TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

1. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES M. En C. Carlos A. Poot Delgado. Magda Carolina Correal S.

2. Contenido • Características de las aguas residuales • Fuentes • Características físicas • Características Químicas • Características Biológicas • Composición de las aguas residuales

3. Contenido • Prevención de la contaminación : Disminución de consumo y reducción de aguas residuales • Métodos de tratamiento • Parámetros de diseño de sistemas de tratamiento • Clasificación de los métodos • Niveles de tratamiento • Aplicación de las operaciones y procesos unitarios • Elementos de diseño

4. 1. Características de las Aguas Residuales

5. Fuentes de las aguas residuales • Agua residual doméstica: • Zonas residenciales • Zonas comerciales • Zonas institucionales • Centros recreativos • Agua residual no doméstica • Industrias • Infiltraciones y conexiones erradas

6. Características Físicas Sólidos totales (T°=105°C) Temperatura (T° 550°C) Filtración (0.45 micras) Fijos inorgánico Suspendidos retenido Disueltos filtrado Volátiles orgánico

7. Ejercicio Los siguientes resultados de laboratorio fueron obtenidos para una muestra de agua residual. Los ensayos se realizaron para una muestra de 50 ml. Determine: Concentración de Sólidos totales, Sólidos totales volátiles, Sólidos suspendidos, Sólidos suspendidos volátiles Tara de la cápsula de porcelana = 53.5433 gr Masa de la cápsula + residuo, luego de evaporación a 105°C = 53.5793 gr. Masa de la cápsula + residuo, luego de calcinación a 550°C = 53.5772 gr. Tara del filtro = 1.5433 gr Residuo en el filtro, luego de secado a 105°C = 1.5553 gr Residuo en el filtro, luego de calcinación a 550°C = 1.5531 gr

8. Características Físicas • Color • Causado por sólidos suspendidos (aparente), material coloidal y sustancias en solución (verdadero). • Fuentes de color: infiltración, aportes por conexiones erradas, descargas industriales, y descomposición de compuestos orgánicos. • Café claro, gris claro, gris oscuro o negro.

9. Características Físicas • Olor: • Agua residual fresca: olor inofensivo • Generadores de olores: indol, eskatol, mercaptanos, sulfuro de hidrógeno. • Métodos de medición: métodos sensoriales e instrumentales.

10. Principales compuestos olorosos

11. Características Físicas • Temperatura: • Regiones cálidas: 13°C - 30°C • Regiones frías: 7°C - 18°C • Afecta las reacciones químicas, velocidades de reacción, uso del agua, vida acuática. • T° óptima vida bacteriana: 25°C - 35°C • Detención de procesos aeróbicos y de nitrificación: 50°C • Detención producción de metano: 15°C • Detención procesos nitrificantes: 5°C

12. Características Físicas • Conductividad • Capacidad de una solución para conducir la corriente eléctrica. • Indicador de la concentración de sólidos disueltos totales

13. Características Químicas • Constituyentes orgánicos • Proteínas • Grasas y aceites • Carbohidratos • Constituyentes inorgánicos • Elementos individuales (Ca, Cl, Fe, Cr, Zn, etc.) • Compuestos (NO3, SO4)

14. Características Químicas • pH: • Intervalo existencia vida biológica: 5 - 9 • Parámetros importante para el tratamiento • Medición: pH metro

15. Características Químicas • Nitrógeno: • Nutriente esencial - eutrofización • En aguas residuales: nitrógeno amoniacal, nitritos, nitratos y nitrógeno orgánico. • Nitrógeno amoniacal: • Ion amonio: pH<9.3 • Amoniaco: pH>9.3 • Medición: métodos colorimétricos, titulación, electrodos

16. Características Químicas • Fósforo: • Nutriente esencial • Aguas residuales domésticas pueden tener entre 4 - 12 mg/L como P. • Formas comunes: ortofosfatos, polifosfatos (sufren hidrólisis en soluciones acuosas y se convierten en ortofosfatos) y fósforo orgánico (en aguas industriales).

17. Características Químicas • Alcalinidad: • Neutralizar ácidos • Presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos • En sistemas anaerobios o de nitrificación amortigua ácidos

18. Características Químicas • Otros constituyentes inorgánicos: • Azufre: • Ion sulfato en aguas de abastecimiento y residuales • Sulfatos se reducen biológicamente a sulfuros • Metales • Todos los organismos los requieren. • Medición: absorción atómica, plasma acoplado por inducción o colorimetría. • Clases de metales: disueltos, suspendidos, totales, extractables en ácido (en solución, ácido mineral en caliente).

19. Características Químicas • Constituyentes orgánicos agregados: • Materia orgánica en las AR: proteínas (40 - 60%), carbohidratos (25 - 50%) y grasas y aceites (8 - 12%). Urea (mayor constituyente de la orina) • Análisis: caracterizar AR, eficiencias STAR, comportamiento fuentes receptores. • Métodos: DBO5, DQO, COT.

20. Características Químicas • Demanda Bioquímica de Oxígeno: • Si hay suficiente oxígeno disponible, la descomposición del desecho continua hasta que se ha consumido. • Tres actividades ocurren: • Oxidación: desecho oxidación a productos finales, generan energía. • Síntesis: desecho a tejido celular usando la energía liberada • Respiración endógena: cuando se acaba la MO, las nuevas celular consumen su propio tejido celular para obtener energía.

21. Demanda Bioquímica de Oxígeno • Desechos orgánicos : COHNS • Tejido celular: C5H7NO2. • Reacciones químicas: • Oxidación COHNS + O2 + bacterias  CO2 + H2O + NH3 + energía • Síntesis COHNS + O2 + bacterias + energía  C5H7NO2 • Respiración endógena C5H7NO2 + 5O2  5CO2 + 2H2O + NH3

22. Demanda Bioquímica de Oxígeno • Oxidación Carbono orgánico: DBOúltima • Prueba estándar: • Botella de DBO (300 ml) • Agua saturada con oxígeno y nutrientes • Medir [O2] inicial (D1), incubar a 20°C por 5 días y medir [O2] final (D2). DBO (mg/L) = (D1 - D2) / P P es la fracción de agua residual contenida en la muestra

23. Ejercicio (10’) La siguiente es la información de un ensayo de DBO a 5 días para una muestra de agua residual. Un volumen de 15 ml de agua residual se agregó en una botella de incubación de 300 ml. El OD inicial de la muestra diluida fue de 8.8mg/L y el OD final, después de 5 días de incubación fue de 1.9 mg/L. Cuál es la DBO5 de la muestra? Cuáles cree que son las limitaciones del ensayo?

24. Demanda Bioquímica de Oxígeno • Limitaciones: periódo de 5 días, consumo de oxígeno. • Demanda adicional de oxígeno para oxidación del amonio a nitrato (Demanda Nitrogenada de Oxígeno). Las reacciones del proceso de nitrificación son: • Conversión de amonio a nitrito (Nitrosomonas) • Conversión de nitrito a nitrato (Nitrobacterias) Esta demanda ocurre 5 a 8 días después de iniciada la prueba de DBO. Ojo si hay muchos nitrificantes.

25. Demanda Química de Oxígeno • Medir material orgánico de las AR, susceptible de ser oxidado químicamente. • Se oxidan sustancias orgánicas difíciles de oxidar biológicamente (lignina) • Hay sustancias inorgánicas que se oxidan • Algunas sustancias pueden ser tóxicas para los microorganismos. • Se realiza en 3 horas.

26. DBO5 / DQO • DBO5/DQO entre 0.3 y 0.8 = ARD. • DBO5/DQO > 0.5, tratamiento biológico • DBO5/DQO < 0.3 constituyentes tóxicos y/o aclimatación.

27. Características Químicas • Grasas y aceites • Liquidos a T° ambiente: aceites • Sólidos a T° ambiente: grasas • Esteres compuestos de ácidos grasos, alcohol y glicerol.

28. Características Químicas • Tensoactivos: • “Agentes de actividad superficial” • Moléculas orgánicas grandes compuestas de un grupo hidrofílico y uno hidrofóbico. • En AR provienen de descargas de detergentes, lavanderías industriales, etc. • Causan aparición de espumas • Medición: cambio de color de una muestra estándar de azul de metileno. • SAAM - Sustancias Activas al Azul de Metileno

29. Características Biológicas • Importancia: enfermedades, descomposición y estabilización. • Microorganismos presentes en Aguas superficiales y subterráneas: • Bacterias, hongos, algas, protozoos, plantas y animales vivos, virus. • Clasificación: eucariotas, eubacterias y arqueobacterias. • Eucariotas : núcleo recubierto, varias moléc. de ADN. Procariotas (bacterias y arqueobacterias).

30. Características Biológicas • Fuente de carbono: heterótrofos (requieren carbono orgánico) y autótrofos (carbono celular se deriva del CO2). • Requerimientos de oxígeno: aerobios obligados, anaerobios facultativos, anaerobios aerotolerantes y anaerobios obligados. • Requerimientos ambientales: • por T°: psicrofílicas (-10 - 20°C), mesofílicas (10 - 50°C), termofílicas (40 - 70°C) e hipertermofílicas (70 - 95°C) • pH óptimo para crecimiento bacterial: 6.5 - 7.5

31. Características Biológicas • Uso de microorganismos indicadores: • Se emplean los organismos coliformes (fácil identificación y presencia abundante). • Siempre presentes en el tracto intestinal; c/persona evacua entre 100.000 - 400.000 millones de bacteria coliformes por día. • Indicador de posible presencia de organismos patógenos. • No son efectivos para indicar presencia de virus y protozoos. • Se está analizando el uso de bacteriófagos como indicador de virus entéricos (virus que pueden infectar células procariótas).

32. Características Biológicas • Microorganismos patógenos: Bacterias, parásitos (protozoos y helmintos) y virus • Métodos de conteo: conteo directo, cultivo de placa, filtro de membrana, fermentación en tubos múltiples.

33. 2. Composición de las Aguas Residuales

34. Composición de las AR • Valores comunes de la cantidad total de contaminantes por habitante (Tabla 4.11 y 4.14). • Valores comunes de ARD (RAS Res 1096/00) Parámetro Intervalo DBO5 (gr/hab-día) 25 - 80 SST (gr/hab-día) 30 – 100 Nitrógeno total Kjeldahl (gr/hab-día) 9.3 – 13.7 Coliformes totales (#/hab-día) 2X108 – 2X1011

35. Variaciones • Variaciones: • en la concentración • en el caudal • en la carga másica: Concentración media integrada: proporcional al caudal, se obtiene de la sumatoria del producto de los valores de caudal y concentración del constituyente de interés (para muestras horarias de 24 horas), dividida por la sumatoria del caudal. • Calcular la concentración media integrada y la concentración media aritmética y comparar los resultados. Ejercicio (10’)

36. Normas de vertimiento Decreto 1594 de 1984 U. Existente U. Nuevo • pH 5 - 9 unidades • Temperatura < 40°C • Grasas y aceites >80% >80% • SST >50% >80% • DBO domést >30% >80% • DBO indust >20% >80%

37. Normas de vertimiento Decreto 1594 de 1984 • Arsénico 0.5 mg/L • Bario 5.0 mg/L • Cadmio 0.1 mg/L • Cromo 0.5 mg/L • Mercurio 0.02 mg/L • Plomo 0.5 mg/L • Cianuro 1.0 mg/L

38. 3. Prevención de la contaminación

39. Prevención de la Contaminación • Objetivo: • Reducir el uso de agua potable • Minimizar la generación de aguas residuales • Programa P2 recomendado: • Reducción en el flujo de agua y aguas residuales • Reciclado • Recuperación de subproductos • Reuso

40. Beneficios vs. Restricciones

41. Planeación del Programa P2 • Paso 1: Evaluación de toda la planta: (cómo se usa el agua, generación de AR) • Incluye revisión registros históricos, muestreos y análisis de laboratorio, identificación de fuentes de suministro y descargas). • Paso 2: Areas potenciales para conservar, reciclar y reutilizar el agua: • Incluir aguas de uso sanitario, proceso productivo, otros

42. Planeación del Programa P2 • Factores a tener en cuenta: • Identificar posibles fuentes • Determinar los requisitos de calidad para el agua. • Comparar los requisitos de calidad del agua con los valores actuales o que podrían obtenerse mediante algún tipo de tratamiento. • Estimar los flujos de aguas residuales producidas y requeridas y volúmenes a ser almacenados. • Analizar las objeciones de los usuarios en relación con el uso de agua reciclada. • Realizar estimaciones de costos actuales del agua y del agua residual tratada y costos previstos.

43. Planeación del Programa P2 • Paso 3: Definir las metas de reducción de agua de suministro y agua residual. • Metas: específicas, cuantificables, asignables, realistas y tiempo necesario para alcanzarlas. • Ejm: reducir el consumo de agua en (área) en (%) para (fecha) • Paso 4: Poner en marcha el programa (ojo flexible, monitoreo)

44. Técnicas para reducir las AR dentro de la planta • Objetivo: minimización de uso de agua. • Areas relacionadas: • Capacitación de personal • Modificación y/o cambios operacionales en proceso productivo. • Minimización de uso de agua en servicios sanitarios, mediantes dispositivos para restringir el flujo y dispositivos de cierre automático.

45. Capacitación de personal • Promover la concientización del personal respecto a la necesidad de reducir el consumo • Establecer metas cuantificables para dicha reducción. • Capacitar al personal en las diversas técnicas de reducción del agua residual y métodos de minimización. • Vigilar el avance del programa (gráficos mensuales de consumo) y reajustar los objetivos del programa si se observa necesario

46. En el proceso productivo • Modificaciones en el proceso: • Cambios en el equipo, por ejemplo: • Usar enjuagues de rocío a alta presión en lugar de tanques de inmersión. • Sistemas de enfriamiento con aire en lugar de agua. • Reemplazar la torre de enfriamiento por sistema de enfriamiento a base de refrigerante. • Ponderar costo vs beneficio.

47. En el proceso productivo • Cambios en las operaciones: • Mejorar operaciones de limpieza del equipo: • Dispositivos mecánicos de limpieza, limpieza en seco, cortina de aire, enjuague a contracorriente. • Maximizar la vida efectiva del agua de producción: • enjuague a contracorriente, medición de conductividad. • Optimización del consumo: • Evitar sellos defectuosos en tubos y equipos, equipos de control automático, reductores de flujo, cubiertas, control de nivel del agua.

48. En servicios sanitarios • Uso de dispositivos y sistemas para reducir el consumo (Tabla No.36-4) • Fuentes de generación de aguas residuales: lavadoras, bebederos, duchas, grifos, inodoros.

49. Técnicas para reciclar AR no tratada • Reciclado de aguas residuales industriales • Depende de los requisitos del proceso que recibe las aguas. • Tabla 36-5 • Purga de torres de enfriamiento para lavado. • Agua de enfriamiento de 1 uso (sin contacto) para intercambiador de calor y almacenamiento para enfriamiento sin contacto. • Reciclado de aguas de uso sanitario: • Agua residual “gris” (agua de lavado de duchas, lavadoras de ropa o vajillas) para inodoros o riego.

50. Recuperación de Subproductos • Objeto: regular la descarga de contaminantes • Criterios de selección: • Comparar el valor del subproducto recuperado con el costo derivado de su disposición y de la materia prima equivalente. • Tecnología de recuperación disponible y apropiada. • Demanda del producto garantizada. • Producción mínima garantizada • Efecto sobre la línea de producción • Tabla 36-6