UNIVERSIDAD DE CASTILLA LA MANCHA (UCLM).
ESCUELA UNIVERSITARIA
POLITECNICA DE ALMADEN (EUPA)ESPECIALIDAD DE RECURSOS
ENERGETICOS, COMBUSTIBLES Y EXPLOSIVOS.
2º AÑO, CURSO 2007-2009
ARISTIDES JOSE EDJANG ASEKO ASANGUAN.
INDICE:
1.-INTRODUCCION
2.-PROCESOS EN LA DEPURACION Y REGENERACION DE AGUAS RESIDUALES
2.1-LÍNEA DE AGUAS
-PRETRATAMIENTO Desbaste
Desarenado
Desengrasado
-TRATAMIENTO PRIMARIO
-TRATAMIENTO SECUNDARIO
Fangos (lodos) activos
Lechos bacterianos
-TRATAMIENTO TERCIARIO
Adsorción
Cambio iónico
Procesos de separación por membranas
2.2.-LÍNEA DE FANGOS
. Espesamiento
Digestión
Secado
2.3.-LÍNEA DE GAS
3.-POTABILIZACION DE UN AGUA RESIDUAL
3.1.-PARÁMETROS FUNDAMENTALES DEL AGUA DE CONSUMO
PÚBLICO
3.2.-OXIDACIÓN
Objetivos
-Agentes oxidantes:
Permanganato potásico
Cloro
Ozono
3.3.- TRATAMIENTO
Coagulantes
Floculantes
Tipos de decantadores
3.4.- FILTRACIÓN
Filtros de arena
Filtros de carbón activo
3.5.- ACONDICIONAMIENTO FINAL
Ajuste de pH
Fluoración
Desinfección
3.6.-RECUPERACIÓN DE LAS AGUAS DE
PROCESO
Objetivos principales
Consideraciones previas al diseño
Procesos utilizados
4.-EJEMPLO
5.-MINIGLOSARIO
6.-BIBLIOGRAFIA.
1.-INTRODUCCION:
Se denominan aguas residuales a las que han sido utilizadas en las viviendas, en la industria, en la agricultura y en los servicios, pudiéndose incluir también las que proceden de lluvia y discurren por las calles y espacios libres, por los tejados, patios y azoteas de los edificios.
Estas aguas residuales producidas en la vida diaria deben ser transportadas y tratadas adecuadamente. Se necesita una infraestructura compuesta de alcantarillas y colectores, y de unas instalaciones denominadas Estaciones de Regeneración de Aguas Residuales (ERAR) que, en un conjunto, posibiliten la devolución del agua al medio ambiente en condiciones compatibles con él.
Cuando un vertido de agua residual sin tratar llega a un cauce produce varios efectos sobre él:
Tapiza la vegetación de las riberas con residuos sólidos gruesos que lleva el agua residual, tales como plásticos, utensilios, restos de alimentos, etc.
Acumulación de sólidos en suspensión sedimentables en fondo y orillas del cauce, tales como arenas y materia orgánica.
Consumo del oxígeno disuelto que tiene el cauce por descomposición de la materia orgánica y compuestos amoniacales del agua residual.
Formación de malos olores por agotamiento del oxígeno disuelto del cauce que no es capaz de recuperarse.
Entrada en el cauce de grandes cantidades de microorganismos entre los que pueden haber elevado número de patógenos.
Contaminación por compuestos químicos tóxicos o inhibidores de otros seres vivos.
Posible aumento de la eutrofización al portar grandes cantidades de fósforo y nitrógeno.
La depuración de las aguas residuales persigue una serie de objetivos:
Reducir al máximo la contaminación.
Proteger el medio ambiente.
Mantener la calidad de vida de los individuos.
Ahorrar energía.
Aprovechar los residuos obtenidos.
2.-PROCESOS EN LA DEPURACION Y REGENERACION DE AGUAS RESIDUALES:
Las instalaciones de tratamiento biológico de aguas residuales, tanto urbanas como industriales, suelen estar formadas por una sucesión de procesos físico-químicos y biológicos tanto aerobios como anóxicos (vía anaerobia) complementarios entre sí que permiten realizar una depuración integral en las mejores condiciones técnicas y económicas posibles. ¿Cómo se evalúa que una planta depuradora funciona? Los objetivos de una ERAR son:
Eliminación de residuos, aceites, grasas, flotantes o arenas y evacuación a punto de destino final adecuado.
Eliminación de materias decantables orgánicos y/o inorgánicos.
Eliminación de compuestos amoniacales y que contengan fósforo.
Transformar los residuos retenidos en fangos estables y que éstos sean correctamente dispuestos.
La eficacia de un proceso de tratamiento se expresa en términos de tanto por ciento de disminución de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), una medida de la cantidad de oxígeno disuelto consumido por los microorganismos para la oxidación de materia orgánica e inorgánica. Cuanto mayor es el nivel de materiales oxidables orgánicos e inorgánicos, más elevada es la DBO y peor es la calidad del agua. Una planta de tratamiento de aguas residuales que funcione bien, puede eliminar el 95% o más de la DBO inicial.
Según el grado de complejidad y tecnología empleada, las ERAR se clasifican como:
a) Convencionales. Se emplean en núcleos de población importantes y utilizan tecnologías que consumen energía eléctrica de forma considerable y precisan mano de obra especializada.
b) Tratamientos blandos. Se emplean en algunas poblaciones pequeñas y alejadas de redes de saneamiento. Su principal premisa es la de tener unos costos de mantenimiento bajos y precisar de mano de obra no cualificada. Su grado de tecnificación es muy bajo, necesitando poca o nula energía eléctrica.
En el presente tema nos vamos a centrar en el primer tipo de ERAR, aunque mencionaremos otros procesos alternativos.
Convencionalmente, los procesos de una ERAR se agrupan en:
Línea de aguas: Pretratamiento, Tratamiento primario, secundario y terciario.
Línea de fangos: Espesamiento, Digestión, Acondicionamiento, Secado y Eliminación.
Línea de gas: Producción de metano.
2.1.-LÍNEA DE AGUAS:
-Pretratamiento
En toda ERAR resulta necesaria la existencia de un tratamiento previo o pretratamiento que elimine del agua residual aquellas materias que pueden obstruir las bombas y canalizaciones, o bien interferir en el desarrollo de los procesos posteriores.
Con el pretratamiento se elimina la parte de polución más visible: cuerpos voluminosos, trapos, palos, hojas, arenas, grasas y materiales similares, que llegan flotando o en suspensión desde los colectores de entrada.
Una línea de pretratamiento convencional consta de las etapas de desbaste, desarenado y desengrasado.
El desbaste se lleva a cabo mediante rejas formadas por barras verticales o inclinadas, que interceptan el flujo de la corriente de agua residual en un canal de entrada a la estación depuradora. Su misión es retener y separar los sólidos más voluminosos, a fin de evitar las obstrucciones en los equipos mecánicos de la planta y facilitar la eficacia de los tratamientos posteriores. Estas rejas pueden ser de dos tipos: entre 50 y 150 mm de separación de los barrotes (desbaste grueso) y entre 10 y 20 mm (desbaste fino). Estas rejas disponen de un sistema de limpieza que separa las materias retenidas.
Las instalaciones de desarenado se sitúan en las ERAR después del desbaste y tienen como objetivo el extraer del agua bruta las partículas minerales de tamaño superior a uno fijado en el diseño, generalmente 200 micras. El funcionamiento técnico del desarenado reside en hacer circular el agua en una cámara de forma que la velocidad quede controlada para permitir el depósito de arena en el fondo. Normalmente, esta arena sedimentada queda desprovista casi en su totalidad de materia orgánica y es evacuada, mediante bombas, al clasificador de arenas y, posteriormente, a un contenedor.
La fase de desengrasado tiene por objeto eliminar las grasas, aceites y en general los flotantes, antes de pasar el agua a las fases posteriores del tratamiento. El procedimiento utilizado para esta operación es el de inyectar aire a fin de provocar la desemulsión de las grasas y su ascenso a la superficie, de donde se extraen por algún dispositivo de recogida superficial, normalmente rasquetas, para acabar en contenedores.
En muchas ERAR, las fases de desarenado y desengrasado se verifican en la misma cámara, en una instalación combinada.
Otros elementos del pretratamiento son el Aliviadero y el Medidor de Caudal. El primero permite que la planta funcione siempre según el caudal del proyecto y, conjuntamente con el medidor del caudal, permite controlar la cantidad de agua que entra en la planta.
-Tratamiento Primario
Se entiende por tratamiento primario a aquel proceso o conjunto de procesos que tienen como misión la separación por medios físicos de las partículas en suspensión no retenidas en el pretratamiento.
El proceso principal del tratamiento primario es la decantación, fenómeno provocado por la fuerza de gravedad que hace que las partículas suspendidas más pesadas que el agua se separen sedimentándose.
Otros procesos de tratamiento primario incluyen el mecanismo de flotación con aire, en donde se eliminan sólidos en suspensión con una densidad próxima a la del agua, así como aceites y grasas, produciendo unas burbujas de aire muy finas que arrastran las partículas a la superficie para su posterior eliminación.
El tratamiento primario permite eliminar en un agua residual urbana aproximadamente el 90% de las materias decantables y el 65% de las materias en suspensión. Se consigue también una disminución de la DBO de alrededor del 35%.
-Tratamiento Secundario
Su finalidad es la reducción de la materia orgánica presente en las aguas residuales una vez superadas las fases de pretratamiento y tratamiento primario. El tratamiento secundario más comúnmente empleado para las aguas residuales urbanas consiste en un proceso biológico aerobio seguido por una decantación, denominada secundaria.
El proceso biológico puede llevarse a cabo por distintos procedimientos. Los más usuales son el proceso denominado fangos activos y el denominado de lechos bacterianos o percoladores. Existen otros procesos de depuración aerobia de aguas residuales empleados principalmente en pequeñas poblaciones: sistema de lagunaje, filtros verdes, lechos de turba o contractores biológicos rotativos. Son las llamadas tecnologías blandas, pero nosotros nos vamos a centrar en los dos primeros.
Fangos (lodos) activos
Consiste en un proceso continuo en el que el agua residual se estabiliza biológicamente en tanques o balsas de activación, en las que se mantienen condiciones aerobias. El efluente de los decantadores primarios pasa a estas balsas de fangos activos que necesitan un aporte de oxígeno para la acción metabólica de los microorganismos. Este aporte se efectúa mediante turbinas o bien a través de difusores dispuestos en el interior de la balsa. En este último caso, el suministro del aire se realiza mediante turbocompresores.
El sistema consiste en desarrollar un cultivo bacteriano disperso en forma de flóculos alimentado con el agua a depurar. La agitación evita sedimentos y homogeniza la mezcla de los flóculos bacterianos y el agua residual (licor de mezcla). Después de un tiempo de contacto suficiente, 5-10 horas, el licor de mezcla se envía a un clarificador (decantador secundario) destinado a separar el agua depurada de los fangos. Un porcentaje de estos últimos se recirculan al depósito de aireación para
mantener en el mismo una concentración suficiente de biomasa activa. Se tiene que garantizar los nutrientes necesarios para que el sistema funcione correctamente. Estos son principalmente el nitrógeno y el fósforo.
Una vez que los influentes han pasado por estos tanques de aireación y digestión bacteriana, los efluentes pasan por los decantadores secundarios. Estos decantadores constituyen el último escalón en la consecución de un efluente bien clarificado, estable, de bajo contenido en DBO y sólidos en suspensión (menos del 10 % en comparación con el influente).
Aunque el tratamiento biológico reduce la DBO del agua efluente un 75-90%, la del fango se reduce en mucha menor medida, por lo que suele ser necesario el posterior tratamiento de dichos fangos.
Para que se verifique el proceso, debe haber un equilibrio entre los microorganismos que se mantienen en el reactor y el alimento contenido en el agua residual, por lo que es necesario regular el caudal de fangos que se introduce en la balsa de activación en función de la cantidad de alimento que entra con el agua residual.
Lechos bacterianos
Son tanques circulares rellenos de piedras o materiales sintéticos formando un filtro con un gran volumen de huecos, destinado a degradar biológicamente la materia orgánica del agua residual.
El agua a tratar se rocía sobre el lecho filtrante, mediante un brazo giratorio, provisto de surtidores, y da lugar a la formación de una película que recubre los materiales filtrantes y que está formada por bacterias, protozoos y hongos alimentados por la materia orgánica del agua residual. Al fluir el agua residual sobre la película, la materia orgánica y el oxígeno disuelto son extraídos de ésta. El oxígeno disuelto en el líquido se aporta por la absorción del aire que se encuentra entre los huecos del lecho. El material del lecho debe tener una gran superficie específica y una elevada porosidad, y suelen emplearse piedras calizas, gravas, escorias o bien materiales plásticos artificiales de diversas formas. Este sistema de depuración se suele emplear en pequeñas poblaciones y tiene la ventaja con respecto a los fangos activos que no necesita aporte alguno de energía.
-Tratamiento terciario
El tratamiento terciario es el procedimiento más completo para tratar el contenido de las aguas residuales, pero no ha sido ampliamente adoptado por ser muy caro. Este tratamiento consiste en un proceso físico-químico que utiliza la precipitación, la filtración y/o la cloración para reducir drásticamente los niveles de nutrientes inorgánicos, especialmente los fosfatos y nitratos del efluente final. El agua residual que recibe un tratamiento terciario adecuado no permite un desarrollo microbiano considerable. Algunos de estos tratamientos son los siguientes:
Adsorción: Propiedad de algunos materiales de fijar en su superficie moléculas orgánicas extraídas de la fase líquida en la que se encuentran.
Cambio iónico: Consiste en la sustitución de uno o varios iones presentes en el agua a tratar por otros que forman parte de una fase sólida finamente dividida (cambiador), sin alterar su estructura física. Suelen utilizarse resinas y existen cambiadores de cationes y de aniones. Debido a su alto precio, el proceso de intercambio iónico se utiliza únicamente en aquellos casos en los que la eliminación del contaminante venga impuesta por su toxicidad o que se recupere un producto de alto valor (eliminación de isótopos radiactivos, descontaminación de aguas con mercurio, eliminación de cromatos y cianuros, recuperación de oro, etc.).
Procesos de separación por membranas: tanto mediante membranas semipermeables (procesos de ultrafiltración y ósmosis inversa) como mediante membranas de electrodiálisis.
De todas formas, en la mayoría de los casos el tratamiento terciario de aguas residuales urbanas queda limitado a una desinfección para eliminar patógenos, normalmente mediante la adición de cloro gas, en las grandes instalaciones, e hipoclorito, en las de menor tamaño. La cloración sólo se utiliza si hay peligro de infección. Cada vez más se está utilizando la desinfección con ozono que evita la formación de organoclorados que pueden ser cancerígenos.
Ha crecido notablemente el interés por la eliminación del N (también pero menos el S y el P). Estos compuestos pueden provocar un crecimiento anormal de algas, plantas acuáticas y microorganismos de diferentes clases. Esto ejerce una fuerte demanda de oxígeno, la cual afecta negativamente la vida de los peces y tiene un negativo impacto en el uso de esa agua. A este fenómeno se le llama Eutrofización del agua.
El origen del N en las aguas residuales puede ser muy diverso, predominando el que proviene de la mineralización de la materia orgánica a amoniaco o amonio.
Se considera bien depurado, o regenerado, aquel efluente que no tiene más de 20-30 mg/l (p.p.m.) DBO5 y alrededor de la misma cantidad de sólidos en suspensión.
2.2.-LÍNEA DE FANGOS:
En un tratamiento biológico de aguas residuales se obtienen volúmenes considerables de fangos. A estos fangos hay que someterlos a determinados procesos que reducirán su facultad de fermentación y su volumen. Las características de los fangos son consecuencia del uso que se les haya dado a las aguas. Los fangos de depuración se producen por sedimentación en los decantadores de los distintos procesos de tratamiento. Por un lado, las partículas sólidas más gruesas se depositan en el fondo del decantador primario y forman los fangos primarios. Las partículas más finas y disueltas se fijan y metabolizan por las bacterias que se multiplican en presencia de oxígeno durante la operación de aireación. Esta biomasa bacteriana se separa en el decantador secundario para producir los fangos secundarios. Una parte de esta biomasa
se recirculan al depósito de aireación, la otra se extrae constituyendo los fangos biológicos en exceso. Ambos tipos de fangos se pueden mezclar formando los fangos mixtos.
El tratamiento de los fangos depende de su composición y del tipo de agua residual del que proviene. Las fases más usuales en un proceso de tratamiento y evacuación de fangos son: concentración o espesamiento, digestión, acondicionamiento, secado, incineración y/o eliminación. El tratamiento de los fangos será en función de las disponibilidades económicas, destino final previsto, existencia de espacio, etc.
. Espesamiento
La misión del espesamiento de los fangos es concentrarlos para hacerlos más densos, reduciendo el volumen global para facilitar el manejo de los mismos y abaratar los costes de las instalaciones posteriores. Existen varios tratamientos posibles:
a) Concentración en espesadores: Un espesador es un depósito cilíndrico terminado en forma cónica. Normalmente, el fango que llega a estos espesadores es de tipo mixto. Suelen tener un cono de descarga de gran pendiente. La concentración que cabe esperar es de hasta un 5-10 %.
b) Flotación: Es una alternativa al espesamiento propiamente dicho. Consiste en inyectar aire a presión al fango a tratar formando un manto en la superficie que, mediante una rasqueta superficial, es barrido hacia una arqueta. Este tipo de espesamiento se utiliza para fangos muy ligeros con gran cantidad de bacterias filamentosas.
c) Centrifugación: Se utiliza tanto para concentración como para deshidratación.
Digestión
El proceso de digestión de fangos puede llevarse a cabo por vía anaerobia (la principal) o por vía aerobia. Ambas soluciones tienen sus ventajas e inconvenientes, si bien puede decirse que en instalaciones importantes resulta más conveniente la primera, reservándose la vía aerobia para estaciones de menor importancia.
Digestión anaerobia
La digestión anaerobia consiste en una serie de procesos microbiológicos que convierte la materia orgánica en metano en ausencia de oxígeno.
El proceso se lleva a cabo en unos depósitos cerrados (de hasta 30 m de diámetro y casi 20 de altura) denominados digestores, que permiten la realización de las reacciones correspondientes y la decantación de los fangos digeridos en su parte baja de forma cónica. En el proceso se produce un gas, denominado gas biológico (mezcla de metano y CO2 principalmente) que se evacua del recinto. El fango introducido en el digestor se agita, con el fin de mantener una homogeneidad, mediante un sistema mecánico, o bien por medio de la difusión del propio gas de la mezcla. Para facilitar el proceso de digestión y reducir su duración, los fangos se calientan a temperaturas de
alrededor de 30-37º, siendo conveniente que este calor se aporte utilizando como combustible el propio gas de la digestión.
La digestión anaerobia puede hacerse en una o dos etapas. Generalmente, el hacerlo en dos etapas (digestores primarios y secundarios) produce mejores resultados. En los primarios, el fango se mezcla constantemente con el propio gas producido para favorecer la digestión, mientras que en el secundario simplemente se deja sedimentar el fango antes de extraerlo. El proceso completo dura aproximadamente 30 días (20 en los digestores primarios y 10 en el secundario).
Digestión aerobia
Es otro procedimiento alternativo de digestión de fangos que, como se ha indicado, suele aplicarse solamente en pequeñas instalaciones. Consiste en estabilizar el fango por aireación, destruyendo así los sólidos volátiles. El tiempo de aireación suele oscilar entre 10 y 20 días, según la temperatura.
Secado
Su objetivo es eliminar agua del fango para convertirlo en una pasta sólida fácilmente manejable y transportable. El sistema depende de la cantidad de fango y del terreno disponible.
En el caso de ERAR de grandes poblaciones y con problemas de grandes espacios existen otros mecanismos de secado como son los filtros de banda, filtros prensa y/o centrifugación. En estos casos, la torta producida suele tener alrededor del 25% de material seco. Estas tortas son recogidas mediante una cinta transportadora y enviada a la tolva para su retirada. El fango una vez seco puede ser transportado a un vertedero e incinerado (aguas urbanas con aporte industrial) o utilizado como corrector de suelos (aguas exclusivamente urbanas).
2.3.-LÍNEA DE GAS:
cuando el proceso de digestión de fangos se efectúa por anaerobia, como consecuencia de las reacciones bioquímicas del mismo, se produce un gas denominado gas biológico o biogás, que tiene un contenido de metano de alrededor del 65-70%. El resto de su composición lo constituyen gases inertes. La mayor parte dióxido de carbono.
El biogás puede convertirse, reutilizándolo, en un valioso subproducto a través del cual se suministra una gran parte de la energía que la ERAR necesita para su funcionamiento (hasta un 60% del total de la energía empleada). Las aplicaciones de este gas de digestión son, por un lado, las de su uso como calefacción tanto de edificios como de los propios fangos de digestión y, por otro lado en instalaciones importantes, las de su empleo como combustible para producción de energía. En este último caso, a la planta depuradora se le dota de motores que se alimentan con el biogás, y a estos motores se le acoplan generadores cuya energía eléctrica producida sirve para abastecer las distintas partes de la estación.
3.-POTABILIZACION DE UN AGUA RESIDUAL:
El tratamiento de aguas residuales puede tener como fin el consumo doméstico, agrícola o industrial y los procedimientos del tratamiento serían distintos.
El proceso de potabilización es tratar un agua residual para que sea apta para consumo humano esto es que cumpla con estándares de calidad (contenido de sales, esterilización, contenidos mínimos de otros elementos etc.)
3.1.-PARÁMETROS FUNDAMENTALES DEL AGUA DE CONSUMO
PÚBLICO
Valor guía Conc. máx. Admisible
Caracteres Organolépticos
:Color (mg/l, escala Pt/Co) 1 20
:Turbidez (U.N.F.)* 1 6
Caracteres Físico-químicos
:pH (ud) 6.5 a 8.5 9.5
:Tª (ºC) 12 25
:Conductividad (microS/cm) 400 -
:Ca (ppm) 100 -
:Mg (ppm) 3050
- Cloruros (ppm)||25||-
:Sulfatos (ppm) 25 250
Caracteres no deseables
:Amonio (ppm NH4+) 0.05 0.5
:Nitritos (ppm) - 0.1
:Nitratos (ppm) 25 50
:Oxidabilidad (ppm O2) 2 5
:Fe (ppm) 50 200
Caracteres Tóxicos
:Hg (ppb) - 1
:Pb (ppb) - 50
:Plaguicidas (ppb) - 0.5
Caracteres Microbiológicos
:Aerobios a 37 ºC (colonias/ml) 5 20
:Aerobios a 22 ºC (colonias/ml) 20 100
:Coliformes Totales (en 100 ml) 0 0
:Coliformes Fecales (en 100 ml) 0 0
:Estreptococos fecales (en 100 ml) 0 0
:Clostridios Sulfitorreductores (en 20 ml)
0 0
Aditivos
:Cloro libre residual (ppm)Entre 0.2 y 0.6
: Fluoruros (ppm ión F-)Entre 0.7 y 1.2
(*) Unidades Nefelométricas de Formacina
Para conseguir un agua apta para un consumo humano es necesario aplicar a esta un
tratamiento.
El tipo de tratamiento aplicado depende estrictamente de la naturaleza del agua bruta.
El esquema.1 describe un tipo de proceso de potabilización.
ESQUEMA.1: PROCESO DE POTABILIZACIÓN
3.2.-OXIDACIÓN
Objetivos
Eliminación de sustancias disueltas (minerales, orgánicas,...) supresión de olores,
sabores, y gérmenes.
Agentes oxidantes
Permanganato potásico
Oxida fenoles, Fe, Mn, sulfuros, compuestos orgánicos (gustos y olores)
No altera el Ph, el exceso se degrada y se elimina en la decantación
Tiene propiedades bactericidas y algicidas.
Cloro
Se usa como desinfectante, además de oxidante
Comercialmente se usa cloro gas, hipoclorito, acido hipocloroso.
Oxida bien el amonio, formando cloraminas.
El cloro permanece en solución en forma libre o combinada
Ozono
El de mayor poder (oxida casi todas las sustancias que trae el agua)
Elimina olores y sabores, no da lugar a trihalometanos.
Es más eficaz como bactericida y virucida.
3.3.- TRATAMIENTO
Coagulantes
Agrupan las partículas coloidales, por atracción de cargas
Los más usados, sulfatos, polihidroxicloruros y cloruros de alúmina o de hierro.
Ensayar en laboratorio diversos tipos (jartest)
Floculantes
Favorecen la formación del flóculos, lo hacen más voluminoso
Existen distintos tipos (aniónicos, catiónicos, orgánicos, sintéticos, ...)
Tipos de decantadores
Decantadores estáticos
Decantadores por contacto de fangos
Decantadores de lecho de fangos
3.4.- FILTRACIÓN
Filtros de arena
Lechos formados por gravas y arenas de distinta granulometría
Filtros rápidos (agua coagulada y decantada), velocidad de 5 a 20 m/h
Filtros lentos (aguas poco turbias), velocidad < 5 m/h
Filtros de carbón activo
Lechos formados por carbón activo granular (mineral o de leña)
Alto poder de adsorción de moléculas que originan olores y sabores
Es un agente decolorante, elimina el cloro en exceso del agua
Existe la posibilidad de regenerar el carbón, se reactiva.
3.5.- ACONDICIONAMIENTO FINAL
Ajuste de pH
Necesario para evitar incrustaciones y corrosiones en la red
Aumento de pH: hidróxido sódico, hidróxido cálcico, carbonato sódico
Disminución de pH: acido. sulfúrico, acido. clorhídrico, anhídrido carbónico.
Fluoración
Usado por recomendación sanitaria, no necesario para la potabilidad
El agente más usado es el acido. fluosilísico (líquido), dosificación segura
Otros productos fluoruro sódico, fluosilicato sódico (polvos)
Desinfección
Asegura sanitariamente las aguas distribuidas
El agente más usado es el cloro en sus distintas formas
El ozono resulta más eficaz, aunque también es más caro y peligroso
3.6.-RECUPERACIÓN DE LAS AGUAS DE
PROCESO
Objetivos principales
Minimizar las pérdidas de agua durante el proceso de potabilización
Cumplimiento de legislación de protección de los cauces públicos
Consideraciones previas al diseño
Caracterizar los vertidos, para determinar el tratamiento adecuado
Prever trabajar a un régimen estable, evitando puntas de vertido
Procesos utilizados
Desarenador
Cámara de laminación
Tratamiento físico-químico (coagulación, floculación)
Decantación
Espesador de fangos
Deshidratación de fangos (centrífugas, filtros bandas, filtros prensa,..
4.-EJEMPLO:
Vamos a considerar un EDAR (Estación Depuradora de Aguas Residuales) que trata aguas residuales para consumo doméstico (agua potable) y ver como aplica los distintos procesos para conseguir la potabilización del agua residual.
Supongamos que depuramos en un EDAR 20.000 m3/d, con una DBO de 25mg/l, unos SS de 35mg/l, N inferior a 10mg/l y F por debajo de 1mg/l.
Siendo este el agua obtenido del EDAR, y sabiendo que el proceso de potabilización depende del tipo de agua bruta obtenida, ¿cuál sería el proceso de potabilización para esta agua tal que cumpla las condiciones de un agua potable?
Pues el primer parámetro a despreciar sería el contenido en nitrógeno y en fluor que no haría falta eliminarlos ya que están por debajo de los valores máximos admitidos para que el agua sea considerada potable.
Luego tener en cuenta que debemos eliminar completamente la DBO ya que en el EDAR no se ha eliminado totalmente. También sería muy necesario eliminar los sólidos en suspensión (SS).
El caudal depurado nos serviría para diseñar nuestra planta de potabilización.
A continuación, vamos a analizar los distintos reactivos que serán usados en la primera fase del tratamiento, para ello, debemos aclarar que las sustancias que vienen disueltas en el agua, van a ser eliminadas principalmente mediante oxidación, mientras que las sustancias que vienen en suspensiones coloidales, requieren la adicción de coagulantes para su eliminación posterior mediante sedimentación.
OXIDACIÓN
Los objetivos que se persiguen con la oxidación, son los siguientes:- Eliminación de las sustancias que puedan venir disueltas en el agua, tanto minerales (Fe, Mn, etc.,...), como orgánicas (ácidos, derivados amonio, etc.,...).- Eliminación de olores y sabores en el agua, que pueden ser provocados por la presencia de compuestos orgánicos.- Eliminación de organismos contaminantes, que se presentan en forma de gérmenes y patógenos, y que son los causantes de enfermedades de transmisión hídrica.
La elección del producto va a depender del tipo de contaminantes que tengamos que oxidar, de la instalación de la que se dispone en la planta, y como no, de lo que económicamente estemos dispuestos a asumir.
PERMANGANATO POTÁSICO El producto comercial presenta las siguientes características:Fórmula Química: KMnO4Estado: SólidoSuministro: Envases de 25 ó 50 KgDensidad: 1,45 - 1,60 kg/l (20 ºC)
Solubilidad: 65,3 g/l (20 ºC)La instalación de permanganato, deberá incluir un almacén, unas cubas de preparación del producto, y una red de dosificación del producto. A la hora de diseñar la instalación de dosificación y almacenamiento de permanganato, estableceremos como consignas:
Q = caudal máximo de tratamiento (m3/s)D = dosis máxima (ppm)
Para la instalación de almacenamiento del producto, determinaremos el consumo diario máximo, que será:
Q (m3/s) x D (g/m3) x 10-3 (kg/g) x 3600 (s/h) x 24 (h/día) = 86, 4 x Q x D (kg/d)
Consumo diario máximo = 86, 4 x Q x D (kg/d)
CLORO Y DERIVADOS
Producto comercial:Fórmula: Cl2Peso Molecular: 70,9Densidad gas seco (0º C 1 atm): 3,2 g/lDensidad gas saturado: 12,8 g/lDensidad líquido (20ºC): 1410 g/l1 volumen líquido = 456,8 vol. GasSolubilidad en agua (20ºC) = 7.3 g/lTipo de suministro: Contenedores de 1000 kg
A la hora de diseñar la instalación de dosificación y almacenamiento de cloro, estableceremos como partida que se utiliza este reactivo como agente oxidante en la entrada del agua en la planta, lo que denominaremos dosis de precloración, y también utilizaremos este reactivo como agente desinfectante, en la entrada del agua a los depósitos de suministro, lo que denominaremos dosis de Postcloración.
Para determinar la capacidad de almacenamiento, dosificación, y sistema de absorción de posibles fugas, deberemos tener en cuenta la suma de los dos consumos.
Q = caudal máximo de tratamiento (m3/s)D = dosis máxima precloración (ppm)d = dosis máxima postcloración (ppm)
El consumo máximo horario en Precloración, será:
Q (m3/s) * D (g/m3) * 10-3 (kg/g) * 3600 (s/h) = 3, 6 * Q * D (kg/h)
El consumo máximo horario en Postcloración, será:Q (m3/s) * d (g/m3) * 10-3 (kg/g) * 3600 (s/h) = 3, 6 * Q * d (kg/h)
Para determinar el almacenamiento, el consumo máximo diario será:
3,6 * Q * (D + d) * 24 = 86,4 * Q * (D + d) kg/día
Ahora bien, podríamos prescindir del resto de oxidantes y usar nada más que el ozono.
OZONO
De los agentes citados, es el de mayor poder oxidante, es capaz de oxidar casi todas las sustancias que lleva el agua. Al igual que el cloro, también es utilizado como desinfectante.Con respecto al cloro, el ozono es más oxidante (mejores resultado al oxidar a virus y bacterias), tiene las ventajas de no producir olores, sabores, ni los trihalometanos, que se forman al reaccionar el cloro con compuestos orgánicos. Los inconvenientes son que su dosificación requiere una mayor tecnología, resulta más caro, y la vida media del ozono en el agua es corta, por lo que no se le puede hacer un seguimiento exhaustivo en las redes de distribución.
COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN
Para la eliminación de sustancias que vienen en el agua en forma coloidal, la decantación por gravedad, no resulta del todo efectiva, por lo que se requiere el aporte de unos reactivos que faciliten esta acción.
a) coagulación
Los agentes coagulantes comúnmente utilizados, son las sales de hierro, y aluminio, que comercialmente se presentan en las formas: sulfato de aluminio, cloruro de aluminio, polímeros de alúmina, cloruro férrico, y sulfato férrico.Varios aspectos van a influir en el proceso de coagulación: calidad del agua bruta, agitación de la mezcla, dosis y tipo de coagulante. Para determinar la dosis y el tipo de coagulante para tratar nuestra agua, realizaremos ensayos de laboratorio (jar test), que mostrarán la calidad del agua una vez decantada, el volumen de fango producido, los tiempos de decantación, etc., con cada uno de los coagulantes seleccionados.Una vez elegido el coagulante adecuado, antes del diseño de la instalación, hay que considerar y valorar en qué estado nos interesa que se haga el suministro del producto (grano, polvo, o líquido), ya que las instalaciones de almacén varían considerablemente, en función del estado del producto. Vamos a plantear cuales serían los elementos a considerar en el diseño de una instalación de dosificación de coagulantes, como agente se ha supuesto el sulfato de alúmina, en estado líquido, el modo de proceder para otro coagulante, sería análogoProducto comercial: Sulfato de Alúmina Al2 (SO4)3Estado: Producto diluido en forma líquidaRiqueza: 48,5 % Densidad: 1,33 kg/lLa instalación a dimensionar es bastante simple, al ser el producto comercial líquido totalmente soluble en el agua.
Q = caudal máximo de tratamiento (m3/s)D = dosis máxima (ppm)d = dosis media (ppm)
Consumo diario máximo, que será:
C (kg/día) = Q (m3/s) * D (g/m3) * 100/48,5 * 10-3 (kg/g) * 3600 (s/h) * 24 (h/día)= 178 * Q * D (kg/día)
Conociendo la densidad del producto, podemos calcular el caudal de sulfato máximo diario, q (m3/día):
q (m3/día) = 178 * Q * D (kg/día)/1,33 (kg/l) = 133,8 * Q * D (l/día)
b) floculación
Los floculantes, o también llamados coadyuvantes, son productos que tienen la facultad de captar los coágulos formando entre ellos un entramado más voluminoso, pesado, y denso. De esta forma se aumenta la velocidad de sedimentación de los fóculos formados.Una vez determinado el floculante adecuado, el diseño de la instalación es similar para todos ellos.
FILTRACIÓN
Una vez que el agua ha sido decantada, para terminar el proceso de clarificación la haremos pasar por una etapa de filtración.
El proceso físico va a consistir, en hacer pasar el agua a través de un lecho filtrante, normalmente este lecho será de arena y grava de distinta granulometría, aunque también se puede optar, si se quiere un tratamiento más afino, por pasar el agua a través de un lecho de carbón activado. Con esto, no sólo retendremos la materia que aún queda en suspensión en el agua, sino que aprovechando la porosidad y la capacidad de absorción del carbón activo, quedarán en el lecho partículas adsorbidas que podrían producir olores y sabores en el agua.
Para determinar el número de filtros necesarios, estableceremos una superficie máxima unitaria (s), se cumplirá entonces:N > Q * 3600/ (V * S)Siendo:N = número de filtrosQ = caudal máximo a tratar (m3/s)V = velocidad de filtrado (m3/m2h)S = superficie máxima unitaria (m2). La velocidad de filtrado para agua potable decantada y coagulada, se fijará por encima de 5 m3/m2h.
ACONDICIONAMIENTO FINAL
Antes de pasar el agua a los depósitos o las redes de distribución, habrá que acondicionarla para asegurarnos que se cumple con la normativa de calidad, que dicta la reglamentación, para considerar el agua como apta para el consumo humano.
En tratamientos previos, hemos conseguido eliminar partículas de distintos grosores, otras disueltas, y las que se encontraban en estado coloidal.Para conseguir estos objetivos, hemos adicionado al agua algunos reactivos, que han podido modificar el pH del agua, y que habrá que corregir. Por otra parte, la normativa va a exigir una concentración de flúor en el agua tratada, y30 también tendremos que aplicar un tratamiento de desinfección, que garantice la salubridad del agua en todos los puntos de la red.
AJUSTE DEL pH
El pH del agua de salida, es necesario mantenerlo entre los valores guía que cita la normativa (6,5 < pH < 9,5).Para corregir el pH entre estos valores, utilizamos varios reactivos, que pueden dosificarse de forma líquida (en solución), o en polvo, los más comunes en el mercado son:- Aumento de pH: Hidróxido sódico o cálcico, carbonato sódico.- Reducción de pH: Ácidos sulfúricos o clorhídrico, anhídrido carbónico.
Producto comercial: Hidróxido cálcico Ca (OH)2Riqueza: 90 %Densidad: 2,24 kg/l pH (25 ºC): 12,4Solubilidad a 20 ºC: 1,65 kg/m3Suministro: Producto comercial en polvo
Mediante ensayos de laboratorio, determinaremos la dosis de diseño que demanda el agua a tratar.
d = dosis de diseño (ppm)Q = caudal máximo de tratamiento (m3/s)
El consumo máximo del producto en su forma comercial (C), vendrá determinado por la expresión:
C (kg/día) = Q (m3/s) * d (gr/m3) * 100/90 * 24 (h/día)* 3600 (s/h) * 10-3 (kg/g)
Simplificando, nos queda un consumo máximo diario de:
C (kg/día) = 96 * Q (m3/s) * d (gr/m3)
DOSIFICACIÓN DE FLÚOR
En primer lugar, hay que aclarar que la dosificación de flúor, es un complemento en el proceso de potabilidad del agua, en algunos países o comunidades, se agrega por recomendaciones sanitarias.La regulación en cuanto a la obligatoriedad de dosificar flúor en el agua potable, cambia en nuestro país de una comunidad a otra. La reglamentación sanitaria recomienda unos valores guía entre 0,7 y 1,2 ppm.El reactivo más usado es el ácido fluosilísico (H2SiF6), o su sal sódica(Na2SiF6).
Q = caudal máximo de tratamiento (m3/s)d = dosis de F- según reglamento vigente, fijamos un valor de 0,7 ppmProducto comercial = ácido fluosilísico (H2SiF6) al 40%Peso molecular H2SiF6 = 144,1Peso molecular F- = 19Densidad = 1,35 (g/cc)
Estableciendo una dosis de 0,7 ppm, tal como se recomienda. El consumo máximo diario de ácido fluosilísico comercial (c) será:
c = Q (m3/s) * 0, 7 (g/m3) * 10-3 (kg/g) * ( 3600 (s/h) * 24 (h/día) * 100/31,6 =c = 191,4 * Q kg/día
Conociendo la densidad, podemos determinar el caudal máximo diario de ácido fluosilísico (q), en forma líquida, que será:
q = 191,4 * Q (kg/d) / 1,35 (kg/l) = 258,4 * Q (l/día)
Desde aquí ya vendrían los procesos de desinfección y el de recuperación de las aguas de proceso.
5.-MINIGLOSARIO
MINIGLOSARIO:
Aguas residuales: Aguas utilizadas en las viviendas, industria y agricultura que se canalizan en el alcantarillado junto con el agua de lluvia y la que discurre por las calles.
Balsas de activación: Tanques que reciben el efluente de los decantadores primarios para el tratamiento biológico aerobio en e proceso de fangos activos.
DBO5: Demanda Bioquímica de Oxígeno (5 días). Cantidad de oxígeno utilizado por una mezcla de población de microorganismos heterótrofos para oxidar compuestos orgánicos en la oscuridad a 20ºC durante 5 días.
Desbaste: Sistema de rejas y tamices donde quedan retenidos los flotantes y residuos gruesos que arrastra consigo el agua “bruta” o influente en las estaciones regeneradoras.
Digestión anaerobia: Tratamiento biológico anóxico del fango procedente de los decantadores secundarios y primarios previo a su secado y eliminación, y que se desarrolla con la producción de gas, fundamentalmente metano.
ERAR: Estación Regeneradora de Aguas Residuales. Plantas de tratamiento de las aguas residuales.
Eutrofización: Aumento de nutrientes en el agua que, en general, conlleva un excesivo desarrollo de algas y microorganismos consumidores de oxígeno que afectan principalmente a la vida de la fauna acuática habitual.
Flóculo: Unidad ecológica y estructural del fango activo formada por una agrupación de bacterias y otros microorganismos que permiten la oxidación de la materia orgánica en las balsas de activación.
Licor de mezcla: Homogeneizado del agua residual con los flóculos bacterianos para el tratamiento biológico.
Sintrofía: Situación nutricional en la que dos o más organismos combinan sus capacidades metabólicas para catabolizar una sustancia que no puede ser catabolizada individualmente por ninguno de los dos.
6.-BIBLIOGRAFIA.
Tratamiento biológico de las aguas residuales. E. Ronzano y J.L. Dapena ed. 1995.
Residuos Urbanos y Medio Ambiente. (U.A.M. ed). I. Herráez, J.López, L.Rubio y M.E.Fernández. 1989.
Microbiología (4ª ed). Prescott, Harley y Klein. 2000. McGraw Hill College Div.
Aguas residuales urbanas: Tratamientos naturales de bajo costo y aprovechamiento. Seoanez Calvo, M. Ed. 1995.
Internet: páginas Web sobre ERAR y microorganismos implicados
http://www.geocities.com/RainForest/Canopy/1285/ (Ayuda para proyectos Fin de Carrera en CC Ambientales).
http://www.supercable.es/~aymasl/ (Agua y Medio Ambiente. Una página muy interesante con descripción de microorganismos frecuentes en las ERAR)
http://www.uam.es/fguam/Fse/cursos99/ciencias/ci15.html (Curso impartido por el Profesor José Luis Sanz sobre regeneración de aguas residuales).
http://195.76.84.11/aguas/ (Sistema de formación Medioambiental de Madrid). Información muy valiosa sobre las ERAR de Madrid).
http://dgpea2.comadrid.es/agua/calidad.html (Información sobre el Plan Integral de Aguas de Madrid, PIAM).
http://members.es.tripod.de/bern/agua_depuracion.html (Medioambiente y el Agua).
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