendida simplificada; el cual puede servir para manejar
técnicamente este proceso sin necesidad de estudios experimentales en cada
hora predeterminada que podrían alentar el proceso y restarle calidad y eficiencia.
xi
Las operaciones unitarias que conforman el simulador van a la par con las que
caracterizan el proyecto de la planta; las cuales tienen la función de arrojar las
características cuantitativas ideales del producto que resulten de la modificación
de las características de entrada en cada operación unitaria y del proceso
completo, siendo este el objetivo de la creación de esta herramienta de trabajo.
Para un buen funcionamiento de la planta y el simulador es preciso ordenar el
proceso y sus operaciones; el pretratamiento se conforma por las cribas, el
desarenado y la repartición y desvío, en el tratamiento primario esta el medidor de
caudal, el homogeneizador (que a la vez funciona como sedimentador), el
tratamiento secundario es el biológico y esta conformado por el reactor (que
funciona por medio de aireación expendida simplificada), el clarificador y la
desinfección se consideran tratamiento terciario y el tratamiento de lodos es de
tipo anaerobia y lo conforma también un filtrador que funciona como secado de
lodos .
El simulador no solo puede responder a cambios en el caudal de entrada y salida;
sino también a las cinéticas de reacción, cambios de temperatura, tiempo de
residencia, los porcentajes de remoción de los contaminantes, etc. Según el
interés propuesto del que lo trabaje.
I.- INTRODUCCIÓN
Las plantas tratadoras de aguas residuales, PTAR, son en la actualidad un método
del cual dispone la humanidad que permiten encontrar soluciones viables y
sostenibles para todo ser vivo y para el medio ambiente. El implementar e incluir
en nuestra cultura el tratamiento de aguas residuales es favorable y alentador; ya
que brinda nuevas oportunidades de desarrollo medioambiental, humano y
económico.
Recientemente se optó por llevar a cabo el proyecto de una PTAR en el municipio
de Navojoa, Sonora, decisión que alienta a esta población a tener esperanzas de
emprendimiento y educación ya que de esta manera es posible darse cuenta de
que a pesar de todas las desventajas económicas que un proyecto de esta índole
presenta, existen una visión y una perspectiva de crecimiento en todos los
sentidos.
Se ha analizado e investigado en el presente trabajo, el ya mencionado proyecto
de una manera cualitativa y cuantitativa; presentando un estudio a detalle de todo
lo que implica el contar con un tratamiento de aguas previo al funcionamiento de
esta planta y realizando una simulación del proceso desde un sentido posterior.
Existen diversos métodos con bases puramente científicos y prácticos para tratar
un agua residual, para lo cual se toman como base las normas de la legislación
mexicana que se encargan de regular de manera organizada el uso domestico e
industrial del agua, así como su respectivo tratamiento. Tomando en cuenta
parámetros y características físicas, químicas y biológicas de los vertidos urbanos
2
es como se notifica las formas y los instrumentos necesarios a utilizar en una
determinada planta. (Lenntech B.V, 1998).
El método diseñado en esta planta es aireación extendida simplificada, el cual se
lleva a cabo con oxigeno como agente oxidante, lo que significa que el proceso es
aerobio. Este método se instituyó realizando previamente una extendida serie de
muestras y análisis a los diversos vertidos que existen en esta ciudad, citando
parámetros que caracterizan a las aguas residuales de manera general.
3
1.1 Antecedentes
Las aguas residuales constituyen una fuente importante de emisiones al medio
ambiente; muy en especial a los suelos, en los cuales existe todo tipo de
biodiversidad, de la misma manera también es consecuente la emisión a otros
medios acuáticos, como ríos, lagos, canales, lagunas y mares.
Durante muchos años los vertidos de aguas residuales en todo el mundo han
ocasionado impactos trascendentales en muchos aspectos; el principal de estos
es la aceptación del uso extremo del agua en lugares urbanos, rurales e
industriales, lo que poco a poco va garantizando que la cantidad de este elemento
de suma importancia para la vida humana se está reduciendo hasta muy
probablemente llegar a extinguirse. A grandes rasgos la segunda consecuencia de
esta acción es la contaminación de los alrededores, lo que a su vez afecta
directamente nuestras vidas, la flora, fauna, etc. (Dirección de Comunicación
Social Boletín #617, 2010).
El hombre se ha dado cuenta de la plenitud de esta gran problema y no quiere
salir perdiendo, por lo que ha tenido un cierto interés en resolverlo, sin embargo se
interponen obstáculos que el mismo se crea, tales como el aspecto económico, el
tiempo, la educación, etc. En respuesta a todo esto se ha incursionado en todo el
país y muy específicamente en el municipio de Navojoa, al tratamiento de aguas
residuales.
A la fecha las instituciones gubernamentales que tratan esta situación han creado
normas en su legislación que describen y clasifican los tipos de descargas y
vertidos que pueden existir, por lo que también manifiestan los límites máximos
4
permisibles a los que una asociación física (persona u hogar) o moral (industria o
empresa) tienen derecho a utilizar. Derivado de lo anterior, una gran cantidad de
industrias que tienen grandes descargas de aguas residuales con características
muy específicas cuentan con una planta tratadora de aguas residuales como parte
de la estructura de su corporación.
Desgraciadamente no se ha adoptado la misma formación para los vertidos
domésticos; ya que la manera de trabajar es distinta, es decir, un proyecto en la
industria es llevado a cabo desde una perspectiva privada, mientras que la urbana
es pública, por lo que están involucrados trabajadores sociales, políticos o civiles.
Aunque el camino recorrido es muy poco, se debe reconocer que si hay grandes
avances en esta problemática; prueba de ellos es la existencia de 1593 plantas
tratadoras de aguas residuales en todo México. En el estado de sonora se han
fabricado plantas en nogales, Cd. Obregón, San Luis Rio Colorado y
posteriormente en Navojoa. Las condiciones a las que operan son bastante
eficientes, ya que sus gastos de aguas negras oscilan entre 300 a 500 litros por
segundo en circunstancias de prueba pero al momento de trabajar a la máxima
capacidad pueden alcanzar entradas aproximadas a los 1000 litros por segundo,
llevando a cabo sistemas aerobios por ser los más económicos en esta rama.
(Dirección de Comunicación Social Boletín #617, 2010).
Se puede considerar que el tratamiento de aguas residuales ha existido desde
hace siglos con el almacenamiento del agua en el medio ambiente. Hace 7000
años se comenzaba a almacenar en pozos para reutilizarla y posteriormente se
transportaba y distribuía mediante canales hechos de tierra, piedras y más
adelante en tubos huecos hechos de troncos, cerámica, madera y metal, algunos
lo hacían en lo subterráneo. En el año 3000 A de C el agua se reutilizaba según el
5
uso primordial que se le daba y la transportaban mediantes redes de distribución.
(Lenntech B.V, 1998).
Los primeros en darse cuenta de los escases del agua fueron los griegos y
romanos; por lo que pusieron en práctica sus conocimientos, fabricando lagunas
de aireación para su desinfección, presas y canales de adjudicación. Tiempo
después las grandes ciudades crecieron en el tratamiento de aguas, usando
acueductos de roca, plomo, cemento, bronce, plata y madera, protegiéndola de la
contaminación. (Lenntech B.V, 1998).
Durante la edad media se dejo de tratar el agua; ya que por ser una civilización
primitiva comenzaron a tener desventajas de higiene, afectando directamente a la
salud humana. Las plantas tratadoras de aguas residuales con una tecnología
más actualizada se dejaron ver a partir del año 1806 en París y de ese año en
adelante se fue creando esta nueva cultura para el bien de la humanidad.
(Lenntech B.V, 1998).
6
1.2 Planteamiento del problema
Falta de cultura y educación para suministrar el uso del elemento más necesario
para todo ser vivo, que es el agua. Durante los años que el humano tiene de vida
se puede dar cuenta de que el agua se está acabando y desgraciadamente el
principal problema no es precisamente el que pueda prescindir de este recurso
aunque de él depende su vida, sino que no quiera hacer nada para evitarlo o al
menos para alentar este proceso.
No contar con una herramienta que permita la simulación de la operación del
proceso de tratamiento de aguas residuales de la Ciudad de Navojoa. De esta
forma, al simular el proceso, se podrán tomar, con mayores elementos de juicio,
las medidas correctivas necesarias para eficientar el proceso; ya que no se cuenta
con un procedimiento de este tipo que permita conocer la interrelación entre las
diferentes variables que intervienen en un proceso de tratamiento de aguas
residuales
7
1.3 Objetivos
Analizar y describir detalladamente cada una de las operaciones unitarias que
conforman el proceso de aireación extendida simplificada del proyecto de la planta
tratadora de aguas residuales de Navojoa, Sonora, utilizando una metodología
conceptualizada de las características y parámetros que se involucran en el.
Realizar un software en el programa: “SUPER PRO” del proceso ya mencionado,
mediante una simulación, con la finalidad de tener posibilidades de corregir y
actualizar aquellos parámetros físicos, químicos y biológicos que se requieran,
durante el proceso, para un mejor funcionamiento de la PTAR.
8
1.4 Justificación
Siempre es bueno tener precaución en la realización proyectos porque aunque no
se pueda llegar a la perfección, se permite hacer las cosas bajo un cierto régimen
de exactitud y refinación; por lo que este análisis ayudara detallar cada una de las
operaciones unitarias de este proceso y así tener una mejor visualización de lo
que se está pensando, estudiando, construyendo y diseñando.
Los beneficiados con este análisis y simulación serán los operadores del proceso;
ya que lograrán tomar las medidas correctivas necesarias para un mejor
funcionamiento de la PTAR.
9
1.5 Limitaciones
Tocar el tema “aguas residuales” es entrar en un camino sin salida; ya que por
más que se diseñen procesos para tratarla y llevarlos a cabo nunca se podrá
llegar a purificarla en su totalidad, por lo que es un reto excesivo hacerlo. Si el
humano, que es el principal afectado por la falta de agua y la contaminación que
provocan los efluentes descargados no trabaja en esto nadie más lo hará. Dicho
reto no le corresponde solo a los jefes delegacionales o gubernamentales, también
a las personas que tratamos de escondernos tras quejas, “acciones” y demás.
El tratamiento de aguas residuales constituye un punto a seguir por el ingeniero
químico que a su vez se le dificulta seguir un patrón de conducta y enseñanza, lo
que provoca generalmente confusiones de muchos tipos y una cierta desviación
de cada uno de los parámetros que se encuentran dentro de un proyecto de esta
índole.
El tiempo para realizar este estudio es determinante y dependiendo desde el punto
de vista en el que se trate, también una limitante; ya que un proyecto de esta
índole es complejo y lleva consigo un debido planteamiento del problema y metas
a seguir que requieren un análisis detallado para un resultado favorable que
algunas veces no se hace presente, a causa de la falta de tiempo.
El simulador SUPER-PRO no cuenta con algunas operaciones tales como cribado,
desarenado, homogenización, etc. por lo cual en su lugar deben emplearse
operaciones similares.
10
No contar con la información suficiente de los parámetros cinéticos empleados
para el diseño original del proyecto, así como otras características del proceso de
gran importancia.
11
II. MARCO TEÓRICO
2.1 Aguas residuales
El estudio del tratamiento de las aguas residuales es complejo en el aspecto
teórico pero muy satisfactorio y predominante en la actualidad como ya se había
mencionado, por lo cual la ingeniería química entre otras disciplinas se han
tomado la tarea de definir una serie de procesos que han funcionan como base
para llevar a cabo las distintas operaciones unitarias que los conforman, para lo
cual sea partido de un sin fin de ideas como la que presenta Mara (1976) que
dice que las aguas residuales pueden definirse como las aguas que provienen del
sistema de abastecimiento de agua de una población, después de haber sido
modificadas por diversos usos en actividades domesticas, industriales y
comunitarias.
Para su especificación al momento de clasificarlas se ha necesitado saber la
procedencia de estas aguas, con respecto a esto Mendonca en 1987 menciona
que según su origen, las aguas residuales resultan de la combinación de líquidos y
residuos sólidos transportados por el agua que provine de residencias, oficinas,
edificios comerciales e instituciones, junto con los residuos de las industrias y de
actividades agrícolas, así como de las aguas subterráneas, superficiales o de
precipitación que también puede agregarse eventualmente al agua residual.
12
2.1.1 Origen y procedencia de los efluentes
De acuerdo con su origen, los suministros de agua se clasifican en tres categorías:
(1) aguas superficiales, (2) aguas subterráneas y (3) aguas meteorológicas. Las
aguas superficiales comprenden los cauces (ríos), océanos, lagos y aguas
embalsadas. Los cauces de agua sometidos a contaminación presentan una
calidad variable a lo largo del curso del cauce. Las aguas de los lagos y pantanos
o embalses, por otro lado, tienen una calidad relativamente uniforme. Las aguas
subterráneas muestran en general menor turbidez que las aguas superficiales. En
cuanto a las aguas de lluvia, son de mucha mayor pureza física y química que las
aguas superficiales o subterráneas. (R. S. Ramalho, 1996).
En la ciudad de Navojoa, Sonora como en la mayoría de los lugares en los que el
consumo de agua se incrementa con el paso del tiempo es típico encontrarse con
cualquiera de los tres medios procedentes de agua según los descritos por
Ramalho; se puede constatar que en esta zona se hacen presentes las aguas
subterráneas en mayor cantidad por el rio mayo (lugar de procedencia de los
próximos efluentes que se manejaran en la planta en construcción de esta ciudad),
así como las subterráneas por los drenajes y las meteorológica, siendo una
localidad de clima lluvioso.
2.1.2 Clasificación de aguas negras
Las cuatro fuentes fundamentales de aguas residuales son: (1) aguas domesticas
o urbanas, (2) aguas residuales industriales, (3) escorrentías de usos agrícolas,
(4) pluviales. Normalmente las aguas residuales, tratadas o no se descargan
13
finalmente a un receptor de aguas superficiales (mar, rio, lago, etc.), que se
considera medio receptor. (R. S. Ramalho, 1996).
Las industrias son las responsables de contar con una propia planta de
tratamiento para el cumplimiento de las normas que les son dirigidas, pero las
aguas de uso urbano y domestico merecen también ser tratadas; por lo que el
gobierno en conjunto ha decidido llevar a cabo la construcción de esta planta, la
cual es analizada y estudiada en este trabajo.
2.1.3 Características de las aguas residuales
2.1.3.1 Contaminantes del agua residual
Cada persona genera 1.8 litros de material fecal diariamente, correspondiendo a
113.5 gramos de sólidos secos, incluidos 90 gramos de materia orgánica, 20
gramos de nitrógeno, más otros nutrientes, principalmente fosforo y potasio. (Mara
y Cairncross, 1990).
Los contaminantes en las aguas residuales son normalmente una mezcla
compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos. Normalmente no es práctico ni
posible obtener un análisis completo de la mayoría de las aguas residuales. Por
las razones anteriores han desarrollado una serie de métodos empíricos para
evaluación de la concentración de contaminantes en aguas, cuya aplicación no
requiere un conocimiento completo de la composición química específica de las
aguas residuales consideradas. Las aguas residuales domesticas se componen
14
fundamentalmente, en su carga contaminante, de materia orgánica en forma
soluble o coloidal y de sólidos en suspensión. (R. S. Ramalho, 1996).
El ser humano es el impulsor de una serie de actividades que realiza en su vida
diaria, en la gran mayoría de estas existe una relación de materia o elementos que
se hacen participes de manera sustanciosa; esto se puede canalizar como un ciclo
de consumo, el cual tiende a finalizar en el desecho de tal materia, de la misma
manera como se presentan estos también se aprecian a su alrededor otros
elementos en gran cantidad que relazan el papel de portadores, esto sucede
debido a las características de la materia que participaron en dicho proceso. El
agua es el principal elemento que la materia opta por elegir como portador; lo que
propicia un cambio en su composición y características, hasta que se llegue a
considerar como agua un residual según las normas que la ley establece.
Demanda bioquímica de oxigeno (DBO)
La demanda bioquímica de oxigeno se usa como una medida de la cantidad de
oxigeno requerido para oxidación de la materia orgánica biodegradable presente
en la muestra de agua y como resultado de la acción de oxidación bioquímica
aerobia. La demanda de oxigeno de las aguas residuales es resultado de tres
tipos de materiales: (1) materiales orgánicos carbónicos, utilizables como fuente
de alimentación por organismos aerobios; (2) nitrógeno oxidable, derivado de la
presencia de nitritos, amoniaco, y en general compuestos orgánicos nitrogenados
que sirven como alimentación para bacterias especificas (nitrosonomas y
nitrobacter) y (3) compuestos químicos reductores (ion ferroso, sulfitos, sulfuros,
que se oxidan por oxigeno disuelto). (R. S. Ramalho, 1996).
15
El ingeniero posteriormente de una serie de estudios, comprueba que tanto la
DBO (toda la materia biodegradable) y la DQO (toda la materia existente) son
parámetros básicos en la cuestión de un tratamiento secundario, solo que se
presenta la DBO como la protagonista de este estudio porque se está hablando de
un proceso biológico en el cual están involucrados una serie de microorganismos
que harán posible la digestión de la materia orgánica en el proceso de esta planta.
Coliformes fecales
Los organismos son bacterias en forma cilíndrica, presentes en el tracto intestinal
humano. Una persona descarga entre 0.1 y 0.4 billones de organismos Coliformes
por día, además de otras especies de microorganismos. (R. S. Ramalho, 1996).
Los organismos Coliformes no son en sí mismos perjudiciales y de hecho son
interesantes para la degradación de la materia orgánica en los procesos de
tratamiento. Sin embargo, junto con los organismos Coliformes el hombre
descarga otros microorganismos patógenos tales como lo que pueden causar
fiebres tifoideas, disentería, diarrea, cólera, etc. Teniendo en cuenta que la
población de estos microorganismos patógenos en las aguas residuales es
pequeña y además difícil de localizar, se utiliza la presencia de organismos
Coliformes que son numerosos y fáciles de localizar como indicador de la
presencia potencial de organismos patógenos. (R. S. Ramalho, 1996).
Existen numerosos tipos de microorganismos patógenos que hacen que la materia
se vuelva contradictoria a la salud humana, pero los Coliformes representan la
especificación de un buen resultado al tratar el agua residual.
16
Huevos de Helminto
Se han se ha detectado una gran variedad de huevos y larvas de helmintos en el
agua potable y es claro que todo aquello que es infeccioso para el hombre debiera
estar ausente del agua potable si se quiere que sea segura e inocua. Sin
embargo, la vasta mayoría de esos helmintos no son principalmente transmitidos
por el agua, por lo que no es factible ni necesario vigilar su presencia en el agua
como actividad habitual (organización panamericana de la salud, 1987).
Dos grupos de helmintos están más directamente relacionados con los
abastecimientos de agua; los que transmiten en su totalidad por la ingestión de
copépodos infectados haciendo de huéspedes intermedios (grupo I) y los que
cuyas cercarías son directamente infeccionas para el hombre (grupo II).
El grupo I comprende los helmintos que se desarrollan copépodos acuáticos y que
pasan al hombre al beber agua que contiene crustáceos, haciendo las veces de
huéspedes intermedios. El miembro más importante del grupo es el Dracunculus
medinensis, o gusano de guinea, que es un parasito filárico del hombre.
El grupo II comprende un grupo variado de lombrices parasitarias del ganado lanar
y lombrices cilíndricas cuyas larvas infecciosas son capaces de penetrar la piel y
las membranas mucosas de los humanos, pueden transmitirse por el agua
potable, pero constituyen un riesgo mayor cuando se usa el agua para lavar o
bañarse. El género que más preocupa es el Schistosoma. (Organización
panamericana de la salud, 1987).
17
Nitrógeno total
El nitrógeno orgánico presente en el agua se encuentra presente en el agua se
encuentra formado parte de compuesto tales como proteínas, polipepticos y
aminoácidos. El nitrógeno total es la suma del nitrógeno presente en los
compuestos orgánicos aminados y en el amoniaco. (Dr. Mariano Seoánez Calvo,
1999).
Fosforo
El ion fosfato, PO4-3, en general forma sales muy poco solubles y precipita
fácilmente como fosfato cálcico. Al corresponder a un acido débil, contribuye a la
alcalinidad de las aguas. En general no se encuentra en el agua 1 ppm, pero
puede llegar a algunas decenas debido al uso de fertilizantes. Puede ser crítico en
la eutrofización de las aguas superficiales. No suele determinarse en los análisis
de rutina, pero puede hacerse de manera colorimétricamente. (Miguel rigola
Lapeña, 1990).
Sólidos suspendidos en el agua
Las aguas residuales están cargadas casi siempre con materiales en suspensión.
Estos materiales según su densidad y las características del medio receptor, son
depositados en distintas zonas de este, produciendo una contaminación mecánica.
La determinación de los materiales suspendidos en el agua por técnicas de
filtración o centrifugación, aparecen ampliamente descritas en números tratados
de análisis de aguas. (Dr. Mariano Seoánez Calvo, 1999).
18
Los sólidos en suspensión, SS es una medida de los sólidos sedimentables (no
disueltos) que pueden ser retenidos en un filtro. Se pueden determinar pesando el
residuo que queda en el filtro, después de secado. Son indeseables en las agua
de proceso porque pueden causar depósitos en las conducciones, calderas,
equipos, etc. Las aguas subterráneas suelen tener menos de 1ppm, pero en las
superficiales varía mucho en función del origen y las circunstancias de la
captación. (Miguel Rigola Lapeña, 1990).
Grasas y aceites
Las aguas residuales provenientes de restaurantes, lavanderías y estaciones de
servicios contienen por lo general cantidades considerables de grasas, aceites y
detergentes. Al permitir el ingreso de tales elementos al interior de los tanques
sépticos, existe la posibilidad de que sean descargados junto con el efluente del
tanque en los sistemas de disposición sobre el suelo, o a las subsiguientes
unidades del sistema de tratamiento. Las grasas y aceites, junto con los sólidos
suspendidos, tienden a acumularse sobre la superficie de los sistemas de
disposición sobre el suelo, limitando la capacidad de infiltración del terreno.
Además, ocasionan graves problemas debido a su persistencia. La concentración
típica de grasas y aceites presentes en aguas residuales de restaurantes puede
tomar valores que van desde 1000 hasta 2000 mg/L, o más. Para evitar los
problemas ocasionados por su presencia, tanto en unidades de sistemas de
centralizados de tratamiento como en sistemas de disposición, la concentración de
grasas y aceites en el efluente de estos sistemas debe ser menor a 30 mg/L. en
presencia de grandes cantidades de grasas y aceites en plantas centralizadas de
tratamiento de aguas residuales, se acostumbra emplear un sistema que combina
la remoción de arenas por aireación y la remoción de espuma o natas por barrido
superficial. (Crites y Tchobanoglous, 2000).
19
Gases disueltos
La determinación de gases disueltos tales como amoniaco, dióxido de carbono,
sulfuro de hidrogeno, metano y oxigeno, se realiza para ayudar en la operación de
sistemas de tratamiento de aguas residuales. Las mediciones de oxigeno disuelto
y amoniaco se realizan para controlar y monitorear los procesos de tratamiento
biológico aerobios. La presencia de sulfuro de hidrogeno se determina no solo por
ser un gas toxico y de mal olor, sino porque su formación puede causar corrosión
en alcantarillados de concreto. Las mediciones de metano, dióxido de carbono y
amoniaco se realizan junto con la operación de digestores anaerobios. (Crites y
Tchobanoglous, 2000).
2.1.3.2 Parámetros de importancia que se involucran
Turbiedad
La turbiedad, como una medida de las propiedades de dispersión de la luz en las
aguas, es otro parámetro usado para indicar la cantidad de las aguas naturales y
las aguas residuales tratadas con relación al material residual en suspensión
coloidal. La medición de la turbiedad se realiza por comparación entre la
intensidad de luz dispersa en una muestra y la luz dispersa por una suspensión de
referencia bajo las mismas condiciones (Standard Methods, 1995). Suspensiones
de formacina se emplean como patrones primarios de referencia. Los resultados
de las mediciones de turbiedad se dan en unidades nefelometrícas de turbiedad
(UNT). El material coloidal impide la transmisión de la luz, ya que la absorbe o
dispersa. La mayor turbiedad está asociada con partículas de tamaño inferior a 3
µm y especialmente con partículas de tamaño entre 0.1 y 1.0 µm. (Crites y
Tchobanoglous, 2000).
20
Color
El color en aguas residuales es causado por sólidos suspendidos, material coloidal
y sustancias en solución. El color causado por sólidos suspendidos se llama color
aparente mientras que el color causado por sustancias disueltas y coloidales se
denomina color verdadero. El color verdadero se obtiene de una muestra filtrada.
Dado que la medida depende del tamaño del poro del filtro, de sede especificar el
tipo de filtro usado y el tamaño del poro. El color de una muestra de agua residual
se determina comparando el color de la muestra y el color producido por
soluciones de diferente concentración de cloroplatinato de potasio (K2PTCl6). Una
unidad de color corresponde al color generado por 1.0 mg/L de platino. En forma
cualitativa, puede ser usado para estimar la condición general del agua residual. Si
el color es café claro, el agua residual lleva aproximadamente 6 horas después de
su descarga. Un color gris claro es característico de aguas que han sufrido algún
grado de descomposición o que han permanecido en tiempo corto en los sistemas
de recolección. Si el color es gris oscuro o negro, se trata en general de aguas
sépticas que han sufrido una fuerte descomposición bacterial bajo condiciones
anaerobias (en ausencia de oxigeno). El oscurecimiento de las aguas residuales
se da con frecuencia debido a la formación de varios sulfuros, en particular sulfuro
ferroso (FeS). La formación de sulfuros ocurre cuando el acido sulfhídrico,
producido a partir de la reducción de sulfato bajo condiciones anaerobias, se
combina con metales divalentes que pueden estar presentes en las aguas
residuales, como el hierro. (Crites y Tchobanoglous, 2000).
Transmitancia/absorbancia
La Transmitancia, definida como la capacidad de un líquido de transmitir luz de
una longitud de onda especifica a través de una solución de espesor conocido, se
calcula a partir de la siguiente relación:
21
Donde I = intensidad final de luz (radiación) transmitida después de pasar a través
de una solución de espesor conocido e Io= intensidad inicial de luz (radiación)
incidente. La Transmitancia es medida en un espectrofotómetro que utiliza una
longitud de onda específica. El porcentaje de Transmitancia es afectado por todas
las sustancias presentes en las aguas residuales capaces de absorber o dispersar
luz. La Transmitancia de muestras de aguas residuales filtradas y sin filtrar se
mide para la evaluación y diseño de sistemas de desinfección con radiación UV.
La absorbancia, que es la pérdida de energía radiante al pasar la luz a través de
un fluido se define como:
Las principales sustancias que afectan el porcentaje de Transmitancia en aguas
residuales incluyen algunos compuestos inorgánicos (p. ej., cobre y hierro),
compuestos orgánicos (p. ej., tintes orgánicos, sustancias húmicas, y compuestos
con anillos conjugados como benceno y tolueno), y SST. De los compuestos
inorgánicos que afectan la transmitancia, el hierro se considera como el mas
importante con respecto a la absorbancia UV, porque el hierro en solución puede
absorber directamente luz UV y porque puede adsorber cuando se encuentra
sobre sólidos suspendidos, colonias bacteriales y otros compuestos orgánicos. El
hierro sorbido puede evitar la penetración de luz UV en las partículas y, por tanto,
disminuir la inactivación de organismos que pueden estar alojados dentro de ellas.
Los compuestos orgánicos, definidos como absolvedores de luz UV, presentan 6
carbonos conjugados o entre 5 y 6 anillos conjugados. La disminución del valor de
Transmitancia en aguas residuales, observada durante tormentas, se atribuye con
22
frecuencia a la presencia de sustancias húmicas aportadas por las aguas lluvias.
(Crites y Tchobanoglous, 2000).
Olor
La determinación de olor es cada vez más importante en la medida en que el
público se ha interesado más por la propia operación de las instalaciones de
tratamiento de aguas residuales. El olor de un agua residuales fresca es en
general inofensivo, pero una gran variedad de compuestos malolientes son
liberados cuando se produce la degradación biológica bajo condiciones
anaerobias de las aguas residuales. El principal compuesto de olor indeseable es
el sulfuro de hidrogeno (olor a huevo podrido). Otros compuestos como indol,
eskatol y mercaptanos, formados bajo condiciones anaerobias, pueden causar olor
mucho más ofensivos que el del sulfuro de hidrogeno (WEF, 1995). Debido al
interés de la opinión pública se exige un cuidado especial en el diseño de
instalaciones de tratamiento de aguas residuales a fin de evitar condiciones que
generan la aparición de malos olores. Los olores pueden ser medidos mediante
métodos sensoriales e instrumentales. La medición sensorial de los olores
empleando el sentido del olfato de los humanos puede general información
importante en niveles de detección muy bajos. Por ello, con frecuencia el método
sensorial se usa para medir olores en plantas de tratamiento. (Crites y
Tchobanoglous, 2000).
Temperatura
La temperatura del agua residual es por lo general mayor que la temperatura del
agua para abastecimiento como consecuencia de la incorporación de agua
caliente proveniente del uso domestico e industrial. La medición de la temperatura
23
es importante, ya que muchos de los sistemas de tratamiento de aguas residuales
incluyen procesos biológicos que dependen de la temperatura. La temperatura de
un agua residual varía de estación en estación y también con la posición
geográfica. En regiones frías, la temperatura varia de 45 a 65°F (7 a 18°C)
mientras que en regiones cálidas la variación será de 55 a 86°F (13 a 30°C). la
temperatura del agua es un parámetro muy importante porque afecta directamente
las reacciones químicas y las velocidad de reacción, la vida acuática y la
adecuación del agua para fines benéficos. Un incremento en la temperatura puede
causar cambios en las especies de peces que existan en un cuerpo de agua
receptor. La temperatura optima para el desarrollo de la actividad bacteriana esta
en el rango de 77 a 95°F (de 25 a 35°C). Los procesos de digestión aerobia y
nitrificación se detienen cuando la temperatura alcanza valores del orden de los
122°F (50°C). Cuando la temperatura se acerca a los 15°C, las bacterias
productoras de metano cesan su actividad, y alrededor de los 41°F (5°C), las
bacterias autotróficas nitrificantes dejan de actuar. Cuando la temperatura es de
36°F (2°C), se alcanza incluso la inactivación de bacterias quimioheterotroficas
que actúan sobre la materia orgánica carbonácea. (Crites y Tchobanoglous, 2000).
Densidad, gravedad específica y peso específico
La densidad del agua residual, ρw, se define como su masa por unidad de volumen
y se expresa como slug/pie3en medidas del sistema ingles y como g/L o Kg/m3en
medidas del sistema internacional (SI). La densidad es una característica física de
gran importancia a la hora de establecer la formación potencial de corrientes de
densidad en sedimentadores, humedales artificiales y otras unidades de
tratamiento. La densidad del agua residual domestica que no contiene cantidades
significativas de desecho es prácticamente de igual valor a la del agua a una
misma temperatura. En algunos casos, la gravedad especifica del agua, Sw, se
emplea en lugar de la densidad. La gravedad específica se define como:
24
Donde ρw = densidad del agua residual y ro= densidad del agua. Tanto la densidad
como la gravedad específica dependen de la temperatura y de la concentración de
sólidos totales presentes en las aguas residuales. El peso especifico de un fluido,
Ɣ, definido como su peso por unidad de volumen, se expresa en lbf/pie3 en
unidades del sistema ingles. La relación entre Ɣ, ρ y la aceleración de la gravedad,
g, es Ɣ=ρg. A temperatura normal Ɣes de 62.4 lbf/pie3 (9.81 kN/m3). (Crites y
Tchobanoglous, 2000).
Conductividad
La conductividad eléctrica (CE) del agua es la medida de la capacidad de una
solución para concluir la corriente eléctrica. Como la corriente eléctrica es
transportada por iones en solución, el aumento en la concentración de iones
provoca un aumento en la conductividad. Por tanto, el valor de la medida de CE es
usado como un parámetro sustituto de la concentración de sólidos disueltos
totales (SDT). En la actualidad, el parámetro más importante para determinar la
posibilidad de uso de un agua para riego es la CE; es asi como la salinidad de
determinada agua residual tratada que se desea usar para riego se establece
mediante la medición de su conductividad eléctrica. La conductividad eléctrica se
expresa en micromhos por centímetro (µmho/cm) en unidades del sistema ingles y
como milisiemens por metro (mS/m) en unidades del SI. Debe anotarse que 10
µmho/cm equivalen a 1mS/m. Con la siguiente ecuación es posible estimar la
concentración de SDT en una muestra de agua con ayuda del valor de CE:
25
(
) (
)
La relación anterior no se aplica necesariamente a aguas residuales crudas o a
aguas residuales industriales de alta carga. (Standard Methods, 1995). (Crites y
Tchobanoglous, 2000).
PH
La expresión usual para medir la concentración del ion hidrogeno en una solución
está en términos del pH, el cual se define como el logaritmo negativo de la
concentración del ion hidrogeno:
[ ]
El intervalo adecuado de pH para la existencia de la mayor parte de la vida
biológica es relativamente estrecho, en general entre pH 5 y 9. Las aguas
residuales con valores de pH menores a 5 superiores a 9 son de difíciles
tratamiento mediante procesos biológicos. Si el pH del agua residual tratada no es
ajustado antes de ser vertido, el pH de la fuente receptora puede ser alterado; por
ello, la mayoría de los efluentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales
deben ser descargados dentro de límites específicos de pH. (Crites y
Tchobanoglous, 2000).
26
Alcalinidad
La alcalinidad del agua se define como la capacidad del agua para neutralizar
ácidos (Standard Methods, 1995). En aguas residuales, la alcalinidad se debe a la
presencia de hidroxilos [OH-], carbonatos [CO3-2] y bicarbonatos [HCO3
-] de
elementos como calcio, magnesio, sodio, potasio, o de ion amonio. De todos ellos,
el bicarbonato de calcio y el bicarbonato de magnesio son los más comunes. Los
boratos, silicatos, fosfatos y compuestos similares pueden contribuir también a la
alcalinidad; sin embargo, rara vez son significativos, excepto en algunas aguas
residuales agrícolas e industriales. La alcalinidad en las aguas residuales ayuda a
regular los cambios de pH causados por la adición de ácidos. Normalmente, el
agua residual es alcalina, propiedad adquirida de las aguas de abastecimiento,
aguas subterráneas y los materiales adicionados mediante los usos domésticos.
La alcalinidad se determina por titulación con un acido normalizado, expresando
los resultados como carbonato de calcio, CaCO3.(Crites y Tchobanoglous, 2000).
2.1.4 Tratamiento de aguas residuales
El tratamiento de las aguas residuales actualmente lleva consigo tantos procesos
de tratamiento y equipos, operaciones unitarias y de proceso que se hizo evidente
que, sobre todo, la ingeniería química debería tener una participación prioritaria en
la resolución de los problemas de aguas residuales.
Frecuentemente existe la tentación de pensar en los tratamientos de las aguas
residuales como de plantas separadas de la del proceso (solución <end-of-pipe>).
Esto significaría diseñar una planta sin tener en cuenta la reducción de la
contaminación en origen y en consecuencia considerando separadamente el
27
diseño de la planta de tratamiento de aguas residuales. Tal estrategia no debe ser
la utilizada ya que se considera poco rentable económicamente.
En resumen, para el tratamiento tanto de las aguas residuales domesticas como
industriales hay que empezar a considerar nuevas tecnologías, nuevos procesos y
en general nuevas líneas de tratamiento, así como modificación de las antiguas.
La imagen actual de una planta de tratamiento no es la de grandes depósitos de
hormigón, sino la de una serie de procesos unitarios integrados. Estas
operaciones, tanto físicas como químicas en su base, deben diseñarse caso por
caso para cada problema de aguas residuales. El técnico que deba enfrentarse a
este proceso, deben manejar con soltura estas operaciones unitarias y su
integración, estando de esta forma cualificado para diseñar las plantas de
tratamiento. (R. S. Ramalho, 1996).
2.1.4.1 Pretratamiento
La selección de los procesos de tratamiento de aguas residuales o la serie de
procesos de tratamiento dependen de un cierto número de factores, entre los que
se incluyen:
- Características del agua residual: DBO, materia en suspensión, pH,
productos tóxicos.
- Calidad del efluente de salida requerido.
- Coste y disponibilidad de terrenos; p. ej., ciertos tratamiento biológicos
(lagunajo, estanques de estabilización) son económicamente viables
únicamente en el caso de que se disponga de terrenos de bajo coste.
28
- Consideración de las futuras ampliaciones o la previsión de límites de
calidad de vertidos más estrictos, que necesiten el diseño de tratamientos
más sofisticados en el futuro.
Los pretratamientos de aguas residuales implican la reducción de sólidos en
suspensión o el acondicionamiento de las aguas residuales para su descarga bien
en los receptores o para pasar a un tratamiento secundario a través de una
neutralización u homogenización. (R. S. Ramalho, 1996)
Cribado
El cribado también llamado desbrozo, se emplea para la reducción de sólidos en
suspensión de tamaños distintos. La distancia o las aberturas de las rejillas
dependen del objeto de las mismas, y su limpieza se hace bien manualmente o
mecánicamente. Los productos recogidos se destruyen bien por incineración, o se
tratan por procesos de digestión anaerobia, o se dirigen directamente al vertedero.
Las materias solidas recogidas se suelen clasificar en finos y gruesos.
Las rejillas de finos tienen de 5 mm o menos. Generalmente están fabricadas de
malla metálica de acero, o en base a placas o chapas de acero perforado y se
usan muchas veces en lugar de tanques de sedimentación. Sin embargo, aunque
puede llegarse a eliminar entre un 5 y un 25% de sólidos en suspensión, de un 40
a un 60% se eliminan sedimentación. Por esta razón, y también porque el
atascamiento es normalmente un problema, el uso de tamices finos o con abertura
pequeña no es muy normal.
29
Las rejillas o cribas de gruesos tienen aberturas que pueden oscilar entre los 4 y 8
o cm. Se usan como elementos de protección para evitar que sólidos de grandes
dimensiones dañen las bombas y otros equipos mecánicos.
A veces se utilizan trituradoras en lugar de rejillas de gruesos. Estos elementos
rompen o desgarran los sólidos en suspensión, que se eliminan por
sedimentación. (R. S. Ramalho, 1996).
Desarenador
El termino arena se emplea para referirse a las arenas propiamente dichas, a las
gravas, cenizas y cualquier otro material pesado cuya velocidad de sedimentación
o peso especifico sea considerablemente mayor al de los sólidos orgánicos
susceptibles a la descomposición presentes al agua residual. Las arenas se
remueven de las aguas residuales para: 1) proteger los equipos mecánicos de la
abrasión y del excesivo desgaste, 2) reducir la formación de depósitos de sólidos
pesados en unidades y conductos aguas abajo, y 3) reducir la frecuencia de
limpieza de las diferentes unidades empleadas para la remoción de arenas.
Normalmente, los desarenadores se ubican después de las unidades que
remueven sólidos gruesos (tamizado) y antes de tanques de sedimentación
primaria, aunque en algunas plantas de tratamiento los desarenadores anteceden
las unidades de tamizado. Por lo general, la instalación de unidades de tamizado
fino del desarenador facilita la operación y mantenimiento de las instalaciones
destinadas a la remoción de arenas. Tres clases de desarenadores son los más
usados: de flujo horizontal para canales de sección rectangular o cuadrada;
aireados, y de vórtice. (Crites y Tchobanoglous, 2000).
30
2.1.4.2 Tratamiento primario
Medidor de caudal
Crites y Tchobanoglous mencionan que antes de entrar al proceso es necesario
conocer el caudal afluente y sus variaciones, por lo que se debe instalar un
medidor de caudal, de los más comunes son:
- Canal Parshall (control a la entrada).
- Vertedero (control a la entrada y, sobre todo, a la salida).
- Tubos Venturi (para tuberías).
Sedimentación
La sedimentación se utiliza en los tratamientos de aguas residuales para separar
sólidos en suspensión de las mismas.
La eliminación de las materias por sedimentación se basa en la diferencia de peso
especifico entre las partículas solidas y el liquido donde se encuentran, que acaba
en el depósito de las mismas en suspensión.
En algunos casos, la sedimentación es el único tratamiento al que se somete el
agua residual. La sedimentación puede producirse en una o varias etapas o en
varios de los puntos del proceso de tratamiento. En una planta típica de lodos
activados, la sedimentación se utiliza en tres fases del tratamiento: 1) en los
31
desarenadores, en los cuales la materia inorgánica (arena, a veces) se elimina del
agua residual; 2) en los clarificadores o sedimentadores primarios, que preceden
al reactor biológico, y en el cual los sólidos (orgánicos y otros) se separan; 3) en
los clarificadores o sedimentadores secundarios, que siguen al reactor biológico,
en los cuales los lodos del biológico se separan del efluente tratado.
Pueden considerarse tres tipos de mecanismos o procesos de sedimentación,
dependiendo de la naturaleza de los sólidos presentes en suspensión.
1.- Sedimentación discreta. Las partículas que se depositan mantienen su
individualidad, o sea, no se somete a un proceso de coalescencia con otras
partículas. En este caso las propiedades físicas de las partículas (tamaño, forma,
peso específico) no cambian durante el proceso.
2.- Sedimentación con floculación.
3.- Sedimentación por zonas. Las partículas forman una especie de manta que
sedimentan como una masa total presentando una internase distinta con la fase
liquida. (R. S. Ramalho, 1996).
Homogenización
Cuando se va a utilizar para conseguir la neutralización, la homogenización
significa la mezcla de las corrientes de aguas residuales, acidas y alcalinas en un
tanque de homogenización. La homogenización se utiliza a menudo para otros
objetivos aparte de la neutralización, como son: 1) aminorar las variaciones de
ciertas corrientes de aguas residuales, intentado conseguir una corriente
mezclada, con un caudal relativamente constante, que sea el que llegue a la
planta de tratamiento: y 2) aminorar las variaciones de la DBO del afluente a los
32
sistemas de tratamiento. Con este propósito se utilizan tanques de
homogenización de nivel constante o variable. (R. S. Ramalho, 1996).
2.1.4.3 Tratamiento secundario
Los objetivos principales del tratamiento biológico son estabilizar la metería
orgánica y coagular y remover los sólidos coloidales que no sedimentan y que se
encuentran en las aguas residuales domesticas y en las de los tanques sépticos.
Dependiendo de las circunstancias locales se pueden incluir otros objetivos tales
como la remoción de nutrientes, como el nitrógeno y el fosforo, así como de
rastros de compuestos orgánicos. En el nivel más fundamental, el tratamiento
biológico comprende: 1) la conversión de la materia orgánica carbonácea disuelta
y en estado coloidal en diferentes gases y tejidos celulares, 2) la formación de
copos biológicos compuestos de materia celular y de los coloides orgánicos
presentes en las aguas residuales, y 3) la subsecuente remoción de dichos copos
por medio de sedimentación por gravedad. Sin embargo, se debe tener en cuenta
que si el tejido celular producido no se retira por precipitación, este ejercerá una
DBO en las aguas residuales y el tratamiento será incompleto.
Los procesos aerobios ocurren en el tratamiento biológico en presencia de
oxigeno.
El proceso de lodos activados, desarrollado en Inglaterra en 1914 por Arden y
Lockett, recibió este nombre porque involucra la producción de una masa activa de
microorganismos capaces de estabilizar de manera aerobia un desecho. Hoy en
día se utilizan muchas versiones del proceso original, pero en lo fundamental tollas
ellas son similares.
33
En el proceso de lodos activados, las aguas residuales tamizadas y sedimentadas
se mezclan con cantidades variables (20 a 100%) del flujo interior del clarificador
secundario. La mezcla entra en el tanque de aireación, donde se mezclan los
organismos y las aguas residuales con gran cantidad de aire. Bajo estas
condiciones, los organismos oxidan una parte del desecho orgánico a dióxido de
carbono y agua, para obtener energía, y sintetizar la otra parte en forma de células
microbianas nuevas utilizando la energía obtenida de la oxidación.
Luego la mezcla entra en el tanque de decantación, donde los microorganismos
floculantes se asientan y son removidos de la corriente efluente. Entonces, los
microorganismos sedimentables, o el lodo activado, se recirculan hacia el inicio del
tanque de aireación para mezclarlos de nuevo con el agua residual. En este
proceso se producen de continuo los lodos activados nuevos, de cuyo exceso es
necesario deshacerse cada día (lodos activados de desecho) junto con los lodos
provenientes de la planta primaria de tratamiento. El efluente proveniente de una
planta de lodos activados adecuadamente diseñada y operada es de alta calidad;
en general con concentraciones de DBO5 y SST iguales o menores a 10 mg/L.
El proceso de aireación extendida es similar al proceso convencional de flujo de
pistón excepto que este opera en la fase de respiraciones endógena de la curva
de crecimiento, la cual requiere una carga orgánica baja y un tiempo de aireación
largo. El proceso se usa extensivamente para planchas compactas prefabricadas
para comunidades pequeñas.
En el proceso de flujo de pistón convencional el agua residual y el lodo activado
recirculado entran en el inicio del tanque de aireación y se mezclan por medio de
difusiones aire o por aireación mecánica. La aplicación de aire generalmente es
uniforme a lo largo de tanque. Durante el periodo de aireación ocurre adsorción,
34
floculación y oxidación de la materia orgánica. Los sólidos del lodo activado se
separan en un tanque de sedimentación secundario. (Crites y Tchobanoglous,
2000).
2.1.4.4 Tratamiento terciario
Desinfección
A veces, la descarga de aguas residuales tratadas debe tener unas condiciones
sanitarias específicas, entre las que se pueden incluir la desinfección.
La desinfección es una acción que tiene por objeto eliminar los microorganismos
patógenos, bacterias, parásitos y virus y la mayoría de los gérmenes ligeramente
nocivos menos resistentes.
Se debe tener en cuenta que, al fin y al cabo, una desinfección es una
postoxidacion, y se puede realizar por sistemas naturales o con desinfectantes, lo
que dependerá del sistema de depuración que se esté aplicando y de la
composición del agua residual que entre al sistema.
Normalmente, el agua residual tratada en un sistema cualquiera de depuración
requerirá una calidad, desde el punto de vista de las infecciones, que dependerá
de las exigencias sanitarias y legales establecidas para el receptor y para sus
aguas afluentes. (Dr. Mariano Seoánez calvo, 1999).
35
2.1.4.5 Tratamientos de lodos
Dentro de las características importantes de los lodos se encuentran la cantidad
esperada, el contenido de nutrientes y de sustancias químicas y el contenido de
metales pesados. Las características de los lodos varían con el tipo de operación
o proceso de aguas residuales que los produce, así como con la concentración del
agua residual.
Los lodos de los tanques sépticos y los lodos requieren en general de un cierto
nivel de tratamiento antes de su disposición final o de su reutilización. En muchos
casos, los lodos de los tanques sépticos se descargan en una planta municipal de
tratamiento de aguas residuales en donde se tratan como una fuente de agua
residual. En otras situaciones, las opciones para el tratamiento incluyen los
procesos convencionales de tratamiento de lodos, el tratamiento en suelo o una
combinación de tratamiento acuático y humedales artificiales. Los lodos pueden
procesarse en digestores o en lagunas de lodos como si fueran líquidos, pueden
deshidratarse para fabricar compost o pueden aplicarse en la tierra.
El lodo proveniente de la sedimentación y de los procesos de tratamiento biológico
debe estabilizarse o tratarse antes de disponer de él o de reutilizarlo. La necesidad
de la estabilización o del tratamiento depende del tipo de disposición o de
reutilización y de las molestias potenciales debidas a los olores en el lugar. El lodo
se procesa para: 1) eliminación de olores desagradables, 2) reducir o inhibir la
putrefacción potencial y 3) reducir su contenido de organismos patógenos. Las
formas de tratamiento incluyen: 1) la reducción biológica de los sólidos volátiles
biodegradables, 2) la oxidación química de los sólidos volátiles, 3) la adición de
sustancias químicas para volver el lodo no biodegradable y 4) calentamiento para
desinfectar o estilizar el lodo. Los métodos más comunes de tratamiento de lodos
36
para instalaciones pequeñas de aguas residuales son la digestión aerobia y las
lagunas de lodos. La digestión anaerobia, la oxidación química y la estabilización
con cal son los métodos más utilizados. (Crites y Tchobanoglous, 2000).
Digestión anaerobia
Por lo general, los digestores anaeróbicos no se asocian con los sistemas
pequeños de aguas residuales debido a su complejidad. Estos deben mezclarse y
calentarse, y es preciso controlar el pH del lodo. Además, hay que recuperar el
gas para usarlo o quemarlo al aire libre. Por estas razones, la digestión anaeróbica
se confina, de ordinario, a plantas de tratamiento convencionales grandes.
(Tchobanoglous, Burton, 1991; U.S. EPA, 1985)
Secado de lodos
La deshidratación es un procedimiento físico en el cual el contenido de humedad
se reduce (el contenido de sólidos aumenta). Para deshidratar lodos se utiliza gran
variedad de procedimientos y equipos. La deshidratación es necesaria porque 1)
es más eficiente el transporte de lodo (menos agua), 2) se disminuyen la
manipulación y el almacenamiento, 3) se logra el contenido mínimo requerido de
sólidos para el relleno de terrenos y 4) se obtiene un menor contenido de sólidos
para el compostaje o la quema.
La deshidratación mecánica se asocia con plantas grandes de tratamiento. Los
métodos principales de deshidratación mecánica son los filtros a presión de
banda, las centrifugas y los filtros a presión de placa (Tchobanoglous, Burton,
37
1991; U.S. EPA, 1987). Estos tipos de deshidratación rara vez son rentables para
los sistemas pequeños. (Crites y Tchobanoglous, 2000).
2.2 Normatividad
Las normas de calidad de las aguas están corrientemente basadas en uno o dos
criterios: calidades de las aguas superficiales o nomas de limitación de vertidos.
Las normas de calidad de aguas superficiales incluyen el establecimiento de
calidad de aguas de los receptores, aguas abajo del punto de descarga, mientras
que las normas de limitación de vertidos establecen la calidad de las aguas
residuales en su punto de vertido mismo.
Una desventaja de las normas de limitación e vertidos es que no establece
controles sobre el total de cargas contaminantes vertidas en los receptores. Sin
embargo, las normas de limitación de vertidos son mucho más fáciles de controlar
que las de calidad de cauces receptores que requieren un análisis detallado de
dichos cauces.
Las normas de calidad seleccionadas dependen de los usos del agua; algunas de
están incluyen: concentración de oxigeno disuelto (OD, mg/l), pH, color, turbidez,
dureza, (mg/l), sólidos disueltos totales (STD, mg/l), sólidos en suspensión (SS,
mg/l), concentración de productos tóxicos (o en cualquier caso especiales o en
duda) (mg/l), olor, temperatura.
38
2.2.1 NOM-003-ECOL-1997
Esta norma establece los máximos permisibles de contaminantes para las aguas
residuales tratadas que se reúsen en servicios al público, con el objetivo de
proteger el medio ambiente y la salud de la población, y es de observancia
obligatoria para las entidades públicas responsables de su tratamiento y rehúso.
Tabla #1.
TIPO DE
REUSO
PROMEDIO MENSUAL
Coliformes
Fecales
NMP/100 ml
Huevos de
Helminto
(h/l)
Grasas y
Aceites
mg/l
DBO5
mg/l
SST
mg/l
SERVICIOS
AL
PÚBLICO
CON
CONTACTO
DIRECTO
240
≤1
15
20
20
SERVICIOS
AL
PÚBLICO
CON
CONTACTO
INDIRECTO U
OCASIONAL
1000
≤5
15
30
30
39
La materia flotante debe estar ausente en el agua residual tratada, de acuerdo al
método de prueba establecido en la norma mexicana NMX-AA-006, referida en el
punto 2 de esta norma oficial mexicana.
El agua residual tratada rehusada en servicios al público no deberá contener
concentración es de metales pesados y cianuros mayores a los límites máximos
permisibles establecidos en la columna que corresponde a embalses naturales y
artificiales con uso en riego agrícola de la tabla 3 de la norma oficial mexicana
NOM-001-ecol-1996. (Diario oficial de la federación, 1997).
2.2.2 NOM-001-ECOL-1996
Esta norma oficial mexicana establece los límites máximos permisibles de
contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes
nacionales, con el objetivo de proteger su calidad y posibilitar sus usos, y es de
observancia para los responsables de dichas descargas. Esta norma oficial
mexicana no se aplica a las descargas de aguas provenientes de drenajes
separados de aguas pluviales. (Diario oficial de la federación, 1996).
40
Tabla #2
2.2.3 NOM-004-SEMARNAT-2002
Esta norma oficial mexicana establece las especificaciones y los límites máximos
permisibles de contaminantes en los lodos y biosólidos provenientes del desazolve
de los sistemas de alcantarillado urbano o municipal, de las plantas de tratamiento
de aguas residuales, con el fin de posibilitar su aprovechamiento o disposición
final y proteger al medio ambiente y la salud humana.
La planta deberá tener la capacidad de remover contaminantes y cumplir con las
siguientes condiciones: los lodos y biosólidos tipo “bueno” clase B. NOM- 004-
SEMARNAT-2002”. Sin embargo en nuestro proceso propuesto los lodos
obtenidos sin un costo adicional, son de clase “A” digeridos y mineralizados.
41
Tabla #3
Tabla #4
42
Tabla #5
En las actividades de desazolve de los sistemas de alcantarillado urbano o
municipal, así como en las correspondientes a la operación de las plantas de
tratamiento de aguas residuales se generan volúmenes de lodos, que en caso de
no darles una disposición final adecuada, contribuyen de manera importante a la
contaminación de la atmosfera, de las aguas nacionales y de los suelos, afectando
los ecosistemas del área donde se depositen.
Se ha considerado que los lodos por sus características propias o por las
adquiridas después de un proceso de estabilización pueden ser susceptibles de
aprovechamiento siempre y cuando cumplan con los límites máximos permisibles
de contaminantes establecidos en la norma oficial mexicana o, en su caso, se
dispongan en forma definitiva como residuos no peligrosos; para atenuar sus
efectos contaminantes para el medio ambiente y proteger a la población en
general. (Diario oficial de la federación, 2002).
III. MATERIAL Y METODOS
3.1 Investigación acerca del avance del proyecto
En este municipio se cuenta con una sola planta tratadora de aguas residuales,
que por su tamaño y objetivos no ha sido de mucha ayuda para que toda el agua
que se utiliza tenga la posibilidad de volver a ser tratada de una manera
considerable.
La visión del organismo operador municipal de agua potable ha acrecentado con
el paso de los años; por lo que se buscó la aceptación con el gobierno del estado
de un proyecto de una planta tratadora de aguas residuales que reuniera la
características idóneas que Navojoa necesitaba, el cual fue hecho por un grupo de
ingenieros que se dedican a la elaboración de patentes que se convierten en
proyectos a seguir.
Figura #1. Vista por fuera de la construcción de una parte de la planta.
Como se puede apreciar en la imagen anterior, la planta en construcción tiene un
diseño especial para trabajarla en un lugar que sea compatible con zonas
habitadas en la que no se generen olores, ni gases de efecto invernadero como
bióxido de carbono, gas metano, gases sulfurosos, etc., para que el proceso no
sea perjudicial para la comunidad.
45
Figura #2. Vista a lo largo de los canales de distribución de la planta.
El proceso de esta planta tratadora de aguas residuales está diseñado para que
los resultados se incrementen de manera favorable; ya que después de un
determinado tiempo el caudal de entrada determinado llegue hasta 976 litros por
segundo, eso se lograra gracias a los canales de distribución que se aprecian en
la figura anterior.
46
Figura #3. Vista hacia adentro de los canales que forman parte de canales de
distribución.
En esta imagen se pueden observar las direcciones de los vertidos que se
manejaran en la planta y la manera en la que se dispondrán según el diseño ya
puesto en práctica.
47
3.2 Estudio y análisis del proyecto
Tabla #6. Parámetros de entrada según el proyecto a seguir.
Parámetro Unidad Diseño
Temperatura °C 21-33
Material Flotante - presente
pH unidades de pH 6.7-7.9
Grasas y Aceites mg/lt 40
Sólidos Suspendidos Totales mg/lt 200
Sólidos Suspendidos Fijos ml/lt 2
DBO5 a 20°C mg/lt 250
Nitrógeno mg/lt 40
Fosforo mg/lt 8
Coliformes Fecales NMP/100lt 40000000
Arsénico mg/lt 0.04
Cadmio mg/lt 0.04
Cianuro mg/lt 0.03
Cobre mg/lt 0.1
Cromo mg/lt 0.04
Mercurio mg/lt 0.001
Níquel mg/lt 0.05
Plomo mg/lt 0.1
Zinc mg/lt 0.46
Los parámetros de entrada forman parte de la metodología; ya que según la
investigación realizada son el punto de partida para poder darle forma a la
estructura del simulador.
48
Figura #4. Diagrama de flujo del proceso de tratamiento de aguas residuales:
“lodos activados con aireación extendida simplificada”.
Según el análisis del proyecto de esta planta la estructura del proceso es el
expuesto en la imagen anterior; el cual de manera simplificada ayudará a que los
resultados que se esperan de la estructura del simulador valla de la mano con los
objetivos propuestos en el capitulo anterior.
3.3 Programa computacional
“Súper Pro desinger” es un programa computacional compatible con Windows que
tiene como objetivo general la simulación de procesos en estado estacionario, en
los cuales se presenta una serie de operaciones unitarias que están
caracterizadas según los parámetros que se toman en cuenta para que dicha
49
operación se lleve a cabo al mismo tiempo que su desarrollo cualitativo y
cuantitativo.
El ingeniero químico tiene la tarea de analizar a detalle matemáticamente
hablando cada operación unitaria para llevar al fin que se desea obtener, es decir
la solución de un problema o el resultado de un sistema. Este programa esta
creado para realizar este tipo de enigmas, por lo cual el trabajo del ingeniero se
reduce a un análisis meramente practico; ya que al utilizar “Súper Pro” se ahorra la
definición de las ecuaciones algebraicas con las funciones y los vectores que
forman el modelo matemático de la estructura del proceso que se quiere simular.
El ya mencionado software resulta atractivo ante la simulación del proceso de
tratamiento de aguas residuales; siendo este destacado ante los demás por los
detalles teóricos que el analista se ahorra, esto es gracias al diseño operacional,
práctico y visual que ofrece. En cuanto los tipos de tratamiento, muestra una gran
variedad al momento de destacar los detalles que diferencian a cada uno de los
tipos existentes.
Entre las operaciones unitarias que brinda el programa se encuentran de tipo
físicas, químicas y biológicas y son: reacciones estequiometrias, reacciones
cinéticas, reacciones ambientales, rompimiento celular, sedimentación, secado,
cambio de fase, absorción/adsorción, almacenamiento, cromatografía, filtración,
centrifugación, destilación, extracción, intercambio de calor, cambio de presión,
mezcla y separación de corrientes. Cada una de estas cuentan con una serie de
equipos y un icono que los representa, así como cada una de los cálculos
necesarios para llegar al fin en común.
.
50
Además el programa está caracterizado por los detalles que complementan a los
equipos; los que se utilizan en base a objetivo del proceso, también está contenido
en él, una biblioteca de ejemplos que proceso creados en él y una biblioteca de
370 componentes que se pueden utilizar como complementos o sustituyen el
papel que realizaría una operación que se encuentre. También permite efectuar
evaluaciones de costos y de impacto ambiental, calcular propiedades
termodinámicas.
Gracias a sus atributos, “Súper Pro” es muy utilizado en muchas universidades y
compañías de giro bioquímica, farmacéutica, química, alimenticia, tratamiento y
purificación de agua en todo el mundo.
Los equipos que se utilizaron en este trabajo son los siguientes:
- Caja genérica; la cual se usó cuando no hubo cambios de caudal,
distribución o división y cuando la operación unitaria no había producción ni
acumulación.
- Separador; se utilizó cuando hubo más una corriente de distribución.
- Mezclador; se aprovecho cuando unas de una corriente se unía en una
sola.
- Reactor biológico; es un reactor de tipo aerobio en el cual sucede la
reacción en la que se desaparece la materia orgánica, en el que se produce
la biomasa, el amonio y el dióxido de carbono.
- Clarificador; este simulador se basa en la teoría de la sedimentación y
necesita la especificación de las características de las partículas, la
concentración de los sólidos en el sedimento el porcentaje de remoción.
51
Las diferencias con otros simuladores no son muchos pero si contiene medidas de
especificación en relación con sus funciones, tales que llevan un orden al
momento de utilizar; independientemente de cuáles sean las operaciones que se
van a simular, se debe especificar si son de tipo batch o continuas, después está
listo para construir el diagrama de flujo, registrar los componentes, iniciar los
procesos y las corrientes de entrada, resolver balances de masa y energía, y por
ultimo generar los reportes correspondientes.
IV. RESULTADOS Y DISCUSIONES
A continuación se ve reflejada la presentación y la imagen del simulador tanto de
manera general como especifica, además de cada uno de los resultados que
arrojó al haber supuesto la cantidad y la calidad de agua que se encuentra
estipulada en el proyecto; incluyendo los parámetros que se usan para proceder
con el tratamiento de aguas y los contaminantes que el liquido contiene.
Bajo un previo análisis del proyecto de lodos activados con aireación extendida
simplificada se puede deducir que el objetivo que se propuso se ha cumplido con
la elaboración de este simulador; ya que como se expresó anteriormente no se
buscaba una réplica del proceso tal cual, sino un software que recibiera los
parámetros cumplidos y los trabajara al estilo de Súper pro, lo cual daría
resultados favorablemente adecuados a los que según el proyecto tendría que dar,
para que sucediera así se utilizaron métodos del programa que forman parte del
simulador que no necesariamente lo son del proceso que se utilizó como base.
Figura # 5. Vista general completa del simulador de tratamiento de aguas
residuales hecho en Súper pro desinger.
Las operaciones unitarias que según el simulador se llevan a cabo en este
proceso son las que se aprecian en la figura 5 y se describen a continuación:
- La primera operación que aparece es la mezcla de dos entradas que viene
directamente de la descarga del rio mayo.
- La segunda son las cribas, que tienen la función de retirar los sólidos lo
suficientemente grande como para considerarlos basura.
- Después se tiene un desarenador, en el que se elimina la mayor cantidad
de sólidos suspendidos fijos.
- Posteriormente un modulo que se encarga de repartir una cierta cantidad
de influente.
54
- En quinto lugar un mezclador que recibe una recirculación que procede del
tratamiento de lodos.
- Se tiene un modulo que se dedica a la medición del flujo con respecto a las
demás operaciones.
- Después un homogeneizador que se encarga de mezclar uniformemente
las moléculas del efluente y de eliminar una cierta cantidad de grasas y
aceites.
- En el lugar ocho se recibe una cantidad de biomasa que se esta
recirculando después del clarificador.
- La novena operación es la más compleja y significativa en todo el proceso;
se trata del reactor biológico.
- Aparece también modulo que se dedica a retirar otra gran cantidad de
grasas y aceites.
- Se colocó después una de las operaciones unitarias más comunes en este
tipo de tratamientos; el clarificador.
- Posterior al clarificador comienza la división entre el seguimiento del
tratamiento de aguas y el de lodos, reflejado con un separador.
- Para seguir se hace presente un separador; el cual tiene la labor de mandar
una cantidad de agua hacia el tratamiento de lodos.
- También se une una caja genérica que desaparece a los Coliformes y a los
huevos de Helminto.
- Por último para desinfectar el agua con un mezclador se une al agua ya
tratada una cierta cantidad de cloro.
- Para que se lleve a cabo la reacción biológica con más eficiencia, después
del clarificador se hay un separador que tiene la función de recircular una
cantidad de biomasa.
- La biomasa restante pasa por un digestor anaerobio que encierra el
tratamiento de lodos.
- Para completar y concluir el tratamiento de lodos, se tiene un filtrador que le
extrae toda el agua posible para recircular y unirla al efluente original de
aguas negras.
55
4.1 Pretratamiento
En realidad no existe una mezcla de dos entradas como se ve en la figura 5, sólo
hay una y se puede apreciar en la especificación de parámetros de la figura 6. Se
agregó otro vertido más, por posibles planes futuros de la existencia de otro
emisor de aguas negras, tomando en cuenta que en el simulador no afecta una
entrada sin valores agregados.
Figura #6. Apreciación de todos los parámetros que participan en todo el
tratamiento desde la primer entrada hasta la última salida.
56
Por medio de la aplicación “tasks” de la anterior se introdujeron los elementos
participantes en todo el proceso, incluyendo los detalles que intervienen en las
operaciones; tales como sus respectivas nombres, formulas, porcentaje,
concentración y flujo. De esta manera se activaron los que acompañan el efluente
desde un principio como: los Coliformes fecales, la DBO5, las grasas de aceites,
los huevos de Helminto, el material flotante, el nitrógeno, el fosforo, los sólidos
suspendidos fijos, los sólidos suspendidos totales y por ende el agua.
Figura #7. Remisión de la totalidad del material flotante por acción de la cribas.
Se puede observar en la figura 7 que en las cribas se está retirando el 100% de
todo el material flotante; que representa la basura que podría obstruir o dañar el
equipo que conforma el proceso (tuberías, reactores, contenedores, bombas, etc.),
por lo cual se considera que el cribado forma parte del pretratamiento que tiene la
función de acondicionar el efluente para su debido tratamiento tal y como se refleja
en la figura 8.
57
Figura #8. Parámetros del flujo que prosigue después de las cribas.
Figura#9. Cantidad de sólidos suspendidos fijos que se ha removido.
58
El desarenador así como el cribado forma parte del Pretratamiento; ya que en este
caso la principal razón por la cual interviene es que los sólidos que se retiran del
efluente son de tipo inorgánicos y podrían causar severos daños en el equipo. El
carbón mineral, ladrillo, ceniza gravilla, partículas metálicas, café molidos, cascara
de huevo y arena propiamente tal, con pesos específicos variables entre 1.3
ton/m3 son los contaminantes que forman el 100% de los sólidos suspendidos fijos
que se están retirando, eso se puede apreciar en la figura 9. En la siguiente figura
se muestran las características del agua ideales para continuar con el proceso
después del desarenador.
Figura #10. Cantidad de los parámetros que siguen en el efluente posterior al
desarenador.
Como se ve en la figura 5, después del desarenador se encuentra una
recirculación de agua residual que viene del tratamiento de lodos; esto provoca
una modificaciones en las cantidades de los parámetros, las cuales se reflejan en
la figura 11.
59
Figura #11. Parámetros que se encuentran incorporados en el agua residual en
proceso después de la primer recirculación.
4.2 Tratamiento primario
El tanque homogeneizador tiene una capacidad volumétrica 1301.458 m3, el cual
recibe un efluente con fluctuaciones temporales en la cantidad y en la calidad del
agua y el principio de esta operación es cesar con estas detalles que impiden la
unidad del vertido, además de mantener el flujo medio, evitando las variaciones
que se podrían presentar.
60
Figura #12. Cantidad de grasas y aceites que se retiran en el homogeneizador.
En este homogeneizador esta incluida la función de aireación; ya que se busca
que el proceso se encuentre en condiciones aerobias antes de entrar al
tratamiento secundario para su debido acondicionamiento. Así como se puede
apreciar en la figura 12, se está removiendo un 20% de las grasas y aceites, esto
se debe a que el proceso se está exponiendo al dicho sistema de aireación. Las
modificaciones que el vertido recibió gracias a la remoción de grasas y aceites se
ven en la figura 13.
61
Figura #13. Parámetros característicos del agua en proceso al salir del
homogeneizador.
4.3 Tratamiento secundario
Como se aprecia en la figura 14, previo al reactor biológico se recibe una cantidad
de biomasa que se recircula después del clarificador, esto es para que los
microorganismos residentes en la biomasa ayuden a que se lleven a cabo las
reacciones que corresponden al tratamiento secundario que acaban con la
llamada DBO5, el cambio en los parámetros se ven reflejados en las figuras
anteriores.
62
Figura #14. Cantidad de los parámetros de entrada al reactor biológico.
Figura #15. Cantidad de oxigeno en forma de aire que entra para la aireación.
El proceso de aireación extendida simplificada se lleva a cabo mediante la
consumación de la materia orgánica por las bacterias aeróbicas, satisfaciendo de
esta manera sus necesidades energéticas. Este tipo de bacterias pueden realizar
esta acción gracias a que el material orgánico que viene contenido en el agua es
63
biodegradable, lo que produce su desaparición gradual a través de un conjunto de
reacciones químicas que más adelante serán especificadas.
Una vez que en el proceso está en presencia del oxigeno como se observa en la
figura 15, las sustancias como el carbono, nitrógeno, hidrogeno, azufre y fosforo
del material biodegradable se convierten en CO2, HCO3-, H2O, NO3-, SO4 Y
PO4, las cuales son expulsadas en esta operación unitaria.
La acción de los microorganismos en una de los métodos para degradar la materia
orgánica, se representa por la siguiente reacción tomando en cuenta que es de
primer orden con una constante “k” de 0.1 /h:
glucosa (DBO5) + 6 O2 ------ 6 CO2 + 6 H2O
También se realiza considerando que la reducción del oxigeno en la respiración
endógena puede llevar tanto a la mineralización como a la degradación parcial de
los sustratos orgánicos mediante la siguiente reacción.
biomasa + O2 ----------bacterias------------ CO2 + H2O + NH3
Siendo esta de primer orden y utilizando una constante “k” de 0.003125 /h.
La producción de biomasa resulta esencial en esta parte del proceso; ya que es la
que lleva consigo los microorganismos que hacen el trabajo durante una fase
llamada “síntesis”; en la cual nacen nuevas células, lo que permite el aumento
biomasa, mientras que en la fase de respiración endógena hay un decremento
64
notable de biomasa, tal y como ya se mencionó. Eso se debe a la siguiente
reacción, trabajando en primer orden con una constante “k” de 0.21 /h:
NH3 + glucosa (DBO5) + O2 -------------- biomasa + CO2 + H2O
Es importante mencionar también que algunas de las condiciones en las que este
proceso trabaja tales como el tiempo de retención celular que es de 32.2492 días
y la capacidad volumétrica que es de 13512.83 m3 están bajo el régimen de los
tres módulos en conforman el tratamiento biológico. Las reacciones descritas y los
parámetros que se mencionaron son de vital importancia para que el agua en
proceso tenga las características que se observan en la figura 16.
Figura #16. Valores de los parámetros una vez terminado el tratamiento biológico.
65
Figura #17. Cantidad de grasas y aceites que se retira del agua en proceso.
Las grasas y aceites son retiradas gracias a la aireación que es producida en el
reactor biológico, aunque como se puede apreciar en la figura 17 no es una
técnica que sirva al 100%. El retiro de estos importantes contaminantes residentes
en el agua se realiza en el tratamiento biológico pero en el simulador se ve
reflejado en un modulo colocado después del reactor, esto se hizo de esta manera
por la razón de que no existe una función dentro del programa que retire grasas y
aceites dentro del reactor biológico. Es importante señalar que este movimiento no
afecta absolutamente en nada; ya que las cantidades finales son favorables al
diseño del proceso, así como de su previo calculo.
66
Figura #18. Parámetros que caracterizan el agua en proceso después de la
remisión de las grasas y aceites.
4.4 Tratamiento terciario
Se puede apreciar en la figura 5 que en el clarificador hay tres salidas; una
corresponde a la biomasa y se aprecia en la figura 19, otra salida es la de la de los
gases y se refleja en la figura 20 y la tercera es la que lleva consigo al agua
directamente al tratamiento terciario. Las cantidades y porcentajes de los
parámetros siguen en el proceso se especifican en la figura 21.
67
Figura #19. Biomasa que es removida y separada del vertido en el clarificador.
Figura #20. Cantidad de gases emitidos por el clarificador.
68
Figura #21. Parámetros que siguen en el vertido después del clarificador.
Dentro del tratamiento de lodos se estipuló un filtrador con la finalidad de lavarlos
y después secarlos; para esto se manda una cierta cantidad de agua en proceso a
una de las entradas del filtrador, esta cantidad de agua es la que se observa en la
figura 22. Esta acción cambia las características cuantitativas del vertido y se
puede apreciar en la figura 23.
69
Figura #22. Cantidad de vertido que se dirige al filtrador.
Figura #23. Reflejo del cambio en las cantidades de los parámetros después de
mandar una cantidad de agua al filtrador.
70
Figura #24. Cantidad de Coliformes y huevos de Helminto que se retiran antes de
la última operación unitaria.
Es importante señalar que los Coliformes fecales y los huevos de Helminto tienen
características que no son compatibles con el simulador; es decir, así como se
observa en la figura 24 se ha creado una función que retira una cantidad de estos
contaminantes. Estas características no permiten al agua deshacerse de estos
contaminantes, por lo que todavía están contenidos en ella pero como materia
muerta que no afecta en la calidad final del agua tratada que se describe en la
figura 25.
71
Figura #25. Parámetros que caracterizan el vertido al retirar los últimos
contaminantes.
El cloro es uno de los desinfectantes universales que se utiliza la mayoría de las
veces en el tratamiento de aguas, es por esta razón por la que se agrega la
cantidad que se aprecia en la figura 26, de esta manera se termina el proceso de
tratamiento de aguas.
72
Figura #26. Cantidad de cloro que se introduce al agua para desinfectarla.
A continuación en la figura 27 se interpreta cuantitativamente la calidad del agua
tratada y desinfectada. El vertido ya tratado que cumple con la NOM-003-ECOL-
1997 es transportado y depositado en estancias del rio mayo en Navojoa, Sonora.
73
Figura #27. Calidad final del agua que cumple con las normas establecidas en el
proyecto.
Como se mencionó anteriormente, después del tratamiento que el clarificador le
da a la biomasa, el porcentaje de biomasa que se aprecia en la figura 28
recirculado al reactor biológico para que los microorganismos contenidos en ella
sirvan para la degradación de la materia orgánica.
74
Figura #28. Reflejo de las cantidad de biomasa que se recircula al reactor
biológico.
El proyecto de la PTAR incluye por razones determinantes el tratamiento de lodos,
de esta manera se contribuye al medio ambiente y gracias al simulador se puede
observar en la figura 29 la cantidad de biomasa que se dirige a su debido
tratamiento.
75
Figura #29. Cantidad de biomasa que se dirige al tratamiento de lodos.
4.5 Tratamiento de lodos
El sistema anaerobio para el tratamiento de lodos ocupa un tiempo de retención
de 163.058 horas, mientras que se lleva a cabo una reacción de primer orden con
una constante “k” de 2.14 /h.
Biomasa + H2O ----------- NH3 + CO2 + CH4
Gracias a esta reacción el tratamiento de lodos puede expulsar gases como los
que se observan en la figura 30 y se modifican las características de la biomasa,
tal y como se aprecia en la figura 31.
76
Figura #52. Activación del porcentaje de gases que son emitidos en el reactor
anaerobio.
Figura #30. Cantidad de gases que son expulsados en el tratamiento de lodos.
Figura #31. Parámetros que caracterizan a los lodos después de su tratamiento
anaerobio.
77
En la figura 32 se observa que el filtrador funciona como secador; ya que una gran
cantidad de humedad que esta contenida en el vertido se separa para que este en
las condiciones ideales para la reutilización de la biomasa.
Imagen #32. Cantidad de agua que se desecha del tratamiento de lodos en el
secado y que posteriormente es recirculada al tratamiento de aguas antes de la
repartición y desviación de la misma.
La figura 34 describe detalladamente los parámetros que caracterizan los lodos
una vez ya tratados que cumplen con la NOM-004- SEMARNAT-2002.
78
Figura #33. Calidad de los lodos al final de su debido tratamiento según las
normas estipuladas.
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
Son innegables los beneficios que resultaron de un verdadero interés en la
necesidad que una localidad tiene en el líquido del que depende en un gran
porcentaje la vida del ser humano, también se han encontrado amplias soluciones
que se pueden lograr al buscar mejoras para el rehúso de agua que los habitantes
de una comunidad consumen de manera irreversible. Estos son presentados a
continuación de una manera desplegada:
- Una satisfacción entre los que llevaran a la practica el proyecto; ya que se
les entregara una copia del simulador como gratificación por haber aportado
a este trabajo y de esta manera se les facilitara el trabajo en el momento en
que se les presentes problemas y cuando deseen hacer modificaciones en
el proceso gracias al simulador.
- Tal y como se puede notar en los resultados y discusiones; este programa
no es totalmente compatible con los detalles que componen el proceso
estudiado, así como con algunas de las operaciones unitarias por las que el
agua tiene que pasar, es por eso que se han manipulado las funciones que
lo caracterizan para que pueda dar los resultados esperados.
- Gracias al manejo de un simulador se pueden reducir costos; ya que si en
el proceso hay un error de operación, en el programa puede ser detectado y
de esta manera ahorrar tiempo, energía y por consiguiente capital.
80
- El simulador está expuesto a modificaciones en su estructura interna y
externa; por lo que si en la planta hay incrementos o decrementos de flujo
de agua o de cualquier otro parámetro, este los refleja una vez que
manualmente se han hecho dichas modificaciones.
- Gracias a la versatilidad del simulador se llega a la conclusión de que la
técnica de aireación extendida simplificada es buena; ya que los datos
arrojados fueron aceptados posteriormente de ser introducidos después de
haberlos investigado, además de ser una técnica económica por el tipo de
operaciones que la componen.
- En cuestión de cantidad y calidad, el simulador refleja resultados
aceptables en el aspecto de tratamiento de aguas y también en el de lodos,
cumpliendo con las normas para tal fin.
- Es una técnica flexible y se puede analizar en el momento en el que se
trabaja con el simulador, esto es porque así como puede prescindir de una
operación unitaria, se puede trabajar para agregarle otra si es preciso
hacerlo.
- El simulador cumplió con las expectativas planteadas en el objetivo, pues al
duplicarse el proceso, se obtuvieron las concentraciones del agua producto
de la PTAR que marca el proyecto.
- El simulador responde satisfactoriamente al cambiar los parámetros
cinéticos básicos del tratamiento de agua. Lo anterior se refleja al cambiar
las constantes cinéticas de oxidación de la materia orgánica, se cambia la
calidad del agua producto.
- El simulador responde satisfactoriamente cuando se incrementan los
porcentajes de remoción en las operaciones de cribado, desarenado y
eliminación de coliformes y huevos de helminto, estas cantidades
disminuyen en el agua producto.
Recomendaciones
81
El poner atención especial en el tratamiento y el rehúso del agua es tan importante
como llevar la propia vida; esto se debe realizar de la mejor manera posible y
utilizando métodos que expongan a estos tipos de procesos a mejoras
progresivas.
Una buena recomendación seria no quedarse contenido en las ideas originales de
un proyecto en específico para desprenderse de un trabajo continuo que permita
una renovación de cada detalle de dicho proyecto; ya que como cualquier cosa o
situación existe la posibilidad de convertirse en obsoleto.
Un buen método para someterse a cambios si es que se necesitan, es la
elaboración de un simulador que refleje el desarrollo de cada una de las
operaciones unitarias que se llevan a cabo para someter a las aguas negras de
esta comunidad a ser tratadas. En este trabajo se ha demostrado que el software
“Súper pro desinger” es un buen programa para la creación de un simulador con
tales características.
Por consiguiente, si métodos computacionales como un simulador son tomados en
cuenta en el trabajo que se ejecuta para cesar con problemas como la necesidad
del agua, también es prioritario contar con personal capacitado para manejar este
tipo de métodos y procesos de tratamiento como el que describe el simulador
anteriormente presentado.
82
Bibliografía
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Comunicación Social Boletín #617, 2010. Gobierno municipal de Navojoa 2012-
2015.
Blázquez, Pamela y montero, Ma. Cecilia. Reutilización de agua en Bahía blanca
plata 3era cuenca. Tesis de maestría no publicada, Universidad tecnológica
nacional, México.
Carabias Lillo, Julia (1997). Norma oficial mexicana nom-003-ecol-1997, que
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Carabias Lillo, Julia (1996). Nom-001-ecol-1996, que establece los límites
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