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SECCIÓN 5

DISEÑO DE PLANTAS COMUNES DE TRATAMIENTODE EFLUENTES PARA AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES

NO PELIGROSAS

Esta sección presenta las consideraciones principales para el diseño y selección deprocesos de tratamiento para plantas comunes de tratamiento de efluentes (PCTE) que utilizantecnologías convencionales de tratamiento de aguas residuales. Las PCTE están diseñadasúnicamente para tratar las aguas residuales industriales no peligrosas y deben centrarse en unatecnología sencilla que sea efectiva en función de los costos, que requiera poco mantenimiento yun mínimo de operadores. Estas plantas deben incluir procesos tales como ajuste de pH, lagunasaereadas, facultativas y de sedimentación y lagunas de pulimiento e infiltración. Todos estosprocesos de tratamiento se tratan a continuación.

En esta sección se supone que existe una red de tuberías o algún otro sistema derecolección (por ejemplo, camiones cisternas) que lleva las aguas residuales de las fuentesindividuales a la PCTE. También se asume que las aguas residuales industriales han sido tratadaspreviamente a fin de remover todas las sustancias corrosivas y tóxicas que pudieran afectar elfuncionamiento de los procesos convencionales de recolección y tratamiento de aguas residualeso que las descargas tóxicas han sido dirigidas a las plantas de tratamiento diseñadasespecíficamente para residuos peligrosos. La sección 6 trata sobre el diseño de plantascentralizadas de tratamiento para residuos peligrosos.

5.1 BASE DEL DISEÑO

El diseño de una PCTE industrial se relaciona estrechamente con el lugar. Las principalesconsideraciones generales son las características del sitio (véase la sección 5.1.1) y lascaracterísticas de las aguas residuales (véase la sección 5.1.2). Los estándares para elpretratamiento de aguas que entran al sistema de recolección que sirve a las PCTE, así como losestándares para el tratamiento de efluentes provenientes de las PCTE también son importantes enel diseño (véase la sección 5.1.3). Dentro del contexto de las características del sitio y de aguasresiduales así como de los estándares de tratamiento (véase la sección 5.1.5), la selección delproceso de tratamiento adecuado debe considerar diversos factores, tales como la efectividad deltratamiento, confiabilidad y costo (véase la sección 5.4.1). Para mayor información sobre eldiseño técnico preliminar o detallado del tratamiento de aguas residuales, remítase a Metcalf yEddy (1979), Fresenius y otros (1989), Patterson (1978), Qasim (1985), Sundstrom y Klei(1979), WEF/ASCE (1992) y Martin y Martin (1991).

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5.1.1 Características del sitio

Al momento de diseñar una red de alcantarillado o una PCTE se debe considerar lascaracterísticas del sitio, tales como topografía, suelos, geología, hidrología, clima y uso delterreno. La topografía y la profundidad del lecho de rocas, influyen significativamente en elcosto de la instalación del alcantarillado, siendo más deseables las elevaciones que permitan elflujo por gravedad y la profundidad adecuada para la colocación de tuberías. El espesor y lascaracterísticas del suelo, como contenido de arcilla, contenido de arena, sustancias orgánicas ypermeabilidad son importantes cuando se consideran ciertas opciones de tratamiento para lasPCTE, incluidos el tratamiento del terreno, tratamiento de estanques o lagunas o filtración conmedios granulares. Las condiciones desfavorables de los sitios hidrológicos incluyen lassiguientes:

§ zonas de recarga de acuíferos§ áreas propensas a inundaciones§ pantanos§ alta napa freática estacional§ proximidad a pozos de abastecimiento o reservorios de agua.

Se deben tomar en cuenta factores climáticos importantes como la precipitación y laevapotranspiración cuando los procesos de tratamiento dependen total o parcialmente de laevaporación de las aguas residuales tratadas. El uso del terreno puede afectar el área disponiblepara una planta, lo que a su vez puede afectar la selección de opciones de procesos detratamiento. Las opciones para el tratamiento intensivo del terreno, tales como las lagunas deestabilización, pueden no ser factibles si no hay terreno disponible o es demasiado costoso.

5.1.2 Características de las aguas residuales

Las características claves de las aguas residuales que deben considerarse al momento dediseñar una PCTE incluyen el flujo y las características físicas, químicas y biológicas de lasaguas residuales. El flujo de aguas residuales, comúnmente expresado en m3/día, determina eltamaño de una PCTE. Las tasas mínimas y máximas de flujo deben calcularse de la manera másprecisa posible ya que afectan a los cálculos hidráulicos y la medición de canales y tuberías dedistribución. Los flujos del diseño también deben incluir futuros incrementos previstos. Lasgrandes variaciones temporales de los flujos (por ejemplo, fluctuaciones diurnas, respuesta deafluencia/infiltración frente a la precipitación) pueden requerir el uso de lagunas o tanques decompensación a fin de permitir un nivel constante o casi constante de flujo para los procesos detratamiento aguas abajo. Otro beneficio de las tanques de compensaciónes reducir el efecto delexceso de tóxicos sobre los procesos de tratamiento causado por descargas accidentales desustancias tóxicas. Esta reducción se logra al mezclar aguas residuales con concentracionesinferiores en el estanque de compensación.

Las características físicas importantes incluyen sólidos, temperatura, color y olor. Lossólidos en forma de residuos flotantes y capas de grasa y aceite indican residuos altamentecontaminados y son evidencia de residuos no tratados o en todo caso tratados de manera

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ineficiente. Los sólidos en suspensión contribuyen a la turbiedad y a arrastres y por lo generaltienen que ser removidos mediante sedimentación o filtración. La temperatura de las aguasresiduales es un parámetro importante, ya que afecta las reacciones químicas y biológicas y lasolubilidad de gases, como el oxígeno. En general, las altas temperaturas elevan las tasas dereacción y solubilidad hasta el punto en que la temperatura se vuelve lo bastante alta como parainhibir la actividad de la mayoría de microorganismos (aproximadamente 35 °C). El color y olorsirven como indicadores del grado de contaminación de residuos y su presencia en aguasresiduales es signo de un pretratamiento inadecuado antes de la descarga.

Las características químicas importantes de las aguas residuales incluyen sustanciasorgánicas, sustancias inorgánicas en solución y gases. La demanda biológica de oxígeno (DBO)es un indicador de la cantidad de sustancias orgánicas de origen biológico (proteínas,carbohidratos, grasas y aceites) y de productos químicos orgánicos, sintéticos y biodegradablesen las aguas residuales. La comparación entre la DBO de las aguas residuales afluentes y losefluentes tratados permite medir la efectividad de una PCTE para estabilizar la sustanciaorgánica. La demanda química de oxígeno (DQO) es un indicador de las sustanciasbiodegradables y no biodegradables.

La proporción entre la DBO5 (demanda bioquímica de oxígeno en una prueba de 5 días) yla DQO es un indicador del tratamiento biológico. Generalmente, los procesos dedescomposición biológica comienzan y ocurren de manera rápida con proporciones deBOD5:DQO de 0,5 o mayor. Las proporciones entre 0,2 y 0,5 son susceptibles al tratamientobiológico; sin embargo, la descomposición puede ocurrir de manera más lenta debido a que losmicrorganismos degradantes necesitan aclimatarse a las aguas residuales. Una proporción demenos de 0,2 representa graves limitaciones para el tratamiento biológico. Normalmente, laproporción de DBO:DQO de las aguas residuales industriales es menor que 0,5, a excepción delas aguas residuales de las industrias de alimentos y bebidas, que a menudo sonsignificativamente mayores que 0,5 (Fresenius y otros, 1989).

Los elementos inorgánicos comunes en las aguas residuales incluyen cloruro, iones dehidrógeno (que influyen en el pH), compuestos que causan alcalinidad, nitrógeno, fósforo yazufre. El nitrógeno y fósforo son los nutrientes esenciales para el crecimiento de plantas ycuando se encuentran en exceso en los efluentes tratados y descargados a las aguas superficiales,pueden causar un crecimiento excesivo de algas. Las concentraciones de metales pesados y otroscompuestos tóxicos, como cianuros, son consideraciones importantes en el diseño de una PCTE.Otro elemento importante para el diseño de una PCTE industrial es el establecimiento y elcumplimiento de los estándares de pretratamiento para evitar que los procesos de tratamientosufran un exceso de tóxicos (véase la sección 5.1.3).

La acción microbiana asociada con métodos de tratamiento biológico de aguas residualesproduce una variedad de gases, incluidos nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno,amoníaco y metano. El tipo de gases en las aguas residuales tratadas indica si se estáproduciendo una degradación aerobia o anaerobia. La mayoría de procesos biológicos deben seraerobios, por ello, el mantenimiento del oxígeno disuelto es un elemento básico del diseño. Ladegradación anaerobia, indicada por la presencia de gases tales como sulfuro de hidrógeno y

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metano, tiende a generar productos finales nocivos y representa un diseño inadecuado, a menosque se use un proceso específico de tratamiento anaerobio.

5.1.3 Estándares para el pretratamiento

Como se dijo anteriormente, las aguas residuales de procesos industriales requieren unpretratamiento antes de su descarga al alcantarillado para (1) minimizar la corrosión yobstrucción de los revestimientos del alcantarillado y (2) evitar que los efectos tóxicos causadospor la concentración tóxica de sustancias orgánicas e inorgánicas reduzcan la efectividad deltratamiento biológico. El cuadro 5-1 presenta los límites para los efluentes industriales que van aser descargados en plantas convencionales de tratamiento de aguas residuales en Alemania,Tailandia, en los Estados Unidos (por la industria de acabado de metales) y la ciudad de Dallas,Texas. En los Estados Unidos, se han preparado estándares para el pretratamiento de aguasresiduales para la mayoría de las principales categorías industriales basadas en las característicasde las aguas residuales y la efectividad de las tecnologías de tratamiento disponibles.Generalmente, los límites indicados en el cuadro 5-1 son similares para la mayoría de sustancias,aunque en muchos casos varían en orden de magnitud (cadmio, plomo, mercurio, selenio yplata). Las diferencias pueden atribuirse a los variados criterios de regulación basados en laevaluación de la disponibilidad y costo de las tecnologías de tratamiento.

Los estándares de pretratamiento para sulfuros, sulfatos y pH se centran principalmenteen la prevención de la corrosión de partes de concreto del alcantarillado. Los límites para ladescarga de aceite y grasa, arenilla y sedimentos pesados evitan la obstrucción del alcantarillado.Sin embargo, los límites para metales pesados y sustancias orgánicas tóxicas aseguranprincipalmente el rendimiento adecuado de los procesos de tratamiento biológico y minimizan laacumulación de contaminantes en los lodos residuales.

Hasta cierto grado, el diseño de una PCTE industrial permite seleccionar procesos detratamiento que resistan mayores concentraciones de sustancias tóxicas que lo que normalmentepermitirían las plantas convencionales de tratamiento de aguas residuales. Por ejemplo, un mayorénfasis en la filtración con medios granulares en lugar del tratamiento biológico puede permitirmayores concentraciones de metales pesados que lo señalado en el cuadro 5-1. Si se reducen losestándares para el pretratamiento en la fuente industrial se incrementarán los niveles desustancias tóxicas en los residuales de una PCTE, especialmente en los lodos. No obstante, parael funcionamiento exitoso de una PCTE es esencial prevenir el exceso de tóxicos en los procesosde tratamiento. El cuadro 5-2 muestra los rangos de concentraciones en los cuales diversoscomponentes inorgánicos y fenoles pueden inhibir el tratamiento biológico.

Cuadro 5-1. Límites de calidad de las aguas residuales para su aceptación en plantasconvencionales de tratamiento de aguas residuales

Parámetros generales Alemania TailandiaAcabado demetales en losEstados Unidiosa

Dallas,Texas

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Parámetros generalesTemperatura <35 °C -- -- --pH 6,5 a 10 6,5-9 6,0-9,0 --Sólidos suspendidos totales -- -- 31 mg/L --

Sustancias orgánicas mg/L mg/L mg/L mg/LAceites y grasas saponificables 250 -- -- --Aceite y grasa -- 300 26 --Hidrocarburos halogenados 10 -- -- --Fenoles volátiles en vapor 100 -- -- --Tintes b -- -- --

Sustancias inorgánicas (disueltas y suspendidas)Arsénico 1,0 0,25 -- 0,05Bario - 1,0 -- 1,0Cadmio 0,3 0,03 0,26 0,1Cromo (VI) 0,5 -- -- --Cromo, total 3,0 0,5 1,71 3,0Cobre 2,0 1,0 2,07 --Plomo 2,0 0,2 0,43 3,0Manganeso -- 5,0 -- 1,0Mercurio 0,05 0,005 -- 0,005Níquel 4,0 0,2 2,38 --Selenio 1,0 0,02 -- --Plata -- 0,02 0,24 --Estaño 5,0 -- -- --5,0 5,0 1,48 --

Sustancias inorgánicas (disueltas)Amonio (NH4)/amoníaco(NH3) 5 -- -- --Cianuro, liberado fácilmente 1 -- -- --Cianuro, total 20 1 0,65 --Fluoruro 60 -- -- --Sulfato 600 500 -- --Sulfuro 2 5 -- --

a La mejor tecnología práctica de control disponible actualmente (MTP), promedio mensual.b Solo en concentraciones tan bajas que luego del tratamiento en una planta de aguas residuales el efluente no coloreavisualmente el agua receptora.Fuentes: Alemania: Fresenius y otros (1989); Tailandia: Thailand Institute of Scientific and Technological Research (1994):Acabado de metales en los Estados Unidos: 40 CFR 433.13; Dallas, Texas: Saltzberg y Cushnie (1985)

Cuadro 5-2. Concentraciones umbrales que inhiben los procesos de tratamiento biológico

Lodo activadoParámetros General

(mg/L)Remoción decompuestos decarbonoa

(mg/L)

Nitrificación b

(mg/L)

Aluminio - 15-26 -Amoníaco - 480 -Arsénico - 0,1 -Borato (boro) - 0,05-100 -

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Cadmio 3-10 10-100 -Calcio - 2500 -Cromo6+ 3-10 1-10 0,25Cromo3+ 10-20 50 -Cobalto 2-15 - -Cobre 1-3 1 0,005-0,5Cianuro 0,3-2 0,1-5 0,34Sulfuro de hidrógeno 5-30 - -Hierro - 1000 -Plomo - 0,1 0.5Manganeso - 10 -Magnesio - - 50Mercurio - 0,1-5Níquel 2-10 1-2,5 0,25Plata - 5 -Sulfato - - 500Cinc 3-20 0,08-10 0,08-0,5Fenoles:Fenol - 200 4-10Cresol - - 4-162-4 Dinitrofenol - - 150

a Generalmente equivalente a DBO5 (degradación de la materia orgánica a falta de nitrificación).b Oxidación de amoníaco a nitrato.Fuentes: Generales: Fresenius y otros (1989); lodo activado: WPCF/ASCE (1977).

Fresenius y otros (1989) presentan el ejemplo de una planta de tratamiento municipal querecibió un exceso de tóxicos de cromato debido a la descarga ilegal de un baño de galvanizadoque contenía ácido crómico. La unidad de lodos activados recibía aguas residuales contaminadascon cromato en concentraciones hasta de 270 mg/L de cromato por hora. El exceso de tóxicos enla unidad de activación fue evidente por la formación abundante de espuma y disminuciónsignificativa en la efectividad del tratamiento. Antes de este exceso, la eficiencia del tratamientoera aproximadamente de 65%. Luego de varias horas, descendió a 25%. La efectividad deltratamiento se recuperó gradualmente y solo fue posible recuperarla del todo después de cuatrodías.

5.1.4 Sistema de recolección

Las aguas residuales industriales pueden transportarse desde las fábricas hasta una plantacentral de tratamiento mediante un camión cisterna o un sistema de tuberías (es decir, una red dealcantarillado). La sección 6.1.2 trata en detalle el transporte de aguas residuales a las plantascentrales de tratamiento. El transporte por tuberías resulta práctico solo si las empresasparticipantes están cerca de la planta central. En consecuencia, el transporte de residuos portuberías a una PCTE generalmente se limita a los estados industriales.

Generalmente, el diseño de los sistemas de recolección por alcantarillado para las PCTEindustriales es el mismo que para las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales. Lassiguientes referencias brindan orientación detallada sobre el diseño de sistemas de recolección:American Society of Civil Engineers y Water Pollution Control Federation (ASCE y WPCF,

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respectivamente por sus siglas en inglés, 1969, 1982), Fresenius y otros (1989) y Metcalf y Eddy(1981). Generalmente, el diseño de sistemas por tuberías para las PCTE industriales requieremayor atención en cuanto a la prevención y control de la corrosión que los sistemas municipales.El pretratamiento para neutralizar las aguas residuales corrosivas y reducir el contenido desulfuro y sulfato antes de su descarga al alcantarillado es el método básico para controlar lacorrosión; sin embargo, las descargas intencionales o accidentales de aguas residuales altamenteácidas o alcalinas no pueden eliminarse completamente. Las medidas principales para controlarla corrosión de los materiales de la tubería incluyen:

§ Diseñar sistemas hidráulicos para evitar la generación de sulfuro.§ Abastecer de oxígeno al agua para evitar la generación de sulfuro.§ Realizar el control químico de la generación de sulfuro.§ Incrementar el espesor de la tubería de concreto en caso de corrosión.§ Incrementar la capacidad de neutralización de la tubería de concreto mediante el

agregado de cal o de cemento.§ Usar tubería de arcilla vitrificada, que es prácticamente inmune a la acción de los

ácidos (requiere uniones de empaquetaduras, práctica especial para la instalación ycuidado en el manejo y transporte).

§ Usar tuberías con revestimiento resistente a la corrosión o revestimiento protector.

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA, 1985) brindaorientación detallada sobre los métodos para el control de la corrosión en sistemas de recolecciónde aguas residuales.

Si un sistema de recolección de aguas residuales ya ha sido instalado antes del diseño deuna PCTE (por ejemplo, como parte del desarrollo de un estado industrial), puede ser necesarioevaluar la condición del sistema y realizar cualquier rehabilitación antes de la construcción de laPCTE. La EPA (1991) proporciona orientación detallada sobre métodos para el análisis yrehabilitación de los sistemas de alcantarillado.

5.1.5 Estándares para la descarga de efluentes tratados

Los procesos de tratamiento de aguas residuales varían en cuanto a su efectividad parareducir la concentración de los parámetros de interés (por ejemplo, DBO, sólidos suspendidostotales) y los estándares para la descarga de efluentes de aguas residuales tratadas determinan siuna combinación dada de procesos de tratamiento brinda un nivel aceptable de tratamiento.Antes de iniciar el diseño, se debe identificar los estándares aplicables para la descarga deefluentes. El cuadro 5-3 brinda ejemplos de estándares para la descarga de aguas residualesindustriales tratadas en la India, Tailandia y Estados Unidos. Los estándares pueden variar segúnel punto de descarga de las aguas residuales tratadas. Los estándares en el cuadro 5-3 para laIndia son para la descarga en áreas costeras y en el caso de Tailandia, para la descarga en canalespúblicos. En los Estados Unidos, los estándares de tratamiento secundario para plantas públicasde tratamiento de aguas residuales pueden o no ser aceptables para la descarga superficial segúnel uso de las corrientes de agua y la calidad del agua. En Tailandia, el estándar para sólidossuspendidos depende de la proporción del volumen de descarga de aguas residuales en relacióncon el volumen del canal receptor.

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Cuadro 5-3. Estándares para efluentes del tratamiento de aguas residuales

Parámetros Indiaa Tailandiab Estados Unidosc

Demanda química de oxígeno (DQO) 250 -- Demanda biológica de oxígeno (DBO) 100 20-60d 30 Sólidos suspendidos 100 30-150 -- Sólidos disueltos -- 2000-5000 -- Nitrógeno de amonio (NH4-N) 50 Nitrógeno Kjeldahl total 100 -- -- Aceite y grasa 20 5 -- PH 5,5-9,0 5,0-9,0 6,0-9,0

a Descarga de efluentes industriales en áreas costeras.b Estándares de descarga de efluentes industriales en canales públicos.cCriterios para efluentes secundarios de plantas públicas de tratamiento.dLas industrias de envasado de pescado, fideos, curtiembres, pulpa y alimentos congelados pueden tener un máximo de 100mg/L.

Fuentes: India: Chemcontrol (1991), Tailandia: TISTR (1994)

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5.1.6 Procesos unitarios de tratamiento

El tratamiento de aguas residuales puede dividirse en cuatro etapas principales:

1. El tratamiento preliminar puede incluir varios procesos unitarios para eliminar lascaracterísticas indeseables de las aguas residuales provenientes del sistema derecolección. Los procesos incluyen el uso de tamices, grillas y cámaras de rejaspara remover partículas grandes, trituradores para desintegrar sólidos gruesos,preaereación para el control de olores y remoción de grasa.

2. 2. El tratamiento primario, también llamado clarificación primaria, incluye la

remoción de sólidos fácilmente sedimentables antes del tratamiento biológico. Lascuencas o cámaras de sedimentación son la unidad principal, pero también puedenusarse diversos procesos auxiliares, tales como flotación, floculación y tamices demalla fina.

3. El tratamiento secundario incluye la purificación de aguas residualesprincipalmente mediante la descomposición de la materia orgánica suspendida ydisuelta por la acción microbiana. Existen varios procesos unitarios de tratamientobiológico disponibles, pero la mayoría puede clasificarse como tratamiento en elterreno, estanques o lagunas, lodos activados o métodos de filtración biológica,como filtros biológicos rotatorios de disco.

4. El tratamiento auxiliar abarca un gran número de procesos unitarios básicamentefísicos y químicos que pueden usarse antes o después del tratamiento biológicosecundario para cumplir con los objetivos específicos del tratamiento. El términoclarificación secundaria o tratamiento terciario puede aplicarse a procesos unitariosque siguen al tratamiento secundario.

El diseño del sistema real de tratamiento para una PCTE incluye la selección de unacadena de procesos o cadenas de procesos alternativos basados en la capacidad de los procesosunitarios de tratamiento para remover componentes residuales específicos. El cuadro 5-4 brindaun resumen de los principales procesos unitarios de tratamiento, incluidos sus respectivasfunciones y tipo de tratamiento (físico, químico, biológico) y señala la etapa de tratamientodurante la cual pueden usarse. Posteriormente, la sección 5.2 trata sobre los procesos unitarios detratamiento físico y químico y la sección 5.3 acerca de los procesos de tratamiento biológico. Lasección 5.4 identifica los criterios y procedimientos para la selección de los procesos unitarios detratamiento. En la sección 6, se tratarán estos procesos generalmente usados para elpretratamiento o tratamiento centralizado de aguas residuales industriales peligrosas.

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Cuadro 5-4. Resumen de los procesos unitarios de tratamiento de aguas residuales

Nombre/descripción del proceso unitario Tipo detratamiento

Etapa del tratamiento

P I II III

TRATAMIENTO PRELIMINAR PRIMARIO

El estanque de compensación mezcla las aguas residuales para reducir lasvariaciones en las concentraciones y evitar “picos”

Físico x

El desarenador remueve la arena y polvo Físico x

El tamiz de malla ancha (barra, malla) remueve sólidos de gran tamaño Físico x

El triturador pulveriza los sólidos para reducir su tamaño Físico x

El separador de aceite y grasa remueve los materiales aceitosos Físico x

TRATAMIENTO PRIMARIO PRINCIPAL

La sedimentación remueve fácilmente sólidos inertes y orgánicos sedimentales Físico x x x

Los tamices de malla fina remueven sólidos inertes y orgánicos Físico x x

La flotación de aire remueve grasa y sólidos ligeros Físico x x

La floculación (aérea y mecánica) mejora la remoción de sólidos suspendidos Físicoquímico x x x x

El sistema de descomposición de la emulsión remueve el aceite y grasa dispersos Físicoquímico x x

TRATAMIENTO SECUNDARIO PRINCIPAL

El tratamiento en el terreno se basa en la filtración y tratamiento aerobio de aguasresiduales. Los métodos incluyen: (1) infiltración rápida, (2) aspersión, (3) flujosuperficial, (4) absorción subterránea del suelo

BiológicoFísicoquímico

x

Las lagunas o estanques de estabilización tratan las aguas residuales medianteprocesos naturales. Éstos incluyen (1) lagunas aerobias y facultativas, (2) lagunasfacultativas y aerobias aereadas, (3) contención total (4) descarga hidrográficacontrolada (5) lagunas de pulimento

BiológicoFísico

x x

El lodo activado convencional, brinda tratamiento aerobio mediante el uso departículas microbianas suspendidas de flóculo y aereadores en una o varias seriesúnicas de cuencas del reactor

Biológico x

Otros métodos de lodos activados con diseños variados incluyen: (1) estabilizaciónpor contacto, (2) aeración prolongada, (3) zanjas de oxidación y (4) reactores porlotes secuenciales

Biológico x

Los filtros biológicos usan el crecimiento microbiano en medios filtrantes parabrindar un tratamiento aerobio a las aguas residuales. Los principales tiposincluyen: (1) filtros con medios fijos (clasificados según el tipo de medio, tasa deflujo y frecuencia de dosificación), y (2) contactores biológicos rotatorios

Biológico x

Los sistemas de tratamiento dual o de doble etapa combinan los lodos activados ylos procesos de filtro biológico

Biológico x

Los procesos de tratamiento anaerobio usan bacterias facultativas y anaerobias paradegradar los sólidos disueltos y orgánicos. Incluyen unidades de flotación ysedimentación. Los principales tipos incluyen: (1) tanques séptico/Imhoff, (2)tanques biolíticos (biomasa suspendida), (3) filtros y discos sumergidos (biomasafija)

BiológicoFísico

x x

El tratamiento con humedales o “wetlands” construidos, aprovechan la capacidadnatural que poseen ciertas especies vegetales y ecosistemas acuáticos para depuraragentes contaminantes.

Biológico x x

5-11

TRATAMIENTO AUXILIAR O TERCIARIO

La filtración con medios granulares remueve los sólidos suspendidos mediante eltamizado, sorción y descomposición biológica. Existen varios tipos: (1) filtros dearena (lento, rápido, intermitente, recirculante), (2) filtros ascendentes, de presión yde tasa alta con limpieza mecánica, (3) los filtros duales o de medios múltiples

FísicoBiológicoQuímico

x x

La precipitación y coagulación química se usan principalmente para la remoción desólidos disueltos y fósforo en combinación con la floculación y sedimentación. Losproductos químicos comunes usados para promover la coagulación incluyen: cal,cloruro férrico, polímero, carbonato de sodio, cloruro de bario, hidróxido de sodio yalumbre

Químico x x x

La oxidación química se usa principalmente para la desinfección y control de olor.Los métodos principales incluyen (1) cloración, (2) ozonización y (3) radiación

Químico x x x

Otros métodos de tratamiento químico que pueden usarse para el tratamiento deaguas residuales incluyen: (1) adición de nutrientes para mejorar los procesos detratamiento biológico, (2) recarbonación para reducir el pH y (3) otros métodos deneutralización

Químico x x

La adsorción de carbono activado remueve sólidos y material orgánico Físico-Químico

x x

Etapas de tratamiento: P = preliminar, I = primario, II = secundario, III = terciario

5.2 PROCESOS DE TRATAMIENTO FÍSICO Y QUÍMICO

El tratamiento físico de las aguas residuales separa principalmente los sólidos de maneramecánica, como ocurre con los tamices o usa diferencias de densidad, como sucede en lasedimentación y flotación. La mayor parte del tratamiento químico de aguas residuales incluye eluso de productos químicos para remover componentes específicos de las aguas residuales. Enalgunos procesos de tratamiento, tales como la floculación y sorción, los procesos físicos yquímicos están tan entrelazados que se usa el término tratamiento físicoquímico. El cuadro 5-4muestra que los procesos de tratamiento físico y químico se usan principalmente en las etapaspreliminares, primarias y terciarias del tratamiento.

5.2.1 Tratamiento preliminar

Los procesos de tratamiento preliminar son principalmente físicos. Los más simples usanla gravedad para remover arena y partículas minerales antes del tratamiento biológico. Lostamices de malla ancha, generalmente de barras o mallas, filtran los sólidos de gran tamaño. Lostrituradores se usan para reducir el tamaño de las partículas grandes de materia orgánica a fin demejorar el tratamiento en las etapas posteriores. Los tanques de compensación mezclan las aguasresiduales afluentes para reducir la variación de la concentración de los componentes de lasaguas residuales y también se usan para aguas residuales potencialmente tóxicas (véase la figura5-1) a fin de: (1) descargar el efluente a los procesos de tratamiento con una tasa uniforme ynivelar el efecto de flujo máximo y mínimo, (2) mezclar volúmenes más pequeños de residuosconcentrados con volúmenes más grandes y con menores concentraciones y (3) controlar el pH

5-12

para evitar fluctuaciones que pudieran alterar la efectividad de las unidades del sistema detratamiento al mezclar residuos ácidos y alcalinos. La preaereación o precoloración puederequerirse para controlar olores cuando las aguas residuales se vuelven deficientes en oxígenomientras fluyen a través del sistema de recolección o para facilitar la remoción de grasa durantela clarificación primaria. Para mayor información sobre el tratamiento preliminar, remítase aKreissl y Gilbert (1987) y a la Water Pollution Control Federation y Water EnvironmentFederation (WPCF/WEF) (1980).

Figura 5-1. Diseño de un sistema de compensación (EPA, 1995)

5.2.2 Tratamiento primario

Los procesos de tratamiento primario también son básicamente físicos. Generalmente, laremoción de sólidos inertes y orgánicos fácilmente sedimentables se realiza a través de lascámaras de sedimentación, pero los tamices de malla fina también pueden usarse como auxiliaresen las diversas etapas del tratamiento. Las cámaras de sedimentación a menudo están diseñadaspara remover grasa y sólidos flotantes mediante el uso de deflectores y removedores de aceite ypueden incluir rastrillos mecánicos para la remoción de sólidos y lodos que se sedimentan en elfondo de la cámara. La figura 5-2a muestra una unidad de sedimentación por gravedad diseñadaespecialmente para aguas residuales aceitosas. La separación de aceite y grasa libres y dispersosde los sólidos livianos resulta más fácil con la flotación de aire, un proceso netamente físico(véase la figura 5-2b) o con la floculación, un proceso físicoquímico que promueve laaglutinación de coloides coagulados y materia suspendida finamente dividida gracias a la mezclafísica o a coagulantes. Exiten tres tipos diferentes de floculantes: electrólitos inorgánicos,polímeros orgánicos naturales y polielectrolitos sintéticos. La flotación de aire y la floculaciónreducen los tiempos de sedimentación de los sólidos suspendidos que tienen una gravedadespecífica ligeramente mayor que 1,0.

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Los sistemas de descomposición de la emulsión incluyen la adición de productosquímicos o calor para que las gotas de aceite dispersas se fundan y se separen de las aguasresiduales (véase la figura 5-2c). Normalmente, los sistemas de emulsión no se usan en plantasconvencionales de tratamiento de aguas residuales, sino en el pretratamiento de aguas residualesaceitosas (5 a 10% de aceite) antes de su descarga en el alcantarillado y en plantas comunes detratamiento de residuos industriales. A menudo, la separación por gravedad (véase la figura 5-2a)se usa como pretratamiento para remover los aceites libres antes de la emulsión y posteriormentese aplica la flotación de aire para mejorar el rendimiento del tratamiento y reducir el tiempo deretención. El término sistema de clarificación se aplica generalmente a las unidades deseparación por gravedad que remueven partículas, impurezas floculadas y precipitadas,seguidamente, los procesos de precipitación química y tratamiento biológico generan sólidossuspendidos. La figura 5-2d presenta un sistema de clarificación circular. La WPCF/WEF (1985)brinda mayor información sobre el diseño de clarificadores.

Figura 5-2. Diseño de algunos sistemas de separación por gravedad: (a) separador API,(b) flotación de aire disuelto, (c) sistema de descomposición de la emulsión,(d) sistema de clarificación (EPA, 1995)

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5.2.3 Filtración con medios granulares

Muchos procesos unitarios específicos aplican la filtración y usan partículas mineralescomo medio de filtración. La filtración con medios granulares remueve sólidos suspendidosmediante filtración física, procesos de adsorción física y química, y descomposición biológica.Los filtros con medios granulares se distinguen de los biológicos (véase la sección 5.3.4)principalmente porque filtran partículas más pequeñas (generalmente menos de 2 mm, si bienhay un medio graduado que varía entre arena y grava), lo que le da mayor importancia a lafiltración y adsorción como parte del tratamiento.

Los filtros de arena que usan arena de sílice, un material que se encuentra con facilidaden muchas partes del mundo, son el tipo de unidad más común. Los elementos del diseño paradefinir un tipo específico de filtro de arena incluyen:

§ tasa de carga hidráulica (lenta, rápida, alta)§ carga temporal (continua, impulsada, intermitente)§ método/dirección de entrega (percolación/flujo descendente, presión/flujo

ascendente).

Los filtros duales y con medios múltiples constan de dos o más medios. Un filtro conmedios múltiples funciona con medios más finos y densos en la parte inferior y medios másgruesos y menos densos en la parte superior. Generalmente se coloca granate en el fondo dellecho, arena en el medio y carbón de antracita en la parte superior. El patrón de flujo de losfiltros con medios múltiples es de arriba hacia abajo con flujo por gravedad (véase figura 5-3).También se usan filtros de flujo ascendente, horizontales y de doble flujo.

Los filtros con medios múltiples requieren una contracorriente periódica para mantenersu eficiencia. Cuando la obstrucción causada por los sólidos atrapados reduce la tasa demovimiento de aguas residuales a través del lecho del filtro, se llega al final de la carrera delfiltro y se debe enjuagar para remover los sólidos suspendidos en el lecho. Durante el lavado porcontracorriente, el flujo a través del filtro se revierte para que los sólidos retenidos en los mediosse desprendan y puedan salir del filtro. Asimismo, el lecho puede agitarse con aire para ayudar aremover los sólidos. Luego, el agua del enjuague se recicla y vuelve a la corriente que alimentalas aguas residuales. El lavado por contracorriente también puede usarse con filtros de arena.

La filtración con medios granulares se usa con mayor frecuencia para el tratamientoterciario en plantas municipales de tratamiento de aguas residuales y para la remocióncomplementaria de sólidos suspendidos del efluente de los procesos de tratamiento químico. Sinembargo, los sistemas de tratamiento biológico en suelos (véase la sección 5.3.1) puedenconsiderarse como una forma de filtración natural con medios granulares. En los EstadosUnidos, los filtros de arena se usan cada vez más para el tratamiento en el lugar de aguasresiduales residenciales y para el tratamiento secundario en sistemas de tratamiento de aguasresiduales de comunidades pequeñas.

5-15

Figura 5-3. Diagrama del sistema de filtración con medios múltiples (EPA, 1995)

5.2.4 Tratamiento químico

Los métodos de tratamiento químico para el tratamiento convencional de aguas residualespueden usarse en cada etapa del proceso de tratamiento, según convenga. Los métodos utilizadoscon mayor frecuencia son:

§ neutralización para mantener un pH óptimo en los procesos de tratamiento biológico;§ reacciones de precipitación para la remoción de sólidos disueltos y fósforo, y§ oxidación (cloración, ozonización, radiación ultravioleta) para la desinfección y

control de olores.

La sección 6.2 trata más detalladamente los métodos de tratamiento químico para aguasresiduales industriales que contienen sustancias tóxicas y corrosivas.

5.3 PROCESOS DE TRATAMIENTO BIOLÓGICO

Los procesos de tratamiento biológico se usan principalmente para el tratamientosecundario y se valen de la acción microbiana para descomponer materia orgánica suspendida ydisuelta en aguas residuales. La mayoría de los procesos de tratamiento biológico son aerobios,ya que el carbono brinda la fuente de energía para la respiración aerobia y tiene al dióxido decarbono y agua como sus principales subproductos. La nitrificación y la conversión microbianade amoníaco a nitrato, también pueden ser procesos importantes en plantas de tratamiento deaguas residuales. Generalmente, la descomposición anaerobia de la materia orgánica es muchomás lenta que la aerobia, pero puede ser una alternativa apropiada en algunas situaciones, enparticular para los residuos con alta DBO (véase la sección 5.3.6).

5-16

Existen diversas maneras de clasificar los procesos de tratamiento biológico, pero lamayoría puede clasificarse en dos grandes categorías: (1) métodos naturales con granrequerimiento de espacio o (2) métodos de ingeniería con poco requerimiento de espacio. Losmétodos de tratamiento en el terreno (véase la sección 5.3.1) y las lagunas de estabilización(véase la sección 5.3.2) se encuentran dentro de la primera categoría. Los métodos compactos yde ingeniería pueden clasificarse como:

§ procesos de lodos activados (véase la sección 5.3.3)§ filtros biológicos (véase la sección 5.3.4)§ sistemas de tratamiento dual que combinan los lodos activados con los filtros

biológicos (véase la sección 5.3.5)§ sistemas de tratamiento anaerobio (véase la sección 5.3.6).

Para mayor información sobre métodos compactos de tratamiento biológico para aguasresiduales remítase a Irvine (1985), EPA (1977b) y WPCF/VIEF (1988b). La EPA yWPCF/WEF(1988a) tratan en mayor detalle la aereación, componente crítico de los procesos detratamiento aerobio asistidos mecánicamente. En este rubro de tratamiento biologico, se haconsiderado pertinente colocar referencias sobre la tecnologia de tratamiento de aguas residualesmediante humedales o “wetlands”.

5.3.1 Tratamiento en el terreno

Los principales tipos de sistemas de tratamiento en el terreno para aguas residualesincluyen:

§ Tasa lenta: Las aguas residuales se aplican a una superficie con vegetación a través detuberías o rociadores, a una tasa que evite la escorrentía superficial. Las aguasresiduales se tratan por la interacción planta-suelo, transpiración por la vegetación einfiltración al sistema de aguas subterráneas.

§ Infiltración rápida: Las aguas residuales se aplican a suelos con altas tasas depercolación en zonas de inundación sin vegetación. Las aguas residuales son tratadaspor la infiltración en el suelo e ingreso al sistema de aguas subterráneas.

§ Infiltración subterránea: Las aguas residuales se descargan en áreas de drenaje deabsorción del suelo. Las aguas residuales son tratadas por la infiltración en el suelo eingreso al sistema de aguas subterráneas.

§ Flujo sobre el terreno: Las aguas residuales se aplican a los tramos superiores deladeras cubiertas de pasto a través de tuberías o rociadores y pueden fluir de lasuperficie con vegetación a los canales de recolección de escorrentía. Las aguasresiduales son tratadas por medios físicos, químicos y biológicos a medida que fluyenpor una delgada capa a lo largo de la ladera.

5-17

El cuadro 5-5 compara el rendimiento de los sistemas de aplicación de aguas residualesdomésticas en el terreno. La EPA (1981a y 1981b) brinda orientación detallada sobre el diseñode sistemas de tratamiento en el terreno para aguas residuales municipales. La información sobreel rendimiento del tratamiento presentada en el cuadro 5-5 solo debe aplicarse a las aguasresiduales industriales con características similares a las domésticas. Generalmente, los efluentesde industrias manufactureras tienen proporciones menores de DBO5:DQO y niveles mayores desustancias tóxicas (véase la sección 5.1.2), lo que impide su tratamiento en el terreno. Por otrolado, los efluentes de muchas procesadoras de alimentos pueden tratarse en el terreno, siempreque éste sea apropiado. El cuadro 5-6 clasifica la conveniencia de las aguas residuales dediversas industrias para uso agrícola (tasa lenta). La mayoría de industrias adecuadas oparcialmente adecuadas pertenecen al sector de procesamiento de alimentos, mientras que lamayoría de industrias calificadas como inapropiadas provienen de sectores manufactureros o deproducción de energía.

5-18

Cuadro 5-5. Comparación del rendimiento del diseño y tratamiento de los sistemas deaplicación de aguas residuales domésticas en el terreno

Característica Tasa lenta Infiltraciónrápida

Infiltraciónsubterránea

Flujo sobre elterreno

Condiciones del sitioTextura del suelo Margas arenosas o

arcillosasArenas, margasarenosas

Arenas a margasarcillosasa

Margas limosas,margas arcillosas

Profundidad del aguasubterráneab (m)

1,0 1,0 1,0 No críticoc

Vegetación Necesario Opcional No aplicable NecesarioRestricciones climáticas Temporada de cultivod Ninguna Ninguna Temporada de cultivoCargas del diseñoPretratamientoe Sedimentación primariaf Sedimentación

primariafSedimentaciónprimaria

Sedimentaciónprimaria

Carga diaria promedio (cm) 1,2 –1,5 1,5-10 0,2-4,0g 1,0-6,0Método de aplicación Aspersión o inundación Inundación Inundación Aspersión o

inundaciónDispersión de aguasresiduales

Evapotranspiración ypercolación

Percolación Percolación Escorrentíasuperficial yevapotranspiración

Rendimiento deltratamientoDBO5(mg/L) 5 10 5 15SS (mg/L) 5 5 5 20Nitrógeno total como N(mg/L)

3-8h 10-20i 25-35i 5-10i

Fósforo total como P (mg/L) 0,1-0,4 1-2 0,1-0,5 4-5Sustancias orgánicasj ? ? ? ?Coliformes fecales (por 100mL)

<10 <200 <10 <2000

Virus, promedio de remociónlog

≈3+ ≈2 ≈3 <1

Metales (%) Alta Media Alta Bajo

a Se aplica a sistemas domésticos de grupos pequeños; los sistemas más grandes están limitados a arenas o margas arenosas (conuna profundidad significativa de las aguas subterráneas).b Distancia mínima de separación desde la superficie de infiltración hasta el nivel más alto de las aguas subterráneas.c Crítico solo si ocurre percolación significativa.d Aplicación durante pocas semanas antes y después de la temporada de cultivo.e Requisitos mínimos de pretatamiento.f Con acceso restringido al público; los cultivos no son para consumo humano directo.g Carga basada en el fondo de la fosa, no área total del sitio.h Varía según las concentraciones aplicadas y el cultivo.i Varía según las concentraciones aplicadas.j Los datos son limitados, pero la mejor remoción (>90%) parece ocurrir con tasas más bajas de aplicación en suelos aerobiospara sustancias orgánicas biodegradables; las especies adsorbidas son removidas efectivamente hasta saturar la columna del suelosubyacente, después de lo cual cesa la remoción; si las tasas son suficientemente bajas, los compuestos volátiles son removidosefectivamente en la zona del suelo no saturado.

5-19

Cuadro 5-6. Conveniencia de las aguas residuales industriales para uso agrícola

I II III

Generalmente convenientesa Condicionalmenteconvenientesb

Generalmente inconvenientesc

CerveceríasDestileríasPlantas de maltaPlantas de producción delevaduraProducción de papas fritasFábricas de enlatado de vegetalesPlantas de producción demermeladas, almíbar de frutasLecheríasPlantas de pulverizado demaderaPlantas de producción dealmidón

Refinerías de azúcarPlantas de producción de arroz yalmidón de maízPlantas de producción de cola decuerosPlantas de producción de cola dehuesosVertederos de chatarraMataderos y fábricas de enlatadosde carneCurtiembresPlantas de producción demargarinaPlantas de encurtidosFábricas de papelFábricas de cartulina y cartón depajaPlantas de producción de pulpa desulfatoIndustrias textiles (plantas dedecoloración, de mercerizado, deacabados, de teñido, imprentas,etc.)Tiendas de lavado de lanaIndustria del rayón de cobrePlanta de harina de pescadoPlantas de enlatados de pescadoIndustria de sacarificación demaderaMinería

Fábricas de barnices y tintesFábricas de jabonesIndustrias de metales pesadosinorgánicosIndustria farmacéuticaIndustria metálicaFábricas de celulosa de sulfitoFábricas de rayón viscosoPlantas de carbonización a bajatemperaturaProducción de subproductos deplantas de coquePlantas de generación de gasIndustria de carbonización demaderaLavanderíasPlantas de producción de colasintéticaPlantas de producción deexplosivosPlantas de lavado de carbónIndustria de aceite mineral

aRequiere un terreno apropiado cercano. Requiere cuidado en la separación de residuos menores que contienensustancias tóxicas.bRequiere un terreno apropiado cercano y limitación en el uso de aguas residuales.cGeneralmente inconvenientes debido a contaminantes tóxicos en las aguas residuales.

Fuente: Adaptado de Fresenius y otros (1989).

5-20

5.3.2 Estanques y lagunas de estabilización

Las lagunas de estabilización, también llamadas lagunas de oxidación, tratan las aguasresiduales crudas mediante la interacción de la luz solar, viento y algas, con o sin la ayuda de unequipo de aeración mecánica.

Generalmente, los términos laguna y estanque se usan indistintamente, pero en general,los estaques son más pequeños que las lagunas y tienen una segunda laguna para remover sólidossuspendidos. Las ventajas comunes de los estanque son:

§ bajo costo de operación y mantenimiento debido al diseño y operación simple;§ generalmente no requieren tratamiento preliminar o primario, y§ el control de la descarga puede eliminar la necesidad de un tratamiento adicional.

Estas características hacen que los estanques sean una buena opción para una PCTE enpaíses de reciente industrialización. Entre las desventajas se encuentran:

§ requieren grandes espacios (la aereación mecánica puede reducir los requerimientos deespacio a una tercera o décima parte);

§ pueden necesitar revestimientos de poca permeabilidad para proteger las aguassubterráneas, y

§ el olor puede convertirse en un problema.

Las lagunas de estabilización pueden ser aerobias (el tratamiento se da a través de procesosnaturales) o aereadas (se adiciona oxígeno para mejorar el tratamiento). En las lagunasfacultativas, la biodegradación ocurre por la combinación de microorganismos aerobios yanaerobios en el fondo de las lagunas y un gran número de microorganismos facultativos que sedesarrollan bajo condiciones aerobias y anaerobias. El cuadro 5-7 resume la información sobrecuatro tipos de lagunas de estabilización. Para mayor información, remítase a la EPA (1977a,1981b, 1983).

Otros tipos de lagunas incluyen: (1) lagunas de confinamiento total, donde las aguasresiduales se evaporan (solo para clima secos), (2) lagunas hidrográficas de descarga controlada,donde las aguas residuales se descargan solo durante periodos de caudal alto, (3) lagunas deacuicultura, usadas para cultivar peces o plantas (especialmente jacintos de agua), (4) lagunas depulimento, para el tratamiento terciario de aguas residuales a través de otros métodos biológicos.Los pantanos naturales o construidos también pueden considerarse un tipo de laguna deestabilización.

5-21

Cuadro 5-7. Tipos principales de lagunas de estabilización

Tipo Aerobias aereadas(h:0,4 a 7,5 m)

Facultativasaereadas

Facultativasaerobias(h: 0,6 a 1,5 m)

Aerobias

Descripción La aereación de lalaguna se logra através de difusoresmecánicos deoxígeno; serequiere plantas desedimentación

Usa solo aereadoressuperficiales; par tede ladescomposiciónanaerobia ocurre enlos sedimentos delfondo de la laguna

El oxígeno essuministrado en lasuperficie a travésde algas y mezcladel viento; ocurrecierta actividadanaerobia en lossedimentos delfondo

Lagunas pocoprofundas dondeel oxígeno llega através de las algaspara mantener lascondicionesaerobias en lalaguna

Ventajas -Requiere un áreade tamaño yvolumenrelativamentepequeño-Libre de olores-Alto grado detratamiento

- Requiere un areade tamaño yvolumenrelativamentepequeño-Relativamentelibre de olores-Alto grado detratamiento

-Bajos costos deO&M-Alto grado detratamiento

-Bajos costos deO&M

Desventajas -Costo más elevadode O&M quecualquier otrosistema

-Costossustanciales deO&M

-Requiere un áreade gran tamaño yvolumen-Posibles olores

- Requiere un áreade gran tamaño yvolumen-Posibles olores

Mano de obra Mantenimiento deaereadores;remoción de lodo

Mínimo Mínimo Mínimo

Energía Moderada Poca (para losaeredores)

Ninguna Ninguna

Grado decomplejidad

Moderado; serequiere pocadestreza paramantener el equipo

Simple; no requierepersonal calificado

Simple; no requierepersonal calificado

Simple; norequiere personalcalificado

Residuos Lodo Remoción de lodocada 10 a 20 años

Remoción de lodocada 10 a 20 años

Células de algas

h: profundidad promedio

Fuente: Adaptado de la National Association of Towns and Townships (1989)

5.3.3 Proceso de lodos activados

5-22

Un gran número de procesos unitarios combina los lodos activados con la suspensión departículas de flóculos microbianos y aereadores para crear condiciones óptimas para ladescomposición aerobia de la materia orgánica en las aguas residuales. Los sistemasconvencionales de lodos activados incluyen un reactor individual (sistema de lodos activados demezcla completa (LAMC) o diversos reactores (sistemas de flujo a pistón y en serie). La figura5-4a presenta el diagrama de un sistema de LAMC. Una ventaja de los sistemas de LAMC sobrelos de flujo a pistón y en serie es que la mezcla puede reducir los efectos de corto plazo de lasaltas concentraciones de componentes indeseables en las aguas residuales.

Otros sistemas de lodos activados tienen diseños que varían en mayor o menor grado delos convencionales. La configuración para la estabilización por contacto es similar a la de lafigura 5-4a, excepto que el lodo del contenedor de clarificación secundaria entra al estanque deestabilización de lodos en lugar de reciclarse directamente en el estanque de aeración. Elestanque (aeración) tiene un tiempo de residencia relativamente corto, mientras que el estanquede estabilización de lodos por lo general tiene el doble de tiempo de retención del estanque decontacto. Este método es más adecuado para flujos menores donde se busca un mayor tiempo deresidencia del lodo y es menos vulnerable a los excesos de sustancias orgánicas o cargas tóxicas,que los sistemas convencionales de lodos activados.

La aeración prolongada modifica los sistemas convencionales de LAMC, ya queincrementa los tiempos de retención hidráulica y de sólidos y a menudo incorpora las unidadesde digestión aerobia de lodos (véase la figura 5-4b). Estos sistemas se usan a menudo cuando losflujos de aguas residuales son menores de 2 L/s (50.000 gpd). Entre las ventajas principales seencuentran:

§ menor producción de lodo de cualquier proceso de lodos activados;§ capacidad para obtener un efluente de alta calidad;§ el sitio no requiere mucha preparación para la instalación de plantas compactas;§ confiabilidad con la atención necesaria del operador;§ la nitrificación ocurre probablemente cuando las aguas residuales tienen temperaturas

superiores a 15 °C;§ requiere poco espacio;§ costo inicial relativamente bajo, y§ maneja con facilidad cargas hidráulicas de impacto moderado.

Las principales desventajas incluyen:

§ alto consumo y costo de energía comparado con sistemas en el terreno o naturales;§ operadores calificados y altos requisitos de operación y mantenimiento;§ las altas variaciones de flujo puede reducir la efectividad de remoción de los sólidos

suspendidos (SS) y DBO;§ problemas potenciales de congelamiento en climas fríos;§ potencial para la generación de lodos debido a la desnitrificación en el clarificador

final durante los meses más cálidos;§ posibles ruidos del ventilador y olores provenientes del lodo, y

5-23

§ las plantas compactas pueden requerir componentes o modificaciones adicionalespara compensar las limitaciones específicas del efluente.

La zanja de oxidación es una variación del proceso de aeración prolongada con tiempossimilares de retención hidráulica y de sólidos. Generalmente, los anillos de la zanja de oxidaciónson ovalados y reciben aeración por los aereadores rotatorios de escobilla, jaula o discocolocados horizontalmente (véase la figura 5-4d). Todos son adecuados para flujos de aguasresiduales superiores a 0,4 L/s (10.000 gpd). Las ventajas y desventajas son similares para lossistemas de aeración prolongada, siendo los aereadores la parte principal del sistema que requieremayor mantenimiento. Los canales triples son un tipo de zanja de oxidación con tres canalesconstruidos en serie. La sedimentación del lodo activado y descarga de aguas residuales tratadasse alternan entre los dos canales más externos. La ventaja de este sistema es que elimina lanecesidad de tanques separados de sedimentación, lo que hace que su construcción searelativamente menos costosa.

El reactor discontinuo (RD) es un tipo de proceso de lodos activados donde las funcionesde aereación, sedimentación y decantación se combinan en un solo reactor. Generalmente, losRD constan de dos o más tanques paralelos que operan alternativa o secuencialmente en un ciclode cinco estados: llenado, reacción, sedimentación, extracción y descarga (véase la figura 5-4c).La operación discontinua de un RD convierte en una opción biológica factible para el tratamientode aguas residuales industriales que, por lo general, presentan volúmenes y característicassumamente variables. Entre las principales ventajas del proceso de RD se encuentran:

§ es simple y confiable;§ es adecuado para flujos pequeños de aguas residuales con grandes variaciones de

flujo;§ obtiene un efluente de gran calidad debido a la sedimentación discontinua;§ requiere menos cuidado del operador que la mayoría de sistemas mecánicos, y§ es capaz de remover nutrientes debido a su alta flexibilidad operativa.

Las desventajas incluyen:

§ presenta algunos problemas con sistemas de decantación y§ requiere un operador calificado e inspección y mantenimiento.

5-24

Figura 5-4. Sistemas de lodos activados: (a) sistema convencional de lodos activados demezcla completa (EPA, 1995), (b) proceso de aereación prolongada (EPA,1992a), (c) zanja de oxidación (EPA, 1992a) y (d) reactor discontinuo (EPA,1992a)

5.3.4 Filtros biológicos

Los filtros biológicos permiten una superficie expuesta a las aguas residuales y aire,donde puede desarrollarse una capa microbiana. El tratamiento ocurre en la delgada capa demicroorganismos que se forma en la superficie y que adsorbe las partículas orgánicas y lasdegrada de manera aerobia. Los filtros biológicos se dividen en medios filtrantes fijos y reactoresbiológicos rotatorios (descritos a continuación). Ambos dependen de la capa microbiológica fijasobre los medios para que pueda darse el tratamiento.

5-25

Los filtros percoladores son el tipo de medios filtrantes fijos usados con mayor frecuenciapara el tratamiento convencional de aguas residuales. Las aguas residuales se distribuyen sobre ellecho, generalmente de roca o plástico y fluyen por los medios por la gravedad. Entre lasprincipales ventajas de los filtros percoladores comparados con los sistemas de lodos activadosse encuentran:

§ son más simples;§ los costo de operación y mantenimiento son bajos;§ producen poco lodo, y§ tienen mayor resistencia al impacto.

Las desventajas incluyen:

§ remueven menos DBO (menos de 85%, en comparación con 90% de los lodosactivados);

§ el costo inicial es mayor;§ requieren mayor espacio;§ necesitan estar cubiertos en climas fríos, y§ pueden producir olores.

La biotorre es un tipo relativamente nuevo de medios filtrantes fijos que usa planchasplásticas en forma de panales para el crecimiento de la capa biológica, un inóculo del cultivo debacterias comercialmente disponible y una solución de nutrientes separada que consta deamoníaco y fósforo para mejorar el crecimiento bacteriano. El inóculo, solución de nutrientes yaguas residuales ingresan por el fondo de la biotorre, donde se mezclan y pasan a través delmedio filtrante por los ventiladores de aire, mientras que el efluente tratado sale por la partesuperior de la biotorre (véase la figura 5-5).

5-26

Figura 5-5. Diagrama de un sistema de biotorre

Un contactor biológico rotatorio (CBR) consta de una serie de discos plásticoscorrugados colocados en un eje horizontal (véase la figura 5-6). Los discos rotatorios, que tienenaproximadamente 40% del área superficial inmersa en las aguas residuales y el resto expuesto ala atmósfera, brindan la superficie para que se desarrolle la capa microbiana limosa. Lainmersión y aeración alternadas de una porción dada del disco mejora el crecimiento de losmicroorganismos adheridos y facilita la oxidación de las sustancias orgánicas y materialesnitrogenados disueltos en las aguas residuales y posibilita un alto grado de tratamiento en untiempo relativamente corto. Generalmente, se requieren cubiertas para proteger los discosplásticos del deterioro por la luz ultravioleta y para inhibir el crecimiento de algas y controlar laliberación de compuestos volátiles. Los CBR son una tecnología bien establecida para eltratamiento de aguas residuales municipales e industriales. Pueden tratar aguas residualesindustriales que otros procesos de tratamiento biológico no podrían manejar, siempre que éstasno contengan altas concentraciones de metales pesados, ciertos pesticidas, herbicidas osustancias orgánicas altamente cloradas que inhiban la actividad microbiana.

5.3.5 Sistemas de tratamiento dual o de doble etapa

5-27

En la primera etapa del tratamiento, los sistemas de tratamiento dual o de doble etapacombinan filtros biológicos (medios fijos o contactores rotatorios), seguido de un sistema delodos activados o de contacto con sólidos. Se pueden dar muchas de las configuraciones deunidades descritas en las dos secciones previas. El proceso de contacto con sólidos del filtropercolador (CSFP) es un enfoque relativamente innovador del filtro percolador, en el cual ladescarga fluye por un tanque aereado de corto tiempo de retención con lodo retornado secundariopara promover la floculación y aglomeración de las partículas finas del filtro percolador, lo quemejora la remoción de los SS y DBO en el clarificador final. La figura 5-7 presenta tres posiblesconfiguraciones para el proceso de CSFP.

5.3.6 Sistemas de tratamiento anaerobio

Los sistemas de tratamiento anaerobio se usan con poca frecuencia en las plantasde tratamiento convencional de aguas residuales, excepto como un medio para estabilizar lodos.Esto se debe básicamente a que los procesos de degradación anaerobia ocurren de manera máslenta que la aerobia y cuando hay azufre presente, se produce gas nocivo de sulfuro dehidrógeno. Pese a que muchos compuestos orgánicos tóxicos, especialmente los hidrocarburosclorados, no son susceptibles a la biodegradación aerobia, pueden degradarse de maneraanaerobia.

Figura 5-6. Esquema de una planta típica de contactor biológico rotatorio (EPA, 1992b)

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Figura 5-7. Diagrama de los procesos de filtros percoladores y de contacto con sólidos(EPA, 1992a)

5.3.7 Sistemas de tratamiento con humedales o “wetlands” construidos

Los humedales son zonas que se inundan con agua hasta 0,6 m para facilitar la vida deplantas emergentes con raíces fijadas al suelo, como cañas y carrizos. Otros humedales pueden

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contener vegetación flotante, como jacintos y lentejas de agua, y tener una profundidad de aguavariable entre 0,5 y 1,8 m.

Los humedales construidos ofrecen todas las capacidades de tratamiento de loshumedales naturales. Usualmente, es necesario implementar sistemas de pretratamiento para elfuncionamiento adecuado de los humedales construidos. El tratamiento ocurre con el paso lentodel agua a través de los tallos y raíces de la vegetación acuática y ésta proporciona la superficenecesaria para el desarrollo de capas de bacterias que filtran y adsorben los elementos presentesen el agua residual, transfieren oxígeno a la columna de agua y controlan el crecimiento de algasal impedir el paso de la luz solar.

5.4 SELECCIÓN DE LOS PROCESOS UNITARIOS DE TRATAMIENTO

La selección de la combinación de procesos unitarios del tratamiento de aguas residualesmás adecuada para las condiciones de un sitio específico requiere: (1) definición de los criteriosde selección que permitan la rápida eliminación de los procesos inapropiados, (2) evaluaciónpreliminar de ingeniería y costos de diversos sistemas de tratamiento que cumplan los criteriosde selección, y (3) diseño detallado de ingeniería para el mejor sistema, basado en la evaluaciónpreliminar de ingeniería y costos.

5.4.1 Criterios de selección

La hoja de trabajo D, en el volumen II, brinda información sobre procesos de tratamientode aguas residuales no peligrosas. El cuadro D-1 presenta 21 criterios para tecnologíasconvencionales de tratamiento de aguas residuales y clasifica cualitativamente más de 40tecnologías específicas. A continuación, se trata cada criterio y se identifica su importancia parael diseño de una PCTE para las PYME en países recién industrializados. Obviamente, no todoslos criterios son óptimos, por lo que tienen que realizarse algunas compensaciones.

§ Costo del ciclo de vida. Incluye los costos de instalación y operación, quegeneralmente se capitalizan a lo largo del proyecto para brindar una base común decomparación entre diferentes opciones. Esta es una consideración importante para lasPCTE diseñadas específicamente para el tratamiento de aguas residuales de lasPYME.

§ Efectividad en función de los costos. Esta es otra medida económica importante,expresada a menudo como un costo unitario que brinda una base para la comparaciónentre diferentes opciones (por ejemplo, $/galón, $/m3). Las comparaciones del costounitario deben ser adecuadas. Por ejemplo, las economías de escala generalmentereducen el costo unitario del tratamiento de aguas residuales, pero no sonnecesariamente efectivos en función de los costos si los flujos de aguas residuales noson lo suficientemente altos para permitir que la tecnología funcione óptimamente.

5-30

§ Confiabilidad. Consiste en medir el rendimiento de un sistema en relación con lasexpectativas sin problemas de fallo en el tratamiento de aguas residuales para cumplirlos objetivos de calidad del agua. Para las PCTE diseñadas para las PYME, laconfiabilidad debe estar relacionada con una operación simple y fácil mantenimiento.Los sistemas confiables que requieren operadores especializados y mantenimientocuidadoso no son muy apropiados.

§ Operación simple. Sumamente aconsejable para las PCTE diseñadas para las PYME.

§ Fácil mantenimiento. También es sumamente aconsejable para las PCTE diseñadaspara las PYME.

§ Rendimiento. Generalmente, se mide en términos de porcentaje de remoción (véaselos cuadros D-2 a D-4) o se expresa en concentraciones comunes de efluentestratados. Las concentraciones de afluentes y efluentes tratados requeridas paracumplir los objetivos de calidad del agua determinan si el rendimiento de una opciónespecífica de tratamiento o combinación de opciones es aceptable.

§ Capacidad para cumplir los objetivos de calidad del agua. Este es un criterioprimario de selección. Cualquier sistema que no cumpla esos objetivos no debeconsiderarse más adelante.

§ Adaptación al cambio en la calidad del afluente. Criterio sumamente importantepara las PCTE diseñadas para PYME, ya que la calidad de las aguas residuales tiendea ser más variable que para el tratamiento convencional de aguas residualesmunicipales.

§ Rendimiento dependiente del pretratamiento. Esta puede o no ser unaconsideración importante. Sin embargo, si todo sigue igual, las opciones que puedencumplir los objetivos de calidad del agua sin pretratamiento se verían favorecidas.

§ Adaptación a tasas variables de flujo. Puede ser un criterio importante para lasPCTE diseñadas para PYME en caso las industrias involucradas tengan tasas de flujosumamente variables.

§ Fácil construcción. Esta es una característica deseable para las PCTE diseñadas paralas EPE.

§ Adaptación a los cambios. Esta puede o no ser una consideración importante para lasPCTE diseñadas para las EPE, según las condiciones locales.

§ Disponibilidad del equipo principal. Consideración básica para el diseño de lasPCTE para las EPE. Obviamente, si el equipo no está disponible local oregionalmente o no es asequible debido a costos elevados de transporte, la opciónpuede excluirse de futuras consideraciones.

5-31

§ Equipo y provisiones disponibles localmente. Aquí también se aplica el conceptosobre disponibilidad del equipo principal.

§ Servicio de postinstalación y entrega de productos químicos. En general, seprefieren los sistemas que minimizan el servicio de postinstalación para las PCTEpara las EPE. Si se usan productos químicos, es vital que estén disponibles confacilidad.

§ Nivel de habilidad del personal. Generalmente, las PCTE en PYME requierenpersonal no muy capacitado en lugar de aquellas que requieren personal altamentecapacitado. Generalmente, esto va acompañado de la operación simple y fácilmantenimiento.

§ Uso de energía. Generalmente, para las PCTE diseñadas para las PYME se prefiereopciones que requieren poco o ningún uso de energía.

§ Producción de residuos. Consideración importante para las PCTE diseñadas para lasPYME cuando los lodos están tan contaminados que no son apropiados para laaplicación en el terreno. En ese caso, se aconseja seguir opciones que minimicen laproducción de lodos.

§ Costo de la disposición de residuos. Estrechamente relacionado con la cantidad ycalidad de residuos producidos.

§ Potencial para uso y reúso de efluentes. Un gran potencial para uso o reúso deefluentes sería una característica favorable para las PCTE.

§ Potencial para emisiones de aire. Algunos procesos de tratamiento tienen mayorpotencial para producir olores nocivos, los cuales necesitan un control adicional paraser reducidos.

5.4.2 Evaluación preliminar de las opciones de tratamiento

Generalmente, la evaluación preliminar de las opciones de tratamiento incluye laselección de varias opciones que cumplan los objetivos de calidad del agua para el efluentetratado. Normalmente, los cálculos preliminares de ingeniería y costos se basan en el flujo ycaracterísticas específicos de las aguas residuales (DBO/DQO) similares a las especificacionesdel diseño para una PCTE real. El costo de una secuencia de tratamientos específicos depende engran medida de las condiciones locales (por ejemplo, costos del terreno y mano de obra,disponibilidad y precio del equipo), por ello, es importante que una empresa de ingeniería u otraspersonas familiarizadas con las condiciones locales ayuden a realizar las comparacionespreliminares de costos.

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Una evaluación preliminar de los costos debe separar los costos iniciales de construcciónde los de operación y mantenimiento proyectados para todo el proyecto. Una manera adecuadade comparar los costos de diferentes opciones consiste en presentar los costos de una tecnología“base”. El cuadro 5-8 presenta dos maneras de comparar estos dos tipos de costos. Chemcontrol(1991) calculó los costos de instalación, costos de operación y costos totales capitalizados parauna PCTE industrial de 50.000 m3/día en la India para ocho alternativas de tratamiento. La basepara la comparación en cada categoría de costos (100%) fue el lodo activado con sedimentaciónprimaria.

El cuadro 5-8 muestra tres opciones (filtros percoladores con medios de plástico, filtrospercoladores con medios de piedra y estanques aereados con lagunas de pulimento) con costos deinversión menores que los del sistema de lodos activados. La alternativa de la laguna aerobiamuestra claramente la importancia de diferenciar los costos de instalación y operación. Loscostos totales fueron iguales al sistema de lodos activados, pero el costo de instalación y deoperación fue 25% menor.

La comparación del diseño preliminar de Rangsit, Tailandia, presenta comparaciones decostos en una manera algo distinta. Todos los costos se dan en relación con el costo inicial deinversión para la aereación prolongada de carga ligera (100%). En comparación, los costosiniciales para el lodo activado convencional y estanques aereados son mayores, pero los costossignificativamente menores de operación y mantenimiento hacen que los estanques aereadossean la opción de costo más bajo (154% comparado con 173% para aereación prolongada decarga ligera).

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Cuadro 5-8 Comparaciones de costo de las alternativas de tratamiento para una PCTE

Proceso Costo deInstalación

Costo deoperación

Costo deinversión

India, pre-factibilidad: 50.000 m3/día, 400 mg/L DBOLodos activados con sedimentación primaria 100% 100% 100%Filtros percoladores con medios de plástico 115% 60% 75%Filtros percoladores con medios de piedra 105% 65% 75%Estanques aereados con lagunas de pulimento 190% 55% 95%Lagunas aerobias 290% 25% 100%Aereación prolongada con sedimentación secundaria

105% 115% 110%Zanjas de oxidación con sedimentación secundaria 135% 105% 115%Canales triples 155% 110% 125%

Tailandia: diseño preliminar de Rangsit Costo deinversión

O&Mcapitalizadosa

Total

Alta tasa de lodo activado convencional 112% 64% 176%Aereación prolongada de carga ligera 100% 73% 173%Estanques aereados 109% 45% 154%

aCostos de operación y mantenimiento.Fuentes: India: Chemcontrol (1991); Tailandia: TISTR (1994).

5.4.3 Diseño detallado de ingeniería

La selección final de los procesos de tratamiento para una PCTE depende de evaluacionesminuciosas de los análisis de costos, como los que se resumen en el cuadro 5-8 y otros factorespresentados en la sección 5.4.3. La elección final no necesita tener el costo total más bajo, pero sino se ha elegido la opción de costo más bajo, se deben fundamentar bien las razones. El diseñodetallado de ingeniería va más allá del alcance de este manual, pero a lo largo de este capítulo, sebrinda referencias importantes que pueden resultar útiles para los aspectos generales yespecíficos del diseño detallado de ingeniería.

5.5 TRATAMIENTO, USO Y DISPOSICIÓN DE LODOS

Los procesos de tratamiento descritos anteriormente concentran sólidos de aguasresiduales industriales en un lodo que debe ser tratado (es decir, estabilizado y deshidratado)antes de su disposición final. Debido a las altas concentraciones de metales pesados y sustanciastóxicas, las opciones para el uso beneficioso del lodo de las PCTE industriales son más limitadasque para las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales. El tratamiento, uso ydisposición de lodos debe ser una consideración importante al momento de evaluar alternativas

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de tratamiento y diseño de ingeniería para una PCTE. La sección 6.5 trata las opciones deprocesos de tratamiento y disposición final de lodos pertinentes para las PCTE y las plantas detratamiento de residuos peligrosos.

5.6 REFERENCIAS

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