SERIE AUTODIDÁCTICA DE AGUAS RESIDUALES IDENTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE SISTEMAS PRIMARIOSPARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Autor: Cesar Calderón Mólgora. Revisor IMTA: Violeta Escalante Estrada. Revisor CNA: Miriam Beth Arreotúa Cosmes. Luis Miguel RiveraChávez. Editor: Cesar G. Calderón Mólgora. Presentación: Ana Cecilia Tomasini Ortíz. SUBDIRECCIÓN GENERAL DE ADMINISTRACIÓN DEL AGUA (CNA) COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA HIDRÁULICA (IMTA)

¿Para quién? Este manual se dirige a los especialistas técnicos de las brigadas de inspección y verificación quienes se encargan del muestreo de las descargas de los usuarios en aguas nacionales. ¿Para qué? Este manual se elaboró con el fin de proporcionar al usuario los fundamentos para describir el principio de funcionamiento de los sistemas fisicos y fisicoquímicos de tratamiento de aguas residuales, así como para identificar los diferentes procesos mediante los cuales se lleva a cabo el tratamiento primario.

CONTENIDO 1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TRATAMIENTO PRIMARIO 2. EQUIPOS E INSTALACIONES DEL TRATAMIENTO PRIMARIO 3. TIPO DE CONTAMINANTES QUE REMUEVEN LOS SISTEMAS PRIMARIOS Y LAS EFICIENCIAS DE REMOCIÓN 4. TRATAMIENTO FISICOQUÍMICO REGRESAR

1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIEANTO DEL TRATAMIENTO PRIMARIO

La norma mexicana NMX-AA-34 define los sólidos totales como la suma de los sólidos suspendidos totales y los sólidos disueltos totales.

Los sólidos suspendidos totales están constituidos por sólidos en suspensión cuyo tamaño de partícula sea mayor o igual que 1.2 mm. Los sólidos suspendidos pueden permanecer en suspensión o sedimentar (sólidos sedimentables)

0.001 mm 1.2 mm

Con el fin de aclarar conceptos se utilizara el diagrama de flujo del proceso analítico para la determinación de sólidos totales

Diagrama de flujo para la determinación de sólidos

Los sólidos totales son toda la materia que permanece como residuo después de que una muestra de agua residual ha sido evaporada entre 103° y 105º centígrados.

Para determinar los sólidos suspendidos totales es necesario filtrar una muestra a través de un filtro estándar de fibra de vidrio con diámetro nominal de 1.2 mm. Las partículas retenidas en el filtro son los sólidos suspendidos totales.

Para definir materia flotante y materia sedimentable revisaremos el concepto de densidad. La densidad ( ) es la cantidad de materia contenida en una unidad de volumen.

Cada sustancia tiene una densidad específica, cuando mezclamos un líquido y un sólido o dos líquidos con densidades diferentes, la densidad específica de cada uno de ellos provocará que se acomode abajo el de mayor densidad.

Este vaso tiene una capacidad de 100 cm3.

100 Su peso es 100 gramos

Si lo llenamos de arena

Tendrá un peso de 350 gramos. Restando el peso del vaso (100 g) se tienen 250 gramos de arena. rarena = 250 g/100 cm3 rarena = 2.5 g/cm3 rarena = 2,500 kg/m3

El mismo vaso (de 100 cm3 de capacidad).

Si lo llenamos con mercurio

Tendrá un peso de 1,455 gramos Restando el peso del vaso (100 g) se tienen 1,355 gramos de mercurio. rmercurio = 1,355 g/100 cm3 rmercurio = 13.55 g/cm3 rmercurio = 13,550 kg/m3

Por tercera ocasión el mismo vaso.

En esta ocasión lo llenamos de agua

Tendrá un peso de 200 gramos. Restando el peso del vaso (100 g) se tienen 100 gramos de agua. ragua = 100 g/100 cm3 ragua = 1 g/cm3 ragua = 1,000 kg/m3

Le agregamos agua y hielos Le agregamos mercurio y arena rhielo = 915 kg/m3 ragua= 1,000 kg/m3 Le agregamos agua y hielos rarena = 2,500 kg/m3 rmercurio= 13,546 kg/m3 Le agregamos mercurio y arena ragua = 1,000 kg/m3 Le agregamos agua y arena Al mismo vaso

Si la densidad de la materia sólida (s) es menor que la del agua (), el sólido flota (s <). Este caso es el que describe a la materia flotante.

Si la densidad de la materia sólida (s) y la del agua () son iguales, el sólido permanece suspendido en el agua a la altura en que se haya dejado, a menos que una fuerza externa cambie la posición de la partícula (s=).

Si la densidad de la partícula es ligeramente superior que la del agua, el sólido se desplaza lentamente hacia el fondo del recipiente (s>).

Esto generalmente se presenta en los sedimentadores, tanto primario como secundario

Si la densidad de la partícula es mucho mayor que la del agua, el sólido se hunde con facilidad y se deposita en el fondo de la estructura que contiene o conduce el agua (s>>). Esto ocurre en los desarenadores.

La materia flotante, además de ser menos densa que el agua, debe ser retenida por una malla con abertura de 2.8 a 3 milímetros.

La mayor parte de la materia suspendida tiene una densidad mayor que la del agua (es sedimentable). Sin embargo, además de la densidad hay otros factores que determinan que una partícula pueda o no sedimentar.

Los sólidos sedimentables o potencialmente sedimentables, cuando se desplazan a través del líquido, experimentan la acción de tres fuerzas.

Diagrama de fuerzas sobre una partícula en un líquido

1. Una fuerza exterior que es la que provoca el movimiento y puede ser la gravedad, o puede ser el resultado de campos magnéticos o eléctricos (FW).

2. La fuerza de empuje del fluido (FB) que actúa en la misma dirección que la gravedad, pero en sentido contrario.

3. La fuerza de arrastre (FD) se manifiesta en forma paralela al movimiento de la partícula a través del fluido, pero con un sentido opuesto

Las unidades, en las cuales se lleva a cabo la separación de los sólidos, operan en forma continua. Por ello, el agua se desplaza con una velocidad horizontal (Vx), la cual interfiere con el movimiento descendente de las partículas

Trayectoria de las partículas en un sistema continuo

Trayectoria de las partículas en un sistema continuo

Trayectoria de las partículas en un sistema continuo

Si las fuerzas de arrastre y de empuje del fluido son mayores que el paso de la partícula, entonces esta última no puede sedimentar. FB + FD < FW La partícula sedimenta FB + FD  FW La partícula no sedimenta

Este fenómeno se refiere a la sedimentación de las partículas discretas. Las partículas sedimentan por sí mismas y no hay interacción con otras partículas.

Si todas las partículas en el agua residual fueran discretas, la eficiencia de remoción dependería exclusivamente de la superficie del sedimentador.

Sin embargo, hay partículas que son capaces de unirse entre sí para aumentar su masa y tamaño. Esto se conoce como sedimentación de partículas floculantes (sedimentación tipo II).

Cuando las partículas sedimentan en bloque se conoce como sedimentación tipo III. En este caso ocurre un fenómeno de filtración. Al descender el bloque de partículas, estás pueden atrapar otras partículas suspendidas de sedimentación más lenta y arrastrarlas.

La sedimentación tipo IV ocurre en aguas con una concentración muy grande de partículas.

La sedimentación tipo I y tipo II son las que encontramos en los sistemas primarios. La sedimentación tipo III ocurre en agua con una concentración media de sólidos. La sedimentación tipo IV ocurre en espesadores y en las tolvas de los sedimentadores.

2. EQUIPOS E INSTALACIONES DEL TRATAMIENTO PRIMARIO

Toda planta de tratamiento de aguas residuales está integrada por una serie de unidades de proceso colocadas en forma secuencial, dependiendo de los contaminantes que haya que remover.

Planta típica de tratamiento de aguas residuales del tipo primario Pretratamiento Tratamiento de lodos Tratamiento pr imario Rejas Rejillas Desarenador Sedimentador primario Medidor de flujo (no es parte del pretratamiento)

Usualmente, las plantas de tratamiento primario de aguas municipales comprenden el cribado, la medición de flujo, el desarenador y la unidad primaria de separación de sólidos

Toda planta de tratamiento debe contar con una línea para el tratamiento de los lodos de desecho

Existe una variante de tratamiento conocida como tratamiento primario avanzado que incluye una dosificación de reactivos para ayudar a la formación de flóculos y, de esta forma, aumentar la sedimentación.

Planta de tratamiento del tipo primario avanzado o físicoquímico Pretratamiento Tratamiento de lodos Tratamiento primario Rejas Rejillas Desarenador aerado Sedimentador primario Medidor de flujo (no es parte del pretratamiento) Reactivos Floculador

En aguas residuales provenientes de procesos industriales es usual que no se cuente con rejas ni rejillas ni desarenadores y, en cambio, si es frecuente que se encuentren tanques de igualación y/o neutralización, ya que hay grandes variaciones en el caudal o en la composición del agua.

Tren industrial de tratamiento primario Pretratamiento Tratamiento de lodos Medidor de flujo Tanque de igualación y/o tanque de neutralización (opcional) Flotador por aire disuelto

A continuación se describen las unidades de proceso, o las operaciones unitarias que aparecen en las ilustraciones

Cribado El cribado es un método que remueve los contaminantes más voluminosos. Las cribas se clasifican en función del tamaño de la partícula removida.

Las unidades de cribado más usadas, para las plantas de tratamiento de aguas municipales son las rejillas.

Una unidad de rejillas consta de barras de acero verticales o inclinadas espaciadas a intervalos regulares, situadas en forma perpendicular al canal a través del cual fluye el agua residual

Rejilla automática ANCHO DEL CANAL

Rejilla horizontal fija. Rejilla manual 1 2 3 1) Rejilla inclinada. 2) Charola de escurrimiento. 3) Rejilla horizontal fija.

Medición de flujo La localización de los medidores de flujo puede ser antes de la planta, entre las rejillas y el desarenador o antes del sedimentador primario, en la estación de bombeo o antes de la descarga final del efluente.

Desarenadores La función de los desarenadores es eliminar la arena del agua residual para proteger los equipos mecánicos de la abrasión y el desgaste, evita la obstrucción de los conductos y reduce la acumulación de material inerte en los tanques.

Desarenadores La ubicación más frecuente de los desarenadores es despues de las rejillas y antes del sedimentador primario

Desarenadores Existen tres tipos de desarenadores: los de flujo horizontal, los aerados y los de vórtice

Desarenadores de flujo horizontal Compuerta de cierre Compuerta para el control del nivel de agua INFLUENTE EFLUENTE Planta de un desarenador de doble canal

Desarenadores de flujo horizontal Influente Efluente Inclinación Tanque colector Rotación Cucharón Rastras Tubo de retorno Mecanismo de retorno Motoreductor Motor Cinturón protector Contenedor para la arena Caja de descarga de arena Deflectores reciprocantes Vista en planta de un tanque desarenador a nivel constante.

Desarenadores aerado Trayectoria del agua y las partículas en un desarenador aerado.

Desarenadores de vórtice Desarenadores tipo vórtice: a) unidad PISTA y b) unidad taza de té

Colección y remoción La arena eliminada por los desarenadores puede estar libre de materia orgánica o tener un alto porcentaje de ella.

Tratamiento primario Se lleva a cabo la separación de la materia orgánica particulada. Esto se puede hacer a través de la sedimentación, la flotación o el microcribado.

Sedimentadores Los sedimentadores primarios generalmente se diseñan para tener un tiempo de retención hidráulico (TRH) de 11/2 a 21/2 horas y una carga hidráulica de 32 a 50 m3/m2/d (0.37 y 0.58 mm/s).

Sedimentadores La carga hidráulica es el volumen de agua que pasará sobre la superficie horizontal del tanque en un día.

Sedimentadores Existen dos tipos de sedimentadores: circulares rectangulares

Sedimentadores Tanto en los circulares como en los rectangulares, se crean condiciones de movimiento suave y lento para que las partículas puedan depositarse en el fondo.

Sedimentadores Ambos tipos cuentan con estructuras que les permiten desplazar los lodos depositados en el fondo del tanque hasta una tolva donde se concentran.

Sedimentadores Tanto circulares como rectangulares tienen un mecanismo para colectar las natas o materia flotante

Sedimentador rectangular Pueden ser implementados como una sola unidad o varias, con una pared común entre todas ellas, por lo que requiere de un área disponible menor.

Sedimentador rectangular Los sólidos sedimentables depositados en el fondo del tanque son eliminados por medio de transportadores de cadena o rastras, o bien, por puentes corredizos.

Sedimentador rectangular Las rastras mueven el lodo por un canal central, el cual conduce a una tolva localizada al final del canal.

Sedimentador rectangular La materia flotante, sólida y líquida que llamaremos nata, se colecta al final del tanque por medio de medias cañas móviles, o bien, por rascadores que se mueven sobre la superficie del líquido.

Sedimentador rectangular 1.- Llegada del agua bruta 2.- Cadena sin fin 3.-Salida de agua decantada 4.- Recolección de flotantes 5.- Evacuación de lodos

Sedimentador rectangular Para caudales muy pequeños se pueden utilizar sedimentadores sin mecanizar, en esos casos, la pendiente del piso es mucho mayor, de tal forma que los sólidos que lleguen al fondo puedan seguirse desplazando hasta llegar a la tolva.

Sedimentador rectangular

Sedimentador rectangular

Sedimentador circular Son usados como sedimentadores primarios o secundarios. En estos el flujo es radial.

Sedimentador circular 1. Influente 4. Salida de agua decantada 2. Puente de rastras 5. Evacuación de lodos 3. Zona de floculación

Sedimentador circular

Flotación de sólidos Los sólidos cuando tienen una densidad baja y son finos, pueden también ser separados como espuma o materia flotante. La forma más eficiente para hacer esto es por el proceso de flotación por aire disuelto (DAF).

Flotación de sólidos

Flotación de sólidos La flotación de sólidos es una operación unitaria en la cual un gran número de microburbujas de aire se adhieren a las partículas y las elevan hasta la superficie del agua.

Flotador por aire disuelto

Microcribas curveadas Hay de varios tipos, pueden ser curvadas, que pueden ser estáticas o vibratorias; o de tambor rotatorio Microcribas curveadas

Microcribas estáticas Se utilizan porque ahorran espacio y en algunas aplicaciones, tales como la remoción de picos de pollo y plumas en rastros avícolas son particularmente aptas Microcribas estáticas

3. TIPO DE CONTAMINANTES QUE REMUEVEN LOS SISTEMAS PRIMARIOS Y LAS EFICIENCIAS DE REMOCIÓN

Generalmente una planta de tratamiento presenta unidades de procesos instaladas en forma secuencial que van quitando de mayor a menor diámetro los sólidos presentes en el agua residual

Las rejillas del pretratamiento eliminarán sólidos voluminosos. El desarenador separa las partículas más densas y cuyo origen será de tipo inorgánico. Los sedimentadores, microcribas y flotadores por aire disuelto (DAF) removerán partículas de composición orgánica.

Eficiencia de remoción Un sistema primario convencional, que trata agua doméstica, removerá entre 50 y 65% de los sólidos suspendidos totales y cerca de 30% de la DBO5.

Eficiencia de remoción Un sistema primario avanzado puede alcanzar una remoción de la materia suspendida de 84.3% y 57% de la DBO5

Eficiencia de remoción Los sistemas flotación por aire disuelto alcanzan niveles de remoción de 90% y superiores. Se estima que su efluente puede tener entre 20 y 30 mg/L de sólidos suspendidos y los niveles de remoción de la DBO5 serán semejantes a los que alcanza un tratamiento primario avanzado.

Eficiencia de remoción Las microcribas pueden alcanzar eficiencias de remoción muy altas, siempre y cuando se haya elegido el tamaño y la abertura correcta.

4. TRATAMIENTO FISICOQUÍMICO

El tratamiento físicoquímico es un sistema en el cual se agregan sales metálicas y/o polímeros al agua residual cruda para provocar que las partículas en suspensión se desestabilicen, entren en contacto entre si y, de esta forma, aumenten su tamaño para que sean fácilmente removidas a través de sedimentadores o flotadores por aire disuelto.

La fracción filtrable son las partículas mayores que 1 La fracción filtrable son las partículas mayores que 1.2 µm y representan cerca del 50% de la materia en suspensión y 30% de la materia orgánica total. Sin embargo, el límite de la materia particulada que puede ser removida por sistemas fisicoquímicos es de 0.08 µm y abarca hasta el 75% de la materia orgánica (medida como DQO).

Remoción de DQO por diferentes métodos de tratamiento Tratamiento biológico Tratamiento biológico mecánico (físico) Tratamiento físico-químico DQO 25% 75% 0.0001 m 0.001 0.01 0.1m 1 0.01mm 0.1mm 1mm 10mm 65% 35%

De acuerdo con lo anterior, las partículas de menor diámetro que pueden ser removidas mediante un tratamiento fisicoquímico oscilan entre 0.08 y 0.1 µm y hasta el 75% de la materia orgánica.

La aplicación más frecuente del tratamiento físicoquímico es para: Aumentar la remoción de sólidos suspendidos y de DBOtotal en las instalaciones de sedimentación primaria o de flotación y sin la intervención de procesos biológicos. Acondicionar el agua residual que contiene desechos tóxicos o no biodegradables. Aumentar la eficiencia del sedimentador en los sistemas biológicos. Pretratar el agua con el fin de aumentar la eficiencia de los procesos subsecuentes. Disminuir el contenido de fósforo en el agua. Tratar aguas residuales en climas muy fríos. Acondicionar el agua residual para riego

Sistemas típicos Las configuraciones más comunes que se utilizan para aplicar el tratamiento físicoquímico de las aguas residuales son de tres tipos: Tratamiento primario avanzado (TPA) Tratamiento físicoquímico primario Tratamiento físicoquímico secundario

Variantes del tratamiento físicoquímico de las aguas residuales Coagulante Polímero Desarenador Sedimentador Floculador Efluente

En cualquiera de estas modalidades es necesario que exista un dispositivo que permita hacer la mezcla rápida del coagulante. Puede tratarse del canal Parshal, un desarenador aerado, un mezclador estático en línea o tanque de mezclado.

Tratamiento Primario Avanzado Es una adecuación que se hace a un sedimentador primario ya existente para aumentar la eficiencia del sistema. Una variante es la sustitución del sedimentador por un flotador por aire disuelto.

Tratamiento Físicoquímico Primario Tiene un tanque para floculación y un sedimentador o un flotador por aire disuelto. En plantas industriales es posible encontrar una variante conocida como unidad del contacto de sólidos.

Unidad de contacto de sólidos Agua residual cruda con coagulante Polímero floculación Efluente Mezcla Manto de lodos

Tratamiento Físicoquímico Secundario Cuenta con un sedimentador primario, una cámara de floculación y un sedimentador secundario.

Control de proceso Para que el proceso sea eficiente, es necesario controlar tanto la mezcla rápida como la mezcla lenta.

Control de proceso Estas variables se deben combinar para dar un resultado óptimo, formar un flóculo de buen tamaño, capaz de sedimentar, que minimice el consumo de reactivos y maximice la remoción de materia particulada.

Control de proceso Es importante tomar en cuenta el pH. Las sales metálicas utilizadas para la destabilización de las partículas actúa de forma eficiente en ciertos rangos de pH. Por ello hay que vigilar y controlar el pH del influente.

Control de proceso La forma más eficaz de controlar el proceso es a través de las pruebas de jarras. Es una simulación del proceso hecha en vasos de precipitados de 1 a 2 L, en los cuales se observa a que pH reponde mejor y en que condiciones de mezcla se obtiene los mejores resultados.

Producción de lodos Con el tratamiento primario avanzado hay mayor producción de lodo primario que por el tratamiento primario convencional. Esto se debe a la remoción de mayor cantidad de materia en suspensión y por los reactivos necesarios para llevar a cabo el tratamiento.

Ciudad Juárez, Chihuahua Las plantas de tratamiento de aguas residuales de Ciudad Juárez, Chih., son del tipo fisicoquímico primario. Los equipos de tratamiento son de una patente conocida como Densadeg que utiliza el contacto de sólidos y la sedimentación tipo lamelar (placas paralelas).

Unidad de contacto de sólidos Densadeg

Ciudad Juárez, Chihuahua El caudal que tratan es de 1 y 2.5 m3/s, utilizan sulfato de aluminio como coagulante y un polímero catiónico de alto peso molecular. Con este proceso logran efluentes con DBO menores a 150 mg/L y SST menores a 80 mg/L. Las eficiencias de remoción son de 70% de sólidos suspendidos totales y 40% de demanda bioquímica de oxígeno.

Aguas Blancas, Acapaulco, Gro La Planta de Tratamiento de Aguas Blancas es un sistema de tratamiento primario avanzado. Los reactivos que utiliza para el tratamiento son: sulfato de aluminio y un polímero aniónico.

Aguas Blancas, Acapaulco, Gro La planta incluye los siguientes elementos: Rejillas automáticas Desarenadores y lavador de gases Cárcamo de bombeo de aguas crudas Tanques de dosificación de sulfato de aluminio Módulos de coagulación-floculación (mezcla rápida y mezcla lenta). Clarificadores Tanque de contacto de cloro

Aguas Blancas, Acapaulco, Gro. Una vez que el agua pasa por las rejillas y los desarenadores entra en los módulos de coagulación floculación. En un tanque de mezcla rápida se añade el sulfato de aluminio y posteriormente se agrega el polímero aniónico. El agua entra en el floculador para continuar con la formación de flóculos.

Aguas Blancas, Acapaulco, Gro. El siguiente paso es la separación en el clarificador del agua y los sólidos formados. Por último, el agua se desinfecta en el tanque de contacto de cloro. El efluente se descarga a través de un emisor en la Playa Olvidada.

Aguas Blancas, Acapaulco, Gro. La planta cuenta con un sistema de estabilización de lodos con cal, y con un tren de tratamiento de gases para controlar los olores.

Aguas Blancas, Acapaulco, Gro La tabla muestra la eficiencia de remoción de contaminantes y los valores promedio que alcanza la planta de Aguas Blancas. Cabe señalar que cumple con los valores marcados por la NOM-ECOL-001-1996.

IRRIGACIÓN U OTROS USOS TRATAMIENTO PRIMARIO BOMBEO INFLUENTE DESINFECCIÓN ULTRAVIOLETA TRATAMIENTO SECUNDARIO FILTRACIÓN CLORACIÓN SISTEMA DE COLECCIÓN DE AGUA RESIDUAL IRRIGACIÓN U OTROS USOS RECARGA DE ACUÍFEROS

REGRESAR

REGRESAR

REGRESAR

REGRESAR

REGRESAR

REGRESAR

REGRESAR

CANALES DESARENADORES CON VERTEDORES PROPORCIONALES SUTRO

REGRESAR

REGRESAR

REGRESAR

Flotación de sólidos