Caracteristicas del agua

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

TECNOLOGIA AMBIENTAL

ENERO- JUNIO 2014.

INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGIA DEL AGUA

• El Instituto Mexicano de Tecnología del Agua se crea como un organismo público descentralizado con personalidad jurídica y patrimonio propios, cuya coordinación sectorial corresponderá a la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, quien dictará las políticas normativas, coordinará la programación presupuestación, y conocerá la operación y los resultados, conservando el Instituto la autonomía de gestión para el cabal cumplimento de su objeto y de los objetivos y metas señalados en sus programas

• Que tiene como objeto realizar investigación, desarrollar, adaptar y transferir tecnología, prestar servicios tecnológicos y preparar recursos humanos calificados para el manejo, conservación y rehabilitación del agua y su entorno, a fin de contribuir al desarrollo sustentable.

Contenido

• Características de las aguas residuales–Fuentes–Características físicas–Características Químicas–Características Biológicas

• Composición de las aguas residuales

Contenido

• Prevención de la contaminación : Disminución de consumo y reducción de aguas residuales

• Métodos de tratamiento

– Parámetros de diseño de sistemas de tratamiento– Clasificación de los métodos

– Niveles de tratamiento

– Aplicación de las operaciones y procesos unitarios

– Elementos de diseño

1. Características de las Aguas Residuales

Fuentes de las aguas residuales

• Agua residual doméstica:– Zonas residenciales– Zonas comerciales– Zonas institucionales– Centros recreativos

• Agua residual no doméstica– Industrias

• Infiltraciones y conexiones erradas

Características Físicas

Sólidos totales (T°=105°C)

Volátilesorgánico

Fijosinorgánico

Suspendidosretenido

Disueltosfiltrado

Filtración (0.45 micras)Temperatura (T° 550°C)

Ejercicio

Los siguientes resultados de laboratorio fueron obtenidos para una muestra de agua residual. Los ensayos se realizaron para una muestra de 50 ml.

Determine:

Concentración de Sólidos totales, Sólidos totales volátiles, Sólidos suspendidos, Sólidos suspendidos volátiles

Tara de la cápsula de porcelana = 53.5433 gr

Masa de la cápsula + residuo, luego de evaporación a 105°C = 53.5793 gr.

Masa de la cápsula + residuo, luego de calcinación a 550°C = 53.5772 gr.

Tara del filtro = 1.5433 gr

Residuo en el filtro, luego de secado a 105°C = 1.5553 gr

Residuo en el filtro, luego de calcinación a 550°C = 1.5531 gr


• Color– Causado por sólidos suspendidos (aparente),

material coloidal y sustancias en solución (verdadero).

– Fuentes de color: infiltración, aportes por conexiones erradas, descargas industriales, y descomposición de compuestos orgánicos.

– Café claro, gris claro, gris oscuro o negro.


• Olor:– Agua residual fresca: olor inofensivo– Generadores de olores: indol, escatol mercaptanos,

sulfuro de hidrógeno.– Métodos de medición: métodos sensoriales e

instrumentales.

Escatol

• El escatol o 3-metilindol es un compuesto orgánico blanco cristalino medianamente tóxico, derivado del indol. Se encuentra naturalmente en el alquitrán de hulla y en las heces.

• Fórmula: C9H9N

• Masa molar: 131,1744 g/mol

• Punto de ebullición: 265 °C

Nombre delcompuesto

Fórmula química Pesomolecular

Volatilidad a25ºCPpm (v/v)

Umbral dedetección deolorppb (v/v)

Umbral dereconocimiento de olorppb (v/v)

Carácter opalabradescriptiva delolor

Compuestos con azufreMethylmercaptan

CH3SH 48 Gas 0.5 1.0 rotten cabbage

Hydrogensulfide

H2S 34 Gas 0.5 4.7 rotten eggs

SulfurDioxide

SO2 64 Gas 2700 4400 pungent, irritating

Compuestos con NitrógenoAmmonia NH3 17 Gas 17000 37000 pungent, irritatingIndole C6H4(CH)2NH 117 360 0.1 fecal, nauseatingTrimethylamine

(CH3)3N 59 Gas 0.4 pungent, fishy

Skatole C9H9N 131 200 1.0 50 fecal,nauseanting

Otros compuestosAcetaldehyde CH3CHO 44 Gas 67.0 210 pungent, fruityOzone O3 48 Gas 500 pungent, irritatingChlorine Cl2 71 Gas 80 310 pungent,

suffocating

Principales compuestos olorosos


• Temperatura:– Regiones cálidas: 13°C - 30°C – Regiones frías: 7°C - 18°C– Afecta las reacciones químicas, velocidades de reacción,

uso del agua, vida acuática.– T° óptima vida bacteriana: 25°C - 35°C– Detención de procesos aeróbicos y de nitrificación: 50°C– Detención producción de metano: 15°C– Detención procesos nitrificantes: 5°C


• Conductividad– Capacidad de una solución para conducir la

corriente eléctrica. – Indicador de la concentración de sólidos disueltos

totales

Características Químicas

• Constituyentes orgánicos• Proteínas

• Grasas y aceites

• Carbohidratos

– Constituyentes inorgánicos• Elementos individuales (Ca, Cl, Fe, Cr, Zn, etc.)

• Compuestos (NO3, SO4)


• pH: – Intervalo existencia vida biológica: 5 - 9– Parámetros importante para el tratamiento– Medición: pH metro


• Nitrógeno:– Nutriente esencial - eutrofización– En aguas residuales: nitrógeno amoniacal, nitritos,

nitratos y nitrógeno orgánico.– Nitrógeno amoniacal:

• Ion amonio: pH<9.3• Amoniaco: pH>9.3

– Medición: métodos colorimétricos, titulación, electrodos


• Fósforo:– Nutriente esencial– Aguas residuales domésticas pueden tener entre

4 - 12 mg/L como P.– Formas comunes: ortofosfatos, polifosfatos (sufren

hidrólisis en soluciones acuosas y se convierten en ortofosfatos) y fósforo orgánico (en aguas industriales).


• Alcalinidad:– Neutralizar ácidos– Presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos– En sistemas anaerobios o de nitrificación amortigua

ácidos

Características Químicas• Otros constituyentes inorgánicos:

– Azufre: • Ion sulfato en aguas de abastecimiento y residuales• Sulfatos se reducen biológicamente a sulfuros

– Metales• Todos los organismos los requieren.• Medición: absorción atómica, plasma acoplado por inducción o

colorimetría.• Clases de metales: disueltos, suspendidos, totales, extractables

en ácido (en solución, ácido mineral en caliente).


• Constituyentes orgánicos agregados:– Materia orgánica en las AR: proteínas (40 - 60%),

carbohidratos (25 - 50%) y grasas y aceites (8 - 12%). Urea (mayor constituyente de la orina)

– Análisis: caracterizar AR, eficiencias comportamiento fuentes receptores.

– Métodos: DBO5, DQO, .


• Demanda Bioquímica de Oxígeno:– Si hay suficiente oxígeno disponible, la descomposición

del desecho continua hasta que se ha consumido.– Tres actividades ocurren:

• Oxidación: desecho oxidación a productos finales, generan energía.

• Síntesis: desecho a tejido celular usando la energía liberada

• Respiración endógena: cuando se acaba la MO, las nuevas celular consumen su propio tejido celular para obtener energía.

Demanda Bioquímica de Oxígeno

• Desechos orgánicos : COHNS

• Tejido celular: C5H7NO2.

• Reacciones químicas:

– Oxidación

COHNS + O2 + bacterias CO2 + H2O + NH3 + energía

– Síntesis

COHNS + O2 + bacterias + energía C5H7NO2

– Respiración endógena

C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3


• Oxidación Carbono orgánico: DBOúltima

• Prueba estándar:– Botella de DBO (300 ml)– Agua saturada con oxígeno y nutrientes– Medir [O2] inicial (D1), incubar a 20°C por 5 días y medir

[O2] final (D2).

DBO (mg/L) = (D1 - D2) / P

P es la fracción de agua residual contenida en la muestra

Ejercicio (10’)

La siguiente es la información de un ensayo de DBO a 5 días para una muestra de agua residual. Un volumen de 15 ml de agua residual se agregó en una botella de incubación de 300 ml. El OD inicial de la muestra diluida fue de 8.8mg/L y el OD final, después de 5 días de incubación fue de 1.9 mg/L.

Cuál es la DBO5 de la muestra?

Cuáles cree que son las limitaciones del ensayo?


• Limitaciones: periódo de 5 días, consumo de oxígeno.• Demanda adicional de oxígeno para oxidación del

amonio a nitrato (Demanda Nitrogenada de Oxígeno). Las reacciones del proceso de nitrificación son:– Conversión de amonio a nitrito (Nitrosomonas)– Conversión de nitrito a nitrato (Nitrobacterias)

Esta demanda ocurre 5 a 8 días después de iniciada la prueba de DBO. Ojo si hay muchos nitrificantes.

Demanda Química de Oxígeno

• Medir material orgánico de las AR, susceptible de ser oxidado químicamente.– Se oxidan sustancias orgánicas difíciles de oxidar

biológicamente (lignina)– Hay sustancias inorgánicas que se oxidan– Algunas sustancias pueden ser tóxicas para los

microorganismos.– Se realiza en 3 horas.

DBO5 / DQO

• DBO5/DQO entre 0.3 y 0.8 = ARD.

• DBO5/DQO > 0.5, tratamiento biológico

• DBO5/DQO < 0.3 constituyentes tóxicos y/o aclimatación.


• Grasas y aceites – Liquidos a T° ambiente: aceites– Sólidos a T° ambiente: grasas– Esteres compuestos de ácidos grasos, alcohol y

glicerol.


• Tensoactivos:– “Agentes de actividad superficial”– Moléculas orgánicas grandes compuestas de un grupo

hidrofílico y uno hidrofóbico.– En AR provienen de descargas de detergentes, lavanderías

industriales, etc.– Causan aparición de espumas– Medición: cambio de color de una muestra estándar de azul de

metileno.– SAAM - Sustancias Activas al Azul de Metileno

Características Biológicas

• Importancia: enfermedades, descomposición y estabilización.

• Microorganismos presentes en Aguas superficiales y subterráneas:– Bacterias, hongos, algas, protozoos, plantas y animales

vivos, virus.– Clasificación: eucariotas, eubacterias y arqueobacterias.– Eucariotas : núcleo recubierto, varias moléc. de ADN.

Procariotas (bacterias y arqueobacterias).


– Fuente de carbono: heterótrofos (requieren carbono orgánico) y autótrofos (carbono celular se deriva del CO2).

– Requerimientos de oxígeno: aerobios obligados, anaerobios facultativos, anaerobios aerotolerantes y anaerobios obligados.

– Requerimientos ambientales: • por T°: psicrofílicas (-10 - 20°C), mesofílicas (10 - 50°C),

termofílicas (40 - 70°C) e hipertermofílicas (70 - 95°C)

• pH óptimo para crecimiento bacterial: 6.5 - 7.5


• Uso de microorganismos indicadores:• Se emplean los organismos coliformes (fácil identificación y

presencia abundante).• Siempre presentes en el tracto intestinal; c/persona evacua entre

100.000 - 400.000 millones de bacteria coliformes por día.• Indicador de posible presencia de organismos patógenos.• No son efectivos para indicar presencia de virus y protozoos.• Se está analizando el uso de bacteriófagos como indicador de

virus entéricos (virus que pueden infectar células procariótas).


• Microorganismos patógenos: Bacterias, parásitos (protozoos y helmintos) y virus

• Métodos de conteo: conteo directo, cultivo de placa, filtro de membrana, fermentación en tubos múltiples.

2. Composición de las Aguas Residuales

Composición de las AR

• Valores comunes de la cantidad total de contaminantes por habitante (Tabla 4.11 y 4.14).

• Valores comunes de AR

Parámetro Intervalo

DBO5 (gr/hab-día) 25 - 80

SST (gr/hab-día) 30 – 100

Nitrógeno total Kjeldahl (gr/hab-día) 9.3 – 13.7

Coliformes totales (#/hab-día)2X108 – 2X1011

Variaciones• Variaciones:

– en la concentración – en el caudal– en la carga másica:

Concentración media integrada: proporcional al caudal, se obtiene de la sumatoria del producto de los valores de caudal y concentración del constituyente de interés (para muestras horarias de 24 horas), dividida por la sumatoria del caudal.

• Calcular la concentración media integrada y la concentración media aritmética y comparar los resultados. Ejercicio (10’)

Normas de vertimiento Decreto 1594 de 1984

U. Existente U. Nuevo

• pH 5 - 9 unidades

• Temperatura < 40°C

• Grasas y aceites >80% >80%

• SST >50% >80%

• DBO domést >30% >80%

• DBO indust >20% >80%

Normas de vertimiento Decreto 1594 de 1984

• Arsénico 0.5 mg/L

• Bario 5.0 mg/L

• Cadmio 0.1 mg/L

• Cromo 0.5 mg/L

• Mercurio 0.02 mg/L

• Plomo 0.5 mg/L

• Cianuro 1.0 mg/L

3. Prevención de la contaminación

Prevención de la Contaminación

• Objetivo: – Reducir el uso de agua potable

– Minimizar la generación de aguas residuales

• Programa P2 recomendado:– Reducción en el flujo de agua y aguas residuales

– Reciclado

– Recuperación de subproductos

– Reuso

Beneficios vs. Restricciones

Area Beneficio potencial Restricción potencialTécnica Recuperación de subproductos

comerciablesNecesidad adicional de tratamiento paracumplir con requisitos de reutilización.

Económica Ahorros en gastos por consumo de agua ymateria primaAhorro en inversiones futuras

Mayores costos de operación ymantenimiento de sistemas de tratamientoRequerimiento de disposición de residuos

Reglamentaria Simplificación en procesos de obtenciónde licencias y permisos.

Planeación del Programa P2

• Paso 1: Evaluación de toda la planta: (cómo se usa el agua, generación de AR)

• Incluye revisión registros históricos, muestreos y análisis de laboratorio, identificación de fuentes de suministro y descargas).

• Paso 2: Areas potenciales para conservar, reciclar y reutilizar el agua:

• Incluir aguas de uso sanitario, proceso productivo, otros


– Factores a tener en cuenta:• Identificar posibles fuentes

• Determinar los requisitos de calidad para el agua.

• Comparar los requisitos de calidad del agua con los valores actuales o que podrían obtenerse mediante algún tipo de tratamiento.

• Estimar los flujos de aguas residuales producidas y requeridas y volúmenes a ser almacenados.

• Analizar las objeciones de los usuarios en relación con el uso de agua reciclada.

• Realizar estimaciones de costos actuales del agua y del agua residual tratada y costos previstos.


• Paso 3: Definir las metas de reducción de agua de suministro y agua residual.– Metas: específicas, cuantificables, asignables,

realistas y tiempo necesario para alcanzarlas.• Ejm: reducir el consumo de agua en (área) en (%) para

(fecha)

• Paso 4: Poner en marcha el programa (ojo flexible, monitoreo)

Técnicas para reducir las AR dentro de la planta

• Objetivo: minimización de uso de agua.

• Areas relacionadas:– Capacitación de personal – Modificación y/o cambios operacionales en proceso

productivo.– Minimización de uso de agua en servicios sanitarios,

mediantes dispositivos para restringir el flujo y dispositivos de cierre automático.

Capacitación de personal

- Promover la concientización del personal respecto a la necesidad de reducir el consumo

- Establecer metas cuantificables para dicha reducción.- Capacitar al personal en las diversas técnicas de

reducción del agua residual y métodos de minimización.- Vigilar el avance del programa (gráficos mensuales de

consumo) y reajustar los objetivos del programa si se observa necesario

En el proceso productivo

• Modificaciones en el proceso:– Cambios en el equipo, por ejemplo:

• Usar enjuagues de rocío a alta presión en lugar de tanques de inmersión.

• Sistemas de enfriamiento con aire en lugar de agua.

• Reemplazar la torre de enfriamiento por sistema de enfriamiento a base de refrigerante.

• Ponderar costo vs beneficio.

En el proceso productivo

• Cambios en las operaciones:– Mejorar operaciones de limpieza del equipo:

• Dispositivos mecánicos de limpieza, limpieza en seco, cortina de aire, enjuague a contracorriente.

– Maximizar la vida efectiva del agua de producción:• enjuague a contracorriente, medición de conductividad.

– Optimización del consumo:• Evitar sellos defectuosos en tubos y equipos, equipos de control

automático, reductores de flujo, cubiertas, control de nivel del agua.

En servicios sanitarios

• Uso de dispositivos y sistemas para reducir el consumo (Tabla No.36-4)

• Fuentes de generación de aguas residuales: lavadoras, bebederos, duchas, grifos, inodoros.

Técnicas para reciclar AR no tratada• Reciclado de aguas residuales industriales

– Depende de los requisitos del proceso que recibe las aguas. – Tabla 36-5– Purga de torres de enfriamiento para lavado.– Agua de enfriamiento de 1 uso (sin contacto) para

intercambiador de calor y almacenamiento para enfriamiento sin contacto.

• Reciclado de aguas de uso sanitario:– Agua residual “gris” (agua de lavado de duchas, lavadoras de

ropa o vajillas) para inodoros o riego.

Recuperación de Subproductos

– Objeto: regular la descarga de contaminantes– Criterios de selección:

• Comparar el valor del subproducto recuperado con el costo derivado de su disposición y de la materia prima equivalente.

• Tecnología de recuperación disponible y apropiada.• Demanda del producto garantizada.• Producción mínima garantizada• Efecto sobre la línea de producción• Tabla 36-6

Tecnologías para la recuperación

• Evaporación (e.g. Solventes en forma de vapor)

• Ultrafiltración (e.g. Recuperación de pesticidas)

• Biotecnología (e.g. Formación de metano)

• Extracción de solventes (dos fases líquidas no miscibles, e.g. Metales solubles)

• Precipitación selectiva (de iones por control de pH)

• Tabla 36-7

Reutilización del agua residual

• Criterios: calidad requerida, tecnología disponible• Irrigación agrícola: cultivos o viveros

• Irrigación de jardines: parques, patios, cementerios.

• Reutilización en la industria: aguas para sistemas de enfriamiento, de proceso.

• Usos recreativos/ambientales: recarga de lagos, acuiferos.• Usos urbanos: protección contra incendios, inodoros

• Tabla 36-8

Trabajo (15 días) = 30%

• Caracterización aguas residuales producidas por la Universidad:– Caudales– Características físicas, químicas y biológicas

• Propuesta de programa de prevención de contaminación:– Diagnóstico (fuentes de agua y de consumo, descargas,

caudales, uso de dispositivos de ahorro, reuso, reciclaje)– Propuesta: áreas potenciales, metas

4. Métodos de tratamieno de las Aguas Residuales

Métodos de tratamiento

• Clasificación:– Operaciones físicas unitarias: floculación,

sedimentación, flotación, filtración, tamizado.– Procesos químicos unitarios: Precipitación, adsorción

y desinfección.– Procesos biológicos unitarios: métodos donde la

remoción se realiza gracias a la actividad biológica. Se usan principalmente para remoción constituyentes orgánicos biodegradables y nutrientes.

Niveles de tratamiento

Nivel de tratamiento DescripciónPreliminar Remoción de constituyentes que puedan causar problemas operacionales o de

mantenimiento en los procesos de tratamiento y sistemas auxiliaresPrimario Remoción de parte de sólidos y de materia orgánica suspendidos.Primario avanzado Remoción intensiva de sólidos suspendidos y materia orgánica, en general llevada

a cabo mediante la adición de insumos químicos o filtraciónSecundario Remoción de compuestos orgánicos biodegradables y sólidos suspendidos. Se

incluye la desinfección.Secundario conremoción

Remoción de compuestos orgánicos biodegradables, sólidos suspendidos ynutrientes.

Terciario Remoción de sólidos suspendidos residuales, en general por filtración en mediogranular. Se incluye la desinfección y la remoción de nutrientes

Avanzado Remoción de materiales disueltos o en suspensión que permanecen después deltratamiento biológico convencional. Se aplica cuando se requiere reutilizar elagua tratada o para el control de eutroficación en fuentes receptoras.

Aplicación de las operaciones y procesos unitarios

Constituyente Operación unitaria, proceso unitario o sistema de tratamientoSólidos suspendidos Sedimentación, filtración, adición de polímeros químicos,

coagulación/sedimentación, procesos naturales (humedales artificiales,tratamiento en el suelo)

Compuestosorgánicosbiodegradables

Lodos activados, filtros de lecho empacado, lagunas de estabilización, procesosnaturales, reactores de película adherida (filtros percoladores, contactoresbiológicos rotatorios), sistemas físico-químicos.

Patógenos Cloración, Radiación UV, procesos naturales, Ozonación.Nitrógeno Nitrificación/denitrificación (procesos biológicos de película adherida, en

suspensión), procesos naturalesFósforo Remoción biológica, adición de sales metálicas, coagulación con

cal/sedimentación, procesos naturalesMetales pesados Precipitación química, procesos naturales

Tabla 4.29 y 4.30

Eficiencias típicas de tratamiento (%)

Unidad de tratamiento DBO DQO SSTSedimentación primaria 30-40 30-40 50-65Lodos activadosconvencionales

80-95 80-95 80-90

Filtros percoladores 65-80 60-80 60-85Sistemas anaerobios 65-80 60-80 60-70Lagunas deestabilización- Anaerobias- Facultativas- Aerobias

50 –7080-9080-95

---

20-6060-7585-95

Configuraciones típicas de STAR

X

X X

XX

X

XX

XX

X

X

X

X

X

X

X

X

X

XXXX

DESARENADOR

MEDICIÓN

REJILLA

AFLUENTE

LECHOS DE SECADO

CASETA CELADURIA

PORTAL DE ENTRADA

EFLUENTE

SEDIMENTADORSECUNDARIO

X

X

X

X

X

X

X

X

ALIVIADERO

AFLUENTE

AGUA CLARA

VERTEDERO

Configuraciones típicas de STARX

ESTACIÓN BOMBEO

REJILLA

CASETA DECELADURÍA

ESTRUCTURADESCOLE

X

X

X

X

X

X

X

X

X

XX

X

X X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

CANALABIERTO

ESTRUCTURA DE PASO

EFLUENTE

AFLUENTE

MEDICIÓN

X

X

X

Asignación artículos (10%)

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