TRATAMIENTO DE EFLUENTES (Sección D)

� TEMA 10 PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS PRIMARIOS

Cátedra Ingeniería Sanitaria – DICProf. Asoc. Dr. Ing.Horacio CampañaCurso 2012

Tratamiento de Aguas Residuales

Es el tratamiento de la porción “sólida” (generalmente, más de 80% agua) removida del agua contaminada. La finalidad del proceso es de secarlo y tratarlo para reducir los patógenos.

Tratamiento de barros

Es el tratamiento adicional para remover patógenos.Desinfección

Tratamiento para cuerpos de agua receptores sensitivos o ciertos tipos de re-uso. Normalmente se trata de remover nutrientes (nitrógeno y fósforo) del agua.

Tratamiento Terciario

La finalidad de este es remover material orgánico en suspensión y disuelto, utilizando procesos biológicos. Dos grandes grupos son: aeróbicos (en presencia de aire) y anaeróbicos (en ausencia de aire).

Tratamiento Secundario

La finalidad de este es remover sólidos suspendidos removibles por medio de sedimentación, filtración, flotación y precipitación.

Tratamiento Primario

Unidades iniciales para eliminar materiales gruesos. Las principales unidades son las rejas y el desarenador.

Tratamiento Preliminar o

Pre-Tratamiento

DescripciónClasificación

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALESProcesos físico-químicos

Formas de homogeneización

• Homogeneización del flujo

• Homogeneización de la contaminación

• Homogeneización del flujo y la

contaminación

La operación puede llevarse a cabo

– En línea

– En derivación

Homogeneización

Permite minimizar o controlar las fluctuaciones en el caudal y características de las aguas residuales

Proporciona:� Absorción de las fluctuaciones, evitando sobrecargas

� Favorece el control de pH� Proporciona flujo continuo en sistemas biológicos

� Permite descargas controladas� Previene elevadas concentraciones de metales

Consideraciones de diseño

• Construcción (materiales, geometría,

limpieza,...)

• Necesidades de mezclado y aeración

– 4-20 W/m3 (para SS = 200 mg/L)

– Aire 10-15 L/min m3

• Sistemas de bombeo y control

Métodos de mezcla

• Distribución del flujo de entrada y placas

deflectoras

• Agitación con turbinas

• Aeración mecánica

• Agitación con difusores

Homogeneización del flujo

A partir de los datos de caudal frente a tiempo se

determina:

- Caudal medio

- Volumen acumulado

- Volumen homogeneizado (Qmedio x tiempo)

- Diferencia Vacum – Vhomg

-Valor máximo = Mínimo volumen homogeneización

- Introducir un factor de seguridad

• El tipo de sedimentación depende de:

– Concentración de la suspensión

– Características de las partículas

• Tipos

– Sedimentación de partículas discretas (I)

– Sedimentación floculenta(II)

– Sedimentación retardada (III)

– Compresión(IV)

• Sedimentación: separación de partículas de mayor

densidad que el agua.

• Tipos de sustancias que pueden sedimentar:

– Partículas discretas (sedimentación tipo I)

– Partículas floculentas (sedimentación tipo II)

• Sedimentación tipo I: las partículas sedimentan

individualmente sin que se produzca agregación.

• Se utiliza como proceso para eliminar sólidos suspendidos

• Existen tres tipos de sedimentación (dependiendo del tamaño de partículas)

• Tipo I – sedimentación discreta

Sigue la ley de Stoke

• Tipo II – sedimentación floculada (difusa)

Las partículas son coloidales , aumentan tamaño y decantan más rápido

• Tipo III – sedimentación en bloque (piston)

Las partículas asociadas (conglomerados) decantan en masa

• Fuerzas que intervienen en la sedimentación:

– Gravedad (FM)= (ρs-ρl)·g

– Resistencia debida a viscosidad e inercia

(F t) = C · ρl · v /2

– En condiciones de flujo laminar las partículas

sedimentan siguiendo la ley de Stokes:

2

180 )··( dV ls

g ρρµ −=

vg D

C

s l

d l

=−4

3

( )ρ ρ

ρ

CNd =24

Re

NvD l

Re =ρ

µ

vQ

Ao =

Sedimentación de partículas discretas

ρ

ρρ

D

pp

C

Dgv

3

)(4 −=

Para Re < 1 µ

ρρ

18

)( −=

ppgDv

Resuspensión: se produce cuando la velocidad del fluido > vc

f

gDv

pp

c

)1(8 −=

ρββ= cte, 0,04 (arena) y 0,06 (material pegajoso)

f =factor Weisbach-D´Arcy 0,03 (hormigón)

SISTEMAS DISPERSOSSISTEMAS DISPERSOS

COLOIDESCOLOIDESPartPartíículas grandes (1culas grandes (1--10nm a 110nm a 1--10 10 µµµµµµµµm)m)Interacciones atractivas fuertesInteracciones atractivas fuertes

De acuerdo a la afinidad entre la fase dispersante y la fase De acuerdo a la afinidad entre la fase dispersante y la fase dispersa dispersa (generalmente H(generalmente H22O) se clasifican en:O) se clasifican en:

LILIÓÓFOBOS/HIDRFOBOS/HIDRÓÓFOBOS: TermodinFOBOS: Termodináámicamente micamente inestablesinestables

LILIÓÓFILOS/HIDRFILOS/HIDRÓÓFILOS: TermodinFILOS: Termodináámicamente establemicamente estable

Fase dispersanteFase dispersa

ESTABILIDAD DE COLOIDES LIESTABILIDAD DE COLOIDES LIÓÓFOBOS/HIDRFOBOS/HIDRÓÓFOBOS FOBOS (1)(1)

EMULSIONEMULSION SUSPENSIONSUSPENSION

RelaciRelacióón Superficie/volumen grande ( A/V) Tendencia n Superficie/volumen grande ( A/V) Tendencia de las partde las partíículas a asociarse para reducir su culas a asociarse para reducir su áárea rea

superficial (G = A superficial (G = A γγγγγγγγ))

Flotación o

creamingSedimentación,

floculación, coalescencia

Espontáneo Estabilización

por formulación

ESTABILIDAD DE COLOIDES LIOFOBOS (2)ESTABILIDAD DE COLOIDES LIOFOBOS (2)

Movimiento de encuentros Movimiento de encuentros creamingcreaming oopartpartíículas culas

sedimentacisedimentacióónnVelocidad de Velocidad de creamingcreaming o sedimentacio sedimentacióón = vn = v

Ley de Ley de StokesStokes v = 2 g rv = 2 g r22 ((ρρρρρρρρ11111111 −−−−−−−− ρρρρρρρρ22222222))))))))

9 η9 η9 η9 η9 η9 η9 η9 η

r = radio de la partr = radio de la partíículacula

((ρρ11 −− ρρ22) = ) = diferencia de diferencia de

densidad entre las dos fasedensidad entre las dos fase

η = η = viscosidad de la fase viscosidad de la fase

dispersantedispersante

v se reduce v se reduce sisi

��PartPartíículas mculas máás peques pequeññasas��Incremento la viscosidad de la fase dispersanteIncremento la viscosidad de la fase dispersante��Disminuyo la diferencia de densidad entre las Disminuyo la diferencia de densidad entre las dos fases dos fases

• Estabilidad de partículas coloidales

– Efectos de carga

– Solvatación

• Desarrollo de la carga

– Adsorción preferente

– Ionización

• Mecanismos de desestabilización

– Compresión de la doble capa

– Adsorción para neutralizar la carga

– Inmersión dentro de un precipitado

– Adsorción y enlace de puente interpartícula

Coagulación

Agregado y mezclado rápido de un coagulante

con el agua (cruda o residual)

– Neutraliza cargas eléctricas

– colapsa la capa superficial de las partículas

– Promueve aglomeración

– Promueve formación de flóculos que decantan

más rápido

Floculacion• Velocidad de agregación de coloides depende de:

– Velocidad de colisiones entre partículas

– Eficacia de las colisiones

• Contactos debidos a:– Movimiento Browniano (Floculación pericinética) Jp

– Movimiento del fluido (Floculación ortocinética) J0

– Sedimentación de partículas

• Coagulantes

– Alúmina

– Hidróxido cálcico

– Sulfato ferroso (+ Hidróxido cálcico)

– Cloruro férrico

• Floculantes

– Sílice activada

– Polielectrolitos

• Aniónicos

• Catiónicos

• No iónicos

• Floculación: una vez desestabilizadas las partículas se facilita su agregación en partículas mayores que puedan separarse por otro medio (sedimentación, flotación...)

COAGULACIÓN

FLOCULACIÓN

•Reactivos: compensación

de cargas negativas

mediante la adición de

cationes (a mayor valencia,

mayor efectividad): sales

inorgánicas de Al3+ y Fe3+.

•Floculantes polímeros

inorgánicos u orgánicos

•Importancia del grado de

mezcla y tiempo de

contacto.(mezcla rápida+

mezcla lenta).

Rawwastewater

Rapid mix

tank

Mixer Flocculator

Flocculation

tank

CoagulantSedimentation

tank

Sludge

Clarifiedwastewater

• Al2(SO4)3 · 14 H2O + 3 Ca(HCO3)2 � 2 Al(OH)3 � + 3 CaSO4 +

14 H2O + 6 CO2

• Fe2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 � 2 Fe(OH)3 � + 3 CaSO4 + 6 CO2

Métodos de mezcla

� Distribución del flujo de entrada y placas deflectoras

� Agitación con turbinas� Aeración mecánica� Agitación con difusores

Mezclado� Mezcla rápida� Mezcla lenta

Mayor energía ⇒ Mayor turbulencia ⇒ Mayor mezclado

n

PVG

Q

1 td =

nV

PG =

G = Gradiente de velocidad (s-1)

P = Potencia necesaria (W)

V = volumen (m3)

n= viscosidad dinámica (N s m-2)

td = tiempo de retención (s)

Q = caudal (m3 s-1)

td G (s-1)

Mezclado rápido 5-20 s 250-1500

Floculación 10- 30 min 20-80

Mezcladores (hélice y turbina, paletas, Estáticos y neumáticos)

El transporte de masa es importante porque condiciona la velocidad de las reacciones

VELOCIDAD DE TRANSPORTE Vs. VELOCIDAD DE REACCION

FACTORES QUE AFECTAN EL TRANSPORTE DE MASA :

1-PRESENCIA DE DISTINTAS FASESLíquido — Sólido ( medio- Biomasa) Gas — liquido ( aire- liquido)

2- -SE TRABAJA CON MEDIOS DILUIDOS* Baja concentración de nutrientes y células ⇒ baja transferencia* Cambios en la concentración del catalizador y sustratos durante el

proceso

3- ALTA VISCOSIDAD(Polímeros, micelio, etc)

4- DISTANCIA

NeutralizaciNeutralizacióónn

Neutralización es un proceso en el cual un reactivo ácido se agrega a un líquido alcalino, o un reactivo alcalino se agrega a un líquido ácido, para ajustar el pH a un dado valor

–El valor deseado de pH, valor de ajuste , depende del tratamiento

–El rango de pH para descarga en colector cloacal es 7.0-10.0 (ó 6.5-10 otra condición)

Esquema Neutralización

NaOH reagent

Neutralized waste

stream

NaOH feed control

Mixer

pH sensor

Acidic waste

stream

• Pretende adecuar el pH a las condiciones

óptimas de operación

– Procesos biológicos (6,5 – 8,5)

– Procesos físico químicos

Empleo de efluentes residuales

Empleo de ácidos y bases de bajo costo

• Mezcla de corrientes ácidas y alcalinas

• Neutralización de aguas ácidas en lechos de

caliza

• Mezcla de aguas ácidas con lechada de cal.

• Neutralización de aguas alcalinas con

ácidos fuertes (clorhídrico)

• Resinas iónicas

Curva de titulación

ml NaOH

0 2 4 6 8 10 12 14 16

pH

0

2

4

6

8

10

12

pH = 7.0

Requireddosage

La cantidad de reactivo necesario se puede calcular mediante la curva de titulación

PrecipitaciónProceso unitario donde las especies

presentes solubilizadas, son separadas de la

solución mediante el agregado de un

compuesto químico, que convierte a la

especie soluble en insoluble. La separación

final es por sedimentación.

•Precipitación química: mediante la adición

de reactivos, contaminantes solubles se

transforman en formas insolubles o de

menor solubilidad.

•Principales aplicaciones:

•Ablandamiento de aguas: eliminación por

precipitación de sales de calcio y magnesio

que tienden a producir precipitados en

conductos (cañerías).

•Precipitación de sílice con hidróxidos de Al, Mg o Fe.

•Precipitación de metales pesados a través de la formación de sulfuros (difícilmente solubles): Na2S con hidróxidos que ayudan a la precipitación.

•Precipitación de sulfatos:

Ca2+ (como cal)+ SO42-�

CaSO4 ·2H2O

•Precipitación de fosfatos con cal, Fe3+ o Al3+:

• Conversión de una sustancia soluble en insoluble

• Eliminación de metales tóxicos

– Precipitación como hidróxido

– Precipitación como sulfuro

– Precipitación como carbonato

– Precipitación como metal elemental

Solubilidad hidróxidos metálicos

CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE EMULSIONESN DE EMULSIONES

EmulsiEmulsióón: o/wn: o/wFase dispersa: AceiteFase dispersa: AceiteFase dispersante: AguaFase dispersante: Agua

EmulsiEmulsióón: w/on: w/o

Fase dispersa: AguaFase dispersa: Agua

Fase dispersante: AceiteFase dispersante: Aceite

Emulsiones mEmulsiones múúltiples w/o/w o ltiples w/o/w o

o/w/oo/w/o

MicroemulsionesMicroemulsiones

Flotación

� Proceso inverso a la sedimentación� Las burbujas de aire adheridas a laspartículas las impulsan a subir a la superficie, de donde son extraídas porespumado

� Muy utilizado en separación de aceites y grasas del agua� API separadores

• Separación de partículas sólidas y líquidas o concentración y separación de fangos

• Depende de :– Afinidad del aire a la partícula

– Densidad de la partícula

– Diámetro de la partícula

– Concentración de sólidos, geometría,..

• Fundamento similar al de la sedimentación

• Tipos de flotación– Por dispersión de aire

– Electrolítica

– Por aire disuelto (presurización)

• Flotación: aplicado a aquellas partículas de

menor densidad que el agua. Tipos:

– Natural (puede ser ayudada mediante algún

método externo).

– Inducida: cuando la densidad inicial de las

partículas es mayor y es reducida

artificialmente.

• Flotación natural: empleada normalmente

para la separación de aceites y grasa del

agua.

• En el caso de grasas la flotación a veces se

ayuda mediante la introducción de burbujas

de aire

• El agua residual se presuriza en presencia de aire. La mezcla se expansiona liberándose pequeñas burbujas de aire que se adhieren a las partículas.

• Criterios de diseño– Concentración en materia en suspensión del efluente

– Velocidad ascensional de la materia flotante

– Espesamiento de la materia flotante

• Diseño basado en datos de laboratorio

• Parámetro fundamental A/S (aire/sólidos)

• Existen dos formas de operar:– Flotación directa

– Flotación con recirculación

• Flotación inducida: la técnica más usada es la

producción de microburbujas mediante la

presurización (DAF).

– Disolución de aire a presiones de 3-6 bares. La

despresurización produce burbujas de 40-70 µm que

producen la flotación de Sólidos.

– Aplicaciones:

• Separación y concentración de sólidos y fangos.

• Separación de aceites de refinerías.

• Separación de fibra de papel en papeleras.

Sedimentación� El tipo de sedimentación depende de:

� Concentración de la suspensión� Características de las partículas

� Tipos� Sedimentación de partículas discretas� Sedimentación floculante� Sedimentación en bloque� Compresión

Sedimentación� Se utiliza como proceso para eliminar sólidos

suspendidos � Existen tres tipos de sedimentación (dependiendo del

tamaño de partículas)� Tipo 1 – sedimentación discreta

Sigue la ley de Stoke� Tipo 2 – sedimentación floculada (difusa)

Las partículas son coloidales , aumentan tamaño y decantan más rápido

� Tipo 3 – sedimentación en bloque (piston)Las partículas asociadas (conglomerados) decantan en masa

Zonas del sedimentador

FLOCULADOR/SEDIMENTADOR

CLARIFICADOR