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Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniera
Escuela de Ingeniera Civil
ANLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIN UTILIZADOS EN PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Y REALIZACIN DE CASO PRCTICO
Gerson Jonatan Ramrez Bach Asesorado por el Ing. Francisco Javier Quionez de la Cruz
Guatemala, octubre de 2010
-
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERA
ANLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIN UTILIZADOS EN PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Y REALIZACIN DE CASO PRCTICO
TRABAJO DE GRADUACIN
PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA FACULTAD DE INGENIERA
POR
GERSON JONATAN RAMREZ BACH ASESORADO POR EL ING. FRANCISCO JAVIER QUIONEZ DE LA CRUZ
AL CONFERRSELE EL TTULO DE
INGENIERO CIVIL
GUATEMALA, OCTUBRE DE 2010
-
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA
NMINA DE JUNTA DIRECTIVA
DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
VOCAL I Inga. Glenda Patricia Garca Soria
VOCAL II Inga. Alba Maritza Guerrero Spnola de Lpez
VOCAL III Ing. Miguel ngel Dvila Caldern
VOCAL IV Br. Luis Pedro Ortiz de Len
VOCAL V Br. Jos Alfredo Ortiz Herincx
SECRETARIO Ing. Hugo Humberto Rivera Prez
TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO
DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
EXAMINADOR Ing. Hugo Leonel Montenegro Franco
EXAMINADOR Ing. Luis Manuel Sandoval Mendoza
EXAMINADOR Ing. Walter Salazar Gonzlez
SECRETARIA Inga. Marcia Ivonne Vliz Vargas
-
ACTO QUE DEDICO A:
DIOS
MIS PADRES
MIS HERMANOS
MIS TOS Y TAS
MIS PRIMOS Y PRIMAS
Por haber estado conmigo durante
todo el transcurso de mi carrera y
por haberme ayudado a alcanzar
esta meta dndome vida, fuerza y
sabidura.
Por su apoyo espiritual, moral y
econmico:
Oswaldo E. Ramrez De Len y
Lidia Micaela Bach de Ramrez
Oswaldo Abimael Ramrez Bach
Jacob Isaac Ramrez Bach
En especial, a Samuel Abraham
Bach Carrillo
En especial, a Brenda Mrquez
-
AGRADECIMIENTOS A:
Dios.
Mis Padres y mis hermanos.
Familiares, amigos y compaeros de estudio.
Ing. Francisco Javier Quionez, Inga. Soraya Martnez, Inga. Helen Ramrez,
Ing. Vctor Del Cid.
La Facultad de Ingeniera de la gloriosa y tricentenaria Universidad de San
Carlos de Guatemala
La Escuela de Ingeniera Civil
Ingenieros Docentes
-
I
NDICE GENERAL
NDICE DE ILUSTRACIONES VII GLOSARIO XI RESUMEN XVII OBJETIVOS XIX INTRODUCCIN XXI 1. ALTERNATIVAS EXISTENTES PARA EL TRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES 1
1.1 Descripcin de los sistemas de tratamiento de aguas
residuales 1
1.1.1 Aspectos generales 1
1.1.2 Obras de llegada 1
1.1.3 Tratamientos preliminares 3
1.1.3.1 Cribas 3
1.1.3.2 Desengrasadores 5
1.1.3.3 Desarenadores 6
1.1.3.4 Medidor y repartidor de caudal 6
1.1.4 Tratamiento primario 8
1.1.4.1 Tanques imhoff 8
1.1.4.2 Tanques de sedimentacin 10
1.1.4.3 Tanques de flotacin 12
1.1.5 Tratamiento secundario 13
1.1.5.1 Lagunas de estabilizacin 13
1.1.5.1.1 Lagunas aerbicas 13
-
II
1.1.5.1.2 Lagunas aeradas 13
1.1.5.1.3 Lagunas facultativas 14
1.1.5.2 Proceso de lodos activados 15
1.1.5.2.1 Zanjas de oxidacin 16
1.1.5.3 Filtros percoladores 17
1.1.5.4 Mdulos rotatorios de contacto 18
1.1.6 Otros tipos de tratamiento 20
1.1.6.1 Tratamientos con plantas acuticas 20
1.1.7 Tratamiento de lodos 21
1.1.7.1 Digestin anaerbica 21
1.1.7.2 Lagunas de lodos 22
1.1.7.3 Aplicacin de lodos sobre el terreno 24
1.1.7.4 Remocin de lodos de lagunas de
estabilizacin 24
1.1.7.5 Lechos de secado 25
2. NORMAS DE DISEO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES EN GUATEMALA 27
2.1 Normas para el diseo de sistemas de tratamiento de aguas
residuales 27
2.1.1 Objeto 27
2.1.2 Alcance 27
2.1.3 Disposiciones especficas para diseos definitivos 28
2.1.3.1 Aspectos generales 28
2.1.3.2 Obras de llegada 30
2.1.3.3 Tratamientos preliminares 30
2.1.3.3.1 Cribas 31
2.1.3.3.2 Desengrasadores 32
-
III
2.1.3.3.3 Desarenadores 33
2.1.3.3.4 Medidor y repartidor de caudal 34
2.1.3.4 Tratamiento primario 35
2.1.3.4.1 Generalidades 35
2.1.3.4.2 Tanques imhoff 35
2.1.3.4.3 Tanques de sedimentacin 37
2.1.3.4.4 Tanques de flotacin 40
2.1.3.5 Tratamiento secundario 41
2.1.3.5.1 Lagunas de estabilizacin 41
2.1.3.5.1.1 Lagunas anaerbicas 41
2.1.3.5.1.2 Lagunas aeradas 42
2.1.3.5.1.3 Lagunas facultativas 44
2.1.3.5.2 Procesos de lodos activados 47
2.1.3.5.2.1 Aspectos generales 47
2.1.3.5.2.2 Sedimentador secundario 51
2.1.3.5.2.3 Zanjas de oxidacin 53
2.1.3.5.3 Filtros percoladores 55
2.1.3.5.4 Mdulos rotatorios de contacto 57
2.1.3.6 Otros tipos de tratamiento 58
2.1.3.6.1 Tratamientos con plantas acuticas 58
2.1.3.7 Tratamiento de lodos 59
2.1.3.7.1 Generalidades 59
2.1.3.7.2 Digestin anaerbica 60
2.1.3.7.3 Lagunas de lodos 63
2.1.3.7.4 Aplicacin de lodos sobre el terreno 64
2.1.3.7.5 Remocin de lodos de lagunas de
estabilizacin 65
2.1.3.7.6 Lechos de secado 65
-
IV
3. EVALUACIN VISUAL DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIN EMPLEADOS EN DIFERENTES PLANTAS DE TRATAMIENTO EN GUATEMALA 69
3.1 Descripcin de las visitas 69
3.1.1 Generalidades 69
3.1.1.1 Planta piloto de tratamiento de aguas
residuales Aurora II 70
3.1.1.1.1 Materiales de construccin
encontrados 73
3.1.1.1.2 Resultados de la inspeccin 75
3.1.1.2 Planta tratamiento de aguas residuales
USAC 75
3.1.1.2.1 Materiales de construccin
encontrados 78
3.1.1.2.2 Resultados de la inspeccin 80
3.1.1.3 Planta de tratamiento de aguas residuales
domsticas de tanques Imhoff, colonia El
Tesoro 81
3.1.1.3.1 Materiales de construccin
encontrados 84
3.1.1.3.2 Resultados de la inspeccin 86
4. DISEO DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CON PLANTAS ACUTICAS 87
4.1 Antecedentes 87
4.1.1 Caractersticas de sistemas de tratamiento
Acuticos 88
-
V
4.1.2 Historia 89
4.1.3 Restricciones climticas 91
4.1.4 Poder de depuracin de las plantas acuticas 91
4.1.5 Esquema de funcionamiento 92
4.1.6 Generacin de empleo sostenible 93
4.1.7 Ambiente sustentable 93
4.1.8 Educacin ambiental 94
4.1.9 Usos frecuentes 94
4.2 Vegetacin 94
4.2.1 Plantas flotantes 95
4.2.1.1 Jacinto de agua 96
4.2.1.2 Comalillo 100
4.2.1.3 Lenteja de agua 101
4.2.2 Plantas sumergidas 103
4.3 Criterios de diseo para sistemas de jacinto de agua 104
4.3.1 Tasas de carga orgnica 107
4.3.2 Tasa de carga hidrulica 108
4.3.3 Profundidad del agua 108
4.3.4 Manejo de la vegetacin 109
4.3.5 Mosquitos y control de los mismos 111
4.3.6 Parmetros de diseo sugeridos 112
4.3.7 Manejo de lodos 113
4.4 Caractersticas fsicas de los sistemas de tratamiento
acutico 114
4.4.1 Configuraciones del sistema 114
4.4.2 Estructuras de entrada y salida 116
4.4.3 Aeracin suplementaria 117
4.4.4 Operacin y mantenimiento de la aeracin 120
4.5 Expectativas de funcionamiento 120
-
VI
4.5.1 Ecuaciones de diseo 120
4.5.1.1 Remocin de DBO5 123
4.5.1.2 Efecto de la temperatura 124
4.5.2 Remocin de nitrgeno 124
4.5.3 Remocin de fsforo 125
4.6 Ejemplos de diseo 126
5. CASO PRCTICO: CONSTRUCCIN DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CON PLANTAS ACUTICAS 137
5.1 Descripcin del sistema por construir 137
5.2 Diseo del sistema 137
5.3 Elaboracin del presupuesto del proyecto 141
5.4 Formulacin del proyecto 143
5.4.1 Aspectos de mercado 143
5.4.2 Aspectos tcnicos 143
5.4.3 Aspectos administrativos y legales 143
5.4.4 Aspectos de impacto ambiental 144
5.4.5 Aspectos financieros 145
5.4.6 Cronograma de ejecucin 146
5.5 Metodologa empleada en la construccin del sistema
construido 147
5.6 Evaluacin del funcionamiento del sistema construido 150
CONCLUSIONES 159 RECOMENDACIONES 161 BIBLIOGRAFA 163
-
VII
NDICE DE ILUSTRACIONES
FIGURAS
1 Cajn de llegada, bypass, compuerta de admisin 2
2 Criba con abertura rectangular 3
3 Canal de transicin hacia las cribas 4
4 Esquema, desengrasador por gravedad 5
5 Deflectores de caudal desarenadores 6
6 Canal Parshall 7
7 Canal Palmer Bowlus 7
8 Vertedero de seccin trapezoidal 8
9 Tanque Imhoff 9
10 Lecho de secado 10
11 Tanque de sedimentacin rectangular 11
12 Tanque de sedimentacin circular 11
13 Sistema de flotacin por aire disuelto 12
14 Componentes de un sistema bsico de lodos activados 15
15 Sistema tpico de lodos activados con zanjas de oxidacin 17
16 Filtro biolgico 18
17 Contactor biolgico rotativo 19
18 Estanque de depuracin de plantas acuticas 20
19 Digestores de alta y baja carga 22
20 Esquema de funcionamiento, planta piloto Aurora II 71
21 Fotografas de elementos principales de la planta piloto de
tratamiento de aguas residuales Aurora II 72
22 Esquema de funcionamiento, planta de tratamiento de aguas
residuales USAC 76
-
VIII
23 Fotografas de elementos de la planta de tratamiento de aguas
residuales USAC 77
24 Esquema de funcionamiento, planta de tratamiento de aguas
residuales domsticas de tanques Imhoff de la colonia El
Tesoro zona 2 de Mixco 82
25 Fotografas de elementos de la planta de tratamiento de aguas
residuales domsticas de tanques Imhoff de la colonia El
Tesoro zona 2 de Mixco 83
26 Esquema de funcionamiento 92
27 Morfologa del jacinto de agua 96
28 Lugares de vulnerabilidad en Guatemala para el crecimiento de
jacinto agua en pocas heladas 99
29 Evolucin de los patrones de flujo en la planta de San Diego
California, Estados Unidos, estanques de tratamiento de jacinto
de agua 115
30 Tubo mltiple para distribucin o evacuacin de flujo 116
31 Evolucin del flujo del estanque 3 y configuraciones del sistema de
aeracin en la planta de San Diego California, Estados Unidos 118
32 Esquema para el modelado de un estanque de jacintos con
step feed y reciclaje 121
33 Organigrama del proyecto 144
34 Toma de muestra de aguas residuales de origen domstico 147
35 Anlisis fsico qumico de aguas residuales de origen domstico
y/o desechos industriales 148
36 Construccin de estanque (1/2) 149
37 Construccin de estanque (2/2) 150
38 Estanque antes de llenarse completamente (Parte posterior) 151
39 Estado saludable de las plantas de jacinto 151
40 Divisorio entre tubera de entrada y plantas flotantes 152
-
IX
41 Estanque con poblacin de jacintos de agua adultos 153
42 Visibilidad de un objeto sumergido en la parte posterior del
estanque 153
43 Aparicin de dos especies de hojas en el sistema 154
44 Toma de la segunda muestra de aguas residuales 154
45 Segundo anlisis fsico qumico de aguas residuales de origen
domstico y/o desechos industriales 156
TABLAS
I. Material cribado segn la abertura de la criba 32
II. Recomendaciones para dimensionamiento de tanques imhoff 37
III. Criterios para eficiencias de remocin en tanques de
sedimentacin 39
IV. Datos para el clculo del volumen de lodos primarios 39
V. Gua para el diseo de lagunas facultativas 45
VI. Parmetros para comprobacin y dimensionamiento de
tanques de aeracin 48
VII. Parmetros adicionales a considerar en tanques de aeracin 49
VIII. Densidades de energa en funcin de la relacin p/a del tanque 50
IX. Parmetros de diseo para filtros percoladores 55
X. Tiempo de retencin de slidos segn temperatura en el caso
de que haya recuperacin de gas 61
XI. Tiempo de retencin de slidos segn temperatura en el caso
de que no haya recuperacin de gas 63
XII. Recomendaciones para comprobacin de requisitos de rea 67
-
X
XIII. Caractersticas fsicas y mecnicas de los materiales de la planta
piloto Aurora II 73
XIV. Ventajas y desventajas en el uso de los materiales de la planta
piloto Aurora II 74
XV. Caractersticas fsicas y mecnicas de los materiales de la planta
de tratamiento de aguas residuales USAC 78
XVI. Ventajas y desventajas en el uso de los materiales de la planta de
tratamiento de aguas residuales USAC 79
XVII. Caractersticas fsicas y mecnicas de los materiales de la planta
de tratamiento de aguas residuales domesticas de tanques Imhoff
de la colonia El Tesoro 84
XVIII. Ventajas y desventajas en el uso de los materiales de la planta
de tratamiento de aguas residuales domesticas de tanques Imhoff
de la colonia El Tesoro 85
XIX. Historia del uso de sistemas de tratamiento acutico (Planta
utilizada: jacinto de agua, excepto las remarcadas) 90
XX. Rendimiento de sistemas de lenteja de agua existentes en
Estados Unidos 102
XXI. Composicin de la planta lenteja de agua 103
XXII. Tipos de sistemas de jacinto de agua 106
XXIII. Criterios de diseo para sistemas de jacinto de agua 107
XXIV. Criterios de diseo para limpieza de efluentes con sistemas de
tratamiento de lenteja de agua 112
XXV. Frecuencia recomendada para limpieza de lodos en estanques
de jacinto de agua 113
XXVI. Criterios de diseo para estanques de jacinto modificados 122
XXVII. Remocin de nitrgeno Tratamiento terciario, jacinto de agua 125
XXVIII. Presupuesto de proyecto 142
XXIX. Cronograma de ejecucin del proyecto 146
-
XI
GLOSARIO
AERACIN AERACIN MECNICA AFLUENTE BY-PASS
Proceso de transferencia de masa,
generalmente referido a la
transferencia de oxgeno del aire al
agua por medios naturales (flujo
natural, cascadas, etc.) o artificiales
(agitacin mecnica o difusin de aire
comprimido).
(1) La mezcla del contenido lquido de
un tanque de aeracin, laguna aerada
o digestor aerbico, para producir un
contacto de la superficie del agua con
la atmsfera. (2) La introduccin de
oxgeno del aire en un lquido por
accin de un agitador mecnico.
Agua, agua residual u otro lquido que
ingrese a un reservorio, planta de
tratamiento o proceso de tratamiento.
Conducto usado para desviar el agua
residual de un proceso o planta de
tratamiento en condiciones de
emergencia o de mantenimiento
correctivo.
-
XII
CRITERIOS DE DISEO
DEMANDA BIOQUMICA DE OXGENO (DBO)
DEMANDA QUMICA DE OXGENO (DQO)
DEPURACIN DE AGUAS RESIDUALES
(1) Normas o guas de ingeniera que
especifican objetivos, resultados o
lmites que deben cumplirse en el
diseo de un proceso, estructura o
componente de un sistema. (2) Guas
que especifican detalles de
construccin y materiales.
Cantidad de oxgeno usado en la
estabilizacin de la materia orgnica
bajo condiciones de tiempo y
temperatura especificadas
(generalmente 5 das y 20 C).
Medida de la cantidad de oxgeno
requerido para oxidacin qumica de la
materia orgnica (carboncea) del
agua residual, usando como oxidantes
sales inorgnicas de permanganato o
dicromato en una prueba que dura dos
horas.
Trmino usado para significar la
purificacin o remocin de substancias
objetables de las aguas residuales,
como por ejemplo DBO, DQO,
bacterias, materiales txicos, etc. Se
aplica al tratamiento de lquidos.
-
XIII
DUREZA EFLUENTE IMPACTO AMBIENTAL MANEJO DE AGUAS RESIDUALES OXGENO DISUELTO
PLANTA DE TRATAMIENTO
Energa que una muestra puede
absorber antes de romperse.
Lquido que sale de un proceso de
tratamiento.
Cambio o consecuencia al ambiente
que resulta de una accin especfica o
proyecto.
Conjunto de obras de recoleccin,
tratamiento y disposicin y acciones de
operacin, monitoreo, control y
vigilancia en relacin con aguas
residuales.
Concentracin de oxgeno disuelto
medida en un lquido, por debajo de la
saturacin, normalmente expresada en
mg/l.
Conjunto de obras, facilidades y
procesos en una planta de tratamiento
de aguas residuales.
-
XIV
PLANTA PILOTO SSVTA
TRATAMIENTO BIOLGICO TRATAMIENTO PRELIMINAR
En aguas residuales, planta de
tratamiento a escala de laboratorio o
tcnica, que sirve para el estudio de la
tratabilidad biolgica de un desecho
lquido o sea para la determinacin de
las constantes cinticas y parmetros
de diseo del proceso.
Slidos en suspensin voltiles en el
tanque de aeracin.
Procesos de tratamiento en los cuales
se intensifica la accin de los
microorganismos para estabilizar la
materia orgnica presente.
(1) Acondicionamiento de un desecho
antes de ser descargado en el sistema
de alcantarillado. (2) Procesos de
tratamiento localizados antes del
tratamiento primario (desmenuzado,
cribas, desarenadores, etc.).
-
XV
TRATAMIENTO PRIMARIO
TRATAMIENTO QUMICO TRATAMIENTO SECUNDARIO TRATAMIENTO TERCIARIO
Remocin de una considerable
cantidad de materia en suspensin
pero poco o nada de la materia
disuelta. Tratamiento de aguas residuales en el
cual se aplican compuestos qumicos
para obtener un resultado deseado,
como: precipitacin, coagulacin,
floculacin, acondicionamiento de
lodos, desinfeccin, etc.
(1) Nivel de tratamiento por encima de
tratamiento primario en donde se
alcanzan eficiencias de remocin de
DBO y slidos del orden del 85%. (2)
Tratamiento biolgico, generalmente
lodos activados o filtros biolgicos, con
facilidades para manejo de lodos. Se
aplica tambin a lagunas de
estabilizacin con un alto grado de
remocin. Trmino que implica tratamiento
adicional al secundario y que est
siendo reemplazado por tratamiento
avanzado de aguas residuales.
-
XVI
-
XVII
RESUMEN
Este trabajo de graduacin fue realizado con el fin de evaluar el
comportamiento de los materiales utilizados en la construccin de plantas de
tratamiento de aguas residuales despus de estar en condiciones de uso.
Para la elaboracin del captulo uno, se recopil informacin acerca de las
distintas alternativas que existen para el tratamiento de aguas residuales,
describiendo los sistemas y explicando su forma de funcionamiento. Se
describen los elementos utilizados en obras de llegada, tratamientos
preliminares, tratamiento primario, tratamiento secundario, tratamiento de lodos
y tratamiento con plantas acuticas.
El captulo dos contiene un resumen de las normas de diseo para plantas
de tratamiento de aguas residuales en Guatemala, las cuales fueron
originalmente sintetizadas en el documento denominado Normas de diseo de
plantas de tratamiento de aguas residuales.
En el capitulo tres se describen las visitas realizadas a distintas plantas de
tratamiento de aguas residuales de Guatemala, dichas visitas se planificaron
con el fin de hacer una evaluacin visual de los materiales de construccin
encontrados en cada planta. Se hizo un recuento de los materiales que se
emplearon para las construcciones, un anlisis de las caractersticas fsicas y
mecnicas de dichos materiales, as como una enumeracin de las ventajas y
desventajas de la utilizacin de cada material.
-
XVIII
El captulo cuatro trata acerca del diseo de sistemas de tratamiento de
aguas residuales con plantas acuticas, se detallan asuntos, tales como: los
antecedentes existentes acerca del tema, los criterios de diseo, las
caractersticas fsicas de los sistemas de tratamiento acutico y las expectativas
de funcionamiento.
El captulo cinco describe el proyecto que se realiz, el cual fue acerca de la
construccin de un sistema de tratamiento de aguas residuales con plantas
acuticas para darle tratamiento a los desechos lquidos domsticos de una
vivienda individual. Primeramente, se describe el sistema que se construy,
luego aparece el diseo del sistema, se incluy el presupuesto y la formulacin
del proyecto, luego se describe paso a paso la metodologa empleada en la
construccin del sistema y por ltimo, se presenta la evaluacin del
funcionamiento de dicho sistema.
-
XIX
OBJETIVOS
GENERAL
Evaluar el comportamiento de los materiales utilizados en la construccin
de plantas de tratamiento de aguas residuales, despus de estar en
condiciones de uso.
ESPECFICOS
1. Investigar acerca de cules son las distintas alternativas que
existen para poder darle tratamiento a las aguas residuales.
2. Realizar una evaluacin visual de los materiales de construccin
empleados en diferentes plantas de tratamiento existentes en el
Pas.
3. Investigar acerca del diseo y la construccin de sistemas de
tratamiento de aguas residuales con plantas acuticas.
4. Construir un sistema de tratamiento de aguas residuales con
plantas acuticas en una vivienda individual del interior de la
repblica guatemalteca.
5. Evaluar el funcionamiento del sistema construido para tratar aguas
residuales con plantas acuticas.
-
XX
-
XXI
INTRODUCCIN
En el interior de la repblica de Guatemala existen an muchos lugares en
donde las familias deben descargar aguas residuales domsticas en la parte
trasera o delantera de sus casas, las cuales se conducen a flor de tierra hacia
algn cuerpo receptor que por lo general es un ro o lago. Esto causa malestar
en dichas familias y en sus vecinos, ya que como consecuencia del problema
se producen malos olores y las personas estn propensas a contraer
enfermedades infecciosas en la piel. Por otra parte, en el caso de que las aguas
servidas lleguen a contaminar cualquier fuente de agua para consumo humano,
las personas pueden llegar a contraer enfermedades de tipo gastrointestinal.
Como parte de su cultura y buena moral, el ingeniero civil debe actuar ante la
problemtica que las obras civiles puedan causar al ambiente y uno de los
problemas que se ve con ms frecuencia en nuestro pas es el que se
mencion anteriormente, la descarga de aguas residuales domsticas sin tratar,
en ros y lagos.
El presente trabajo de graduacin, como parte del esfuerzo para mejorar la
calidad del medio ambiente, es un estudio del comportamiento de los de
materiales de construccin empleados en distintos tipos de plantas de
tratamiento de aguas residuales, luego de haber estado funcionando durante un
periodo determinado. Adems, contiene la realizacin de una experiencia
prctica que consiste en tratar las aguas servidas de una vivienda en el interior
del pas con el mtodo de plantas acuticas.
-
XXII
-
1
1. ALTERNATIVAS EXISTENTES PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
1.1 Descripcin de los sistemas de tratamiento de aguas residuales
1.1.1 Aspectos generales El presente captulo tiene el objeto de dar a conocer las distintas formas de
tratar aguas residuales, as como, las partes en que se divide cada tratamiento,
ya que las aguas residuales deben ser sometidas a varios tratamientos de
depuracin (establecidos por la entidad correspondiente del pas o regin) antes
de ser descargadas en un cuerpo receptor (rio, lago, mar, etc.); generalmente
dichos tratamientos se clasifican en tratamiento preliminar, tratamiento primario,
tratamiento secundario y otros tipos de tratamiento. El tratamiento preliminar
consiste en la retencin de grasas, slidos flotantes y arenas, el tratamiento
primario consiste en la remocin de slidos orgnicos e inorgnicos
sedimentables para disminuir la carga del tratamiento secundario y el
tratamiento secundario consiste en la remocin de DBO (Demanda bioqumica
de oxgeno) y bacterias.
1.1.2 Obras de llegada
Las obras de llegada son el conjunto de instalaciones que se encuentran entre el punto de llegada del colector de aguas residuales (emisario) y los
procesos de tratamiento. Una obra de llegada (figura 1) est compuesta por:
Cajn de llegada, bypass, compuerta de admisin y estacin de bombeo (no
necesaria en todas las plantas de tratamiento) (Empresa).
-
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5
1.1.3.2 Desengrasadores
Los desengrasadores sirven para la separacin de grasas en aguas
residuales procedentes de cocinas, empresas hosteleras o de catering,
establecimientos crnicos, etc. La eliminacin de grasas de aguas residuales
reduce tambin la carga sustancial del agua residual. El desengrasador ms
comn es el desengrasador de gravedad (figura 4), en el cual se efecta la
separacin nicamente a base de las caractersticas fsicas de las grasas
(menor densidad que la del agua), que se hacen flotar en la superficie del agua
residual para ser retenidas por la pared de retencin y eliminadas
manualmente. Si se usan desengrasadores de flotacin, estn en todo el
volumen del agua residual que pasa por el separador. Las partculas de grasas
se "recogen" mediante pequeas burbujas de oxgeno, acumulndose en la
superficie de la cual se quitan mecnicamente(Antoovsk).
Figura 4. Esquema, desengrasador por gravedad
Fuente: ADOS Sekerka Antoovsk Repblica Checa, Desengrasadores.
1. Entrada, 2. Depsito de decantacin, 3. Pared de retencin (rectificacin),
4. Cmara de flotacin, 5. Aireacin, 6. rea para la eliminacin de las
partculas de grasas, 7. Depsito para las grasas retenidas, 8. Salida.
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Figura 9. Tanque Imhoff
Fuente: Organizacin Panamericana de la Salud, Especificaciones tcnicas para la construccin
de tanque sptico, tanque Imhoff y laguna de estabilizacin. Pg. 18
El tanque Imhoff puede ser de forma rectangular o circular y se divide en tres
compartimentos: cmara de sedimentacin, cmara de digestin de lodos y
rea de ventilacin y acumulacin de natas.
Durante la operacin, las aguas residuales fluyen a travs de la cmara de
sedimentacin, donde se remueven gran parte de los slidos sedimentables,
estos resbalan por las paredes inclinadas del fondo de la cmara de
sedimentacin pasando a la cmara de digestin a travs de la ranura con
traslape existente en el fondo del sedimentador. El traslape tiene la funcin de
impedir que los gases o partculas suspendidas de slidos, producto de la
digestin, interfieran en el proceso de la sedimentacin. Los gases y partculas
ascendentes, que inevitablemente se producen en el proceso de digestin, son
desviados hacia la cmara de natas o rea de ventilacin.
-
10
Los lodos acumulados en el digestor se extraen peridicamente y se
conducen a lechos de secado (figura 10), en donde el contenido de humedad se
reduce por infiltracin, despus de lo cual se retiran y se dispone de ellos
enterrndolos o pueden ser utilizados para mejoramiento de los suelos.
Figura 10. Lecho de secado
Fuente: Organizacin Panamericana de la Salud, Gua para el diseo de tanques spticos,
tanques Imhoff y lagunas de estabilizacin. Pg. 20
1.1.4.2 Tanques de sedimentacin
La sedimentacin primaria puede llevarse a cabo en tanques rectangulares
alargados o en tanques circulares. En los tanques rectangulares la espuma se
retira utilizando unas rastras de lodo (figura 11) que, de manera alternada,
despus de recorrer el tanque por el fondo, regresan a su punto de partida
recorriendo la superficie del agua, lo que se aprovecha, como se dijo, para
remover la espuma. El material flotante se desplaza de esta manera hasta un
sitio donde se colecta, ubicado a cierta distancia hacia atrs del vertedor del
efluente, y all es retirado al pasar sobre un vertedor de espuma o por medio de
una rastra transversal (Valdez y Vsquez).
-
11
Figura 11. Tanque de sedimentacin rectangular
Fuente: Enrique Csar, Valdez y Alba, Vsquez Gonzlez, Ingeniera de los sistemas de
tratamiento y disposicin de aguas residuales. Pg. 41 Por su parte, los tanques circulares (figura 12) cuentan con un brazo
desnatador que est unido a la rastra de lodos.
Figura 12. Tanque de sedimentacin circular
Fuente: Enrique Csar, Valdez y Alba, Vsquez Gonzlez, Ingeniera de los sistemas de
tratamiento y disposicin de aguas residuales. Pg. 41
-
12
1.1.4.3 Tanques de flotacin
En la flotacin interviene la diferencia entre la masa volumtrica de los
slidos y la del lquido en que se encuentran en suspensin. Sin embargo,
contrariamente a lo que ocurre en la decantacin, este proceso de separacin
slidolquido nicamente se aplica a partculas que tienen una masa
volumtrica real (flotacin natural) o aparente (flotacin provocada) inferior a la
del liquido que la contiene.
En la flotacin provocada (figura 13) se aprovecha la capacidad que tienen
ciertas partculas slidas o lquidas para unirse a burbujas de gas
(generalmente, aire) y formar conjuntos partculagas menos densos que el
lquido que constituye la fase dispersa(Zabel).
Figura 13. Sistema de flotacin por aire disuelto
Fuente: De Vargas, Lidia, Flotacin. Pg. 71
La resultante de las fuerzas (gravedad, empuje de Arqumedes, fuerza de
resistencia) conduce a un desplazamiento ascendente de los conjuntos
partculagas que se concentran en la superficie libre del lquido. Para que sea
factible la flotacin de partculas slidas o lquidas (figura 13) ms densas que
el lquido, es preciso que la adherencia de las partculas a las burbujas de gas
sea mayor que la tendencia a establecer un contacto entre las partculas y el
lquido.
-
13
1.1.5 Tratamiento secundario
1.1.5.1 Lagunas de estabilizacin Se le denomina de esta forma a todos los tipos de lagunas que describe a un estanque en el cual se descarga aguas residuales con el fin de estabilizar la
materia orgnica y eliminar bacterias(Varn).
1.1.5.1.1 Lagunas anaerbicas
Por lo general, estas unidades (lagunas anaerbicas o anaerobias) tienen
una profundidad de 2-5 m y reciben cargas orgnicas volumtricas mayores a
100 g DBO5/m3 d. Estas altas cargas orgnicas producen condiciones
anaerbicas estrictas (oxigeno disuelto ausente) en todo el volumen de la
laguna. En trminos generales, las lagunas anaerbicas funcionan como
tanques spticos abiertos y trabajan extremadamente bien en climas calientes.
Una laguna anaerbica bien diseada puede alcanzar remociones de DBO5
alrededor del 60% a temperaturas de 20 C. Un tiempo de retencin hidrulico
(TRH) de 1 da es suficiente para aguas residuales con una DBO5 de hasta 300
mg/l y temperaturas superiores a 20 C. La remocin de materia orgnica en
laguna anaerobia es gobernada por los mismos mecanismos que ocurren en
cualquier reactor anaerbico.
1.1.5.1.2 Laguas aeradas
Las primeras experiencias con lagunas aeradas fueron llevadas a cabo en
1957 pero no fue sino hasta los primeros aos de la dcada del 60 que las
lagunas aeradas comenzaron a ganar aceptacin.
-
14
Despus del tratamiento preliminar las aguas residuales entran en las
lagunas aeradas, las mismas que constituyen las primeras unidades de
tratamiento biolgico y sus funciones bsicas son:
Asimilar la materia orgnica soluble en un perodo de retencin relativamente corto, pero suficiente para un porcentaje de reduccin de la
DBO del orden del 90%.
Mantener condiciones aerbicas, para la asimilacin del material soluble en biomasa, permitiendo as la separacin de slidos y reduccin de la
carga orgnica hasta un nivel adecuado en las siguientes lagunas.
Reducir el conteo bacteriano en la medida de su capacidad.
Los taludes de estas lagunas se recubren con hormign lanzado con
armadura metlica, con mezcla asfltica en las juntas de las losetas para as
evitar posibles infiltraciones, as como el crecimiento de vegetacin. La
impermeabilizacin del fondo de las lagunas se realiza en base a arcilla
compactada.
1.1.5.1.3 Lagunas facultativas Estas lagunas pueden ser de dos tipos: lagunas facultativas primarias que reciben aguas residuales crudas y laguna facultativas secundarias que reciben
aguas sedimentadas de la etapa primaria (usualmente el efluente de una laguna
anaerbica). Las lagunas facultativas son diseadas para remocin de DBO5
con base en una baja carga orgnica superficial que permita el desarrollo de
una poblacin de algas activa. De esta forma, las algas generan el oxgeno
requerido por las bacterias heterotrficas para remover la DBO5 soluble. Una
poblacin saludable de algas le confiere un color verde oscuro a la columna de
agua. Las lagunas facultativas pueden tornarse ocasionalmente rojas o rosadas
debido a la presencia de bacterias fotosintticas prpuras oxidantes del sulfuro.
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16
Con cualquiera de los mtodos de mezcla de aire y lquido, se pone a las
aguas negras en ntimo contacto con los microorganismos contenidos en el lodo.
En los primeros 15 a 45 minutos, el lodo absorbe los slidos en suspensin y los
coloides. Segn se absorbe la materia orgnica, tiene lugar la oxidacin biolgica.
Los organismos presentes en el lodo descomponen los compuestos de nitrgeno
orgnico y destruyen los carbohidratos. El proceso avanza rpidamente al
principio y luego decae gradualmente en las prximas 2 a 5 horas. Despus
contina con un ritmo casi uniforme durante varias horas. En general el periodo de
aeracin dura de 6 a 8 horas ms. El efluente del tanque de aireacin pasa a un
tanque de sedimentacin secundaria, donde se retiene el fluido, en general de 1
1/2 a dos horas para decantar el lodo. Una parte del lodo del tanque de
sedimentacin final se regresa para la recirculacin con las aguas negras de
entrada. No debe retenerse el lodo en el tanque.
1.1.5.2.1 Zanjas de oxidacin
Una zanja de oxidacin es una modificacin del sistema biolgico de
tratamiento con lodos activados que utiliza un tiempo extenso de retencin de
slidos (solids retention times, SRT) para la remocin de compuestos orgnicos
biodegradables. Los sistemas de tratamiento tpicos con zanjas de oxidacin
(figura 15) tienen una configuracin de anillo, valo o tanque en forma de
herradura dentro de los cuales se encuentran uno o mltiples canales. Por esta
razn las zanjas de oxidacin se denominan comnmente como reactores de
tipo carrusel. Aireadores montados en forma vertical u horizontal proporcionan
la circulacin del agua, la transferencia de oxgeno y la aireacin en las zanjas.
El agua que fluye por las zanjas de oxidacin es aireada y mezclada con lodo
recirculado del sedimentador secundario(U. S. Agency).
-
17
Figura 15. Sistema tpico de lodos activados con zanjas de oxidacin
Fuente: United States Environmental Protection Agency, Folleto informativo de tecnologa de
aguas residuales, Zanjas de oxidacin.
Los tratamientos primarios tales como rejillas y desarenadores normalmente
preceden a las zanjas de oxidacin. Algunas veces se incluye sedimentacin
primaria antes de las zanjas, pero este no es el diseo tpico. Se pueden
necesitar filtros terciarios despus de la sedimentacin dependiendo de los
requisitos de descarga del efluente. La desinfeccin es requerida y puede
necesitarse re-aireacin antes de la descarga final.
1.1.5.3 Filtros percoladores
Denominados tambin como filtros biolgicos (figura 16) o filtros de lecho
bacteriano de contacto. El proceso en la filtracin biolgica puede definirse
como un sistema de lechos de distintos materiales sobre los cuales se vierten
de una manera continua o intermitente las aguas residuales. Al percolar por el
lecho de material granular las aguas residuales entran en contacto con las
pelculas de limo biolgico que crecen sobre la superficie del material.
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21
1.1.7 Tratamiento de lodos
1.1.7.1 Digestin anaerbica
Durante los ltimos cincuenta aos se ha ganado una gran cantidad de
conocimientos sobre el proceso de digestin anaerbica. Estos conocimientos
han sido obtenidos no slo de investigaciones de laboratorios con digestores de
botella, sino tambin de records de operacin de digestores en plantas de
tratamiento. El propsito principal es la transformacin del lodo a un estado
estable en el cual no est sujeto a descomposicin biolgica posterior, que no
cree situaciones peligrosas o molestas al disponerse en el medio ambiente y
que pueda ser deshidratado y secado rpidamente. En el proceso de digestin
anaerbica, la materia orgnica contenida en la mezcla de lodos primarios y
secundarios se convierte en metano (CH4) y dixido de carbono (CO2)
principalmente.
El proceso se lleva a cabo en un reactor completamente cerrado. Los lodos
se introducen en el reactor de forma continua o intermitente, y permanecen
dentro de estos tanques durante perodos de tiempo considerables. El lodo
estabilizado que se extrae del proceso tiene un bajo contenido de materia
orgnica y de microorganismos patgenos vivos. Los tipos de digestores ms
empleados son los de alta y baja carga (figura 19). En el proceso de digestin
de baja carga, no se suele mezclar el contenido del digestor, y los tiempos de
retencin varan entre 30 y 60 das.
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22
Figura 19. Digestores de alta y baja carga
Fuente: Fabin, Ynez, Digestin anaerbica de lodos. Pg. 25
En los procesos de digestin de alta carga el contenido del digestor se
calienta y mezcla completamente. El lodo se mezcla mediante recirculacin de
gas, mezcladores mecnicos, bombeo o mezcladores con tubos de aspiracin,
y se calienta para optimizar la velocidad de digestin. El tiempo de retencin
generalmente es menor a 15 das(Ynez).
1.1.7.2 Lagunas de lodos
Las lagunas de lodos son otra forma de estabilizar los lodos primarios y
secundarios provenientes de una planta de tratamiento. Se entiende por
estabilizacin de lodos a, la reduccin de la presencia de patgenos, la
eliminacin de olores desagradables y la reduccin o eliminacin de su
potencial de putrefaccin.
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23
El enlagunamiento es hasta hoy el mtodo ms popular de disposicin de
lodo, no slo en pases en desarrollo, sino tambin en los Estados Unidos,
Inglaterra, Alemania, Francia y otros pases desarrollados. Es empleado con
gran frecuencia para lodos industriales. Las lagunas pueden ser empleadas
como una fase intermediaria del proceso de tratamiento del lodo o como
disposicin final. Debido al hecho de que las lagunas son un proceso simple y
econmico, su uso es muy adecuado para el tratamiento en pases en
desarrollo. Las lagunas pueden ser clasificadas en tres tipos: 1) Lagunas para
espesamiento, almacenaje y digestin. 2) Lagunas de secado. 3) Lagunas de
depsito permanente. El primer tipo es destinado a substituir temporalmente los
equipos de desaguado, almacenaje o digestin por ocasin de sobrecargas,
accidentes o reforma de unidades de la planta; pueden tambin ser utilizadas
con ventaja en lugar de esas unidades convencionales, las cuales desde el
diseo ya no seran previstas o aplazadas para una oportunidad futura.
Cuando son empleadas como sustituto, deben ser previstas unidades
mltiples y dispositivos para dejar trasbordar el lquido sobrenadante y
reconducirlo a la entrada de la planta. La digestin en lagunas puede presentar
problemas graves de olores insoportables y constituir criaderos de moscas.
Terminada la digestin el lodo puede ser transferido para lechos de secado o
dejado en la propia laguna.
Cuando las lagunas son empleadas para el secado en lugar de lechos de
arena, stas pueden ser vaciadas y rellenadas en intervalos de tiempo bien
largos, a veces de varios aos. El lodo posiblemente no seca hasta menos del
70% de humedad pero en ese estado puede ser removido por equipos de
terrapln. Removido el contenido, este lodo seco puede ser empleado en
actividades agrcolas o ser transportado ms lejos.
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24
Las lagunas o los rellenos del que el lodo no es sacado nunca, con
capacidad para 5, 10 o ms aos, constituyen uno de los procesos ms
econmicos para la disposicin final del lodo. Muchas plantas, grandes y
pequeas, emplean esa tcnica. Obviamente son requeridas reas extensas de
bajo costo para justificar esta prctica en comparacin con los procesos
convencionales(Ynez).
1.1.7.3 Aplicacin de lodos sobre el terreno
Cuando se habla de la disposicin de lodos en el terreno para uso agrcola
se conoce en rigor que el lodo solo tiene propiedades fertilizantes cuando es
aplicado sobre el suelo en estado fresco, es decir sin digestin previa, porque
de otra manera pierde una gran cantidad de nutrientes, especialmente
nitrgeno. Esta prctica slo es empleada excepcionalmente, debido a
problemas sanitarios y estticos.
El lodo digerido, sin embargo, tiene propiedades de acondicionamiento en el
suelo, haciendo que quede apropiado para el desarrollo de microorganismos y
macro-organismos tiles para el crecimiento de las especies vegetales.
Aumenta la permeabilidad de suelos excesivamente arcillosos y puede ser
empleado para recuperar tierras arenosas, ridas o desrticas. Tiene tambin
un dbil efecto fertilizante(Hess).
1.1.7.4 Remocin de lodos de lagunas de estabilizacin
La geometra de las lagunas de estabilizacin es de gran importancia ya que
de ella depende el grado de dispersin del flujo. Es de inters para el
investigador y el operador tomar en cuenta la acumulacin de lodos, la
frecuencia de su remocin y el efecto de los mismos en el comportamiento de
los reactores.
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25
Las lagunas de estabilizacin son sedimentadores sobredimensionados. Por
consiguiente, en las lagunas primarias es retenido casi el 100% de los slidos
sedimentables. En las lagunas de estabilizacin no se lleva a cabo un proceso
de floculacin biolgica como el que ocurre con los lodos activados y los
biofiltros. Por consiguiente no ocurre una sedimentacin secundaria. Esto hace
que la acumulacin de lodos en lagunas con grado superior al primario sea
despreciable para fines prcticos.
Deber investigarse para cada rea geogrfica en que se est trabajando, el
volumen de lodo acumulado en las lagunas primarias. Como referencia se
indica que este volumen est entre 150 y 200 l/hab x ao de acumulacin de
lodo hmedo. Cuando llega el momento de remover los lodos (de acuerdo con
lo previsto en el diseo, y tomando en cuenta que debe haber ms de una
laguna primaria) se procede a drenar y secar la laguna que se va a limpiar, con
lo cual el volumen seco del lodo llega a ser menor (del orden de 50 1/hab x
ao). Para esta ltima operacin debe aprovecharse la estacin seca o estiaje
(Senz).
1.1.7.5 Lechos de secado
El proceso de deshidratacin ms antiguo y ms sencillo es el que usa
lechos rectangulares poco profundos con fondos porosos arriba de una red de
drenaje subterrneo. Los lechos se dividen en reas convencionales con
paredes bajas. El lodo se pasa a los lechos hasta que la profundidad es de 125
a 250 mm; la deshidratacin tiene lugar debido al drenaje de las capas
inferiores y a la evaporacin de la superficie bajo la accin del sol y el viento.
La pasta se agrieta a medida que se seca, lo que permite mayor evaporacin y
el escape del agua de lluvia de la superficie. En buenas condiciones, el
contenido de slidos que se obtiene es casi del 25% en unas cuantas semanas;
en climas templados un perodo ms comn es de 2 meses.
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Se obtienen mejores resultados con la aplicacin frecuente de capas de
lodos poco profundas e intervalos ms largos. La remocin del lodo seco se
hace manualmente en plantas pequeas pero en otros lados se tiene que
instalar una planta mecnica para el levantamiento de los lodos. Segn datos
recabados, el terreno que se requiere para el lodo de agua residual es 0,25 m
cuadrados por persona. Este gran requerimiento hace difcil que los lechos de
secado sean factibles a menos que se disponga de terreno a bajo costo. En
muchas circunstancias se utiliza alguna forma de deshidratado mecnico, para
el cual las necesidades de terreno son mnimas y cuyo rendimiento no es
afectado por el clima(S.A.).
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2. NORMAS DE DISEO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN GUATEMALA
Las disposiciones presentadas en este captulo fueron establecidas por la
Organizacin Panamericana de la Salud, Programa de desarrollo tecnolgico en
el campo del tratamiento de aguas residuales en Guatemala y representan una
sntesis del documento denominado Normas de diseo de plantas de
tratamiento de aguas residuales, Borrador para discusin (Ynez Cossio).
2.1 Normas para el diseo de sistemas de tratamiento de aguas
residuales
2.1.1 Objeto El objetivo principal de estas normas es proporcionar un conjunto de criterios
bsicos de diseo para el desarrollo de proyectos de tratamiento de aguas
residuales a los niveles preliminar, bsico y definitivo. La poblacin objeto de
este documento es tanto el profesional de una entidad que tiene que desarrollar
trminos de referencia para la contratacin de estudios y fiscalizar el desarrollo
de los mismos, como el consultor a quien se ha encargado la conduccin de
dichos trabajos.
2.1.2 Alcance Las presentes normas estn relacionadas con los procesos convencionales
y facilidades que conforman una planta de tratamiento de aguas residuales,
tanto para tratamiento de aguas residuales domsticas como industriales,
previa a su descarga al cuerpo receptor.
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En el caso de desechos lquidos industriales se dan disposiciones que deben
cumplirse antes de su descarga al sistema de alcantarillado sanitario, para
tratamiento conjunto. Se dan disposiciones especficas para el tratamiento no
convencional con plantas acuticas. No se dan disposiciones para el caso de
tratamientos terciarios y avanzados. Se excluyen disposiciones para diseo de
interceptores y emisarios subfluviales y submarinos.
2.1.3 Disposiciones especficas para diseos definitivos
2.1.3.1 Aspectos generales
En ningn caso se disear la descarga de desechos crudos a un cuerpo
receptor. El tratamiento mnimo que debern recibir las aguas residuales
domsticas antes de su descarga a ros es lagunas de estabilizacin y en caso
de ser ms econmico, tratamiento primario. En el caso de ciudades cuyo
sistema de intercepcin de aguas residuales tiene reboses del alcantarillado
combinado, el diseo del sistema de tratamiento deber ser sujeto de un
cuidadoso anlisis para justificar el dimensionamiento de los procesos de la
planta para condiciones por encima del promedio, sin embargo, el caudal de
diseo de las obras de llegada y tratamientos preliminares ser el mximo
horario.
Para el diseo definitivo de la planta de tratamiento se recoger la siguiente
informacin bsica:
- Levantamiento topogrfico detallado de la zona en donde se ubicarn las
unidades de tratamiento. - Estudios de desarrollo urbano y/o agrcola que puedan existir en la zona
escogida para el tratamiento.
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- Datos geolgicos y geotcnicos necesarios para el diseo estructural y
de las unidades, incluyendo datos sobre el nivel fretico. - Datos hidrolgicos del cuerpo receptor, incluyendo niveles mximos de
inundacin, para posibles obras de proteccin. - Datos climticos de la zona. - Disponibilidad y confiabilidad del servicio de energa elctrica.
El producto del diseo definitivo de una planta de tratamiento de aguas
residuales consistir en una serie de planos y documentos. El juego de planos
del proyecto deber contener por lo menos lo siguiente:
- Planimetra general de la obra, ubicacin y planos de replanteo. - Diseos hidralico-satinarios de todos los procesos e interconexiones
entre procesos, los cuales comprenden planos, perfiles y dems detalles
constructivos. - Planos estructurales, mecnicos, elctricos y arquitectnicos. - Planos de obras generales como: obras de proteccin, caminos, arreglos
interiores, etc.
Los documentos a presentarse comprenden:
- Memoria tcnica del proyecto, la misma que debe incluir el
dimensionamiento de los procesos de tratamiento de la planta, el
presupuesto referencial y frmula de reajuste de precios.
- Las especificaciones tcnicas para la construccin.
- La presentacin de un manual preliminar de operacin y mantenimiento
ser obligatoria para las plantas convencionales que requieran
operadores calificados.
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2.1.3.2 Obras de llegada Las obras de llegada a la planta de tratamiento son el conjunto de facilidades
ubicadas entre el punto de llegada del interceptor y los procesos de tratamiento
preliminar. En trminos generales dichas obras deben dimensionarse para el
caudal mximo instantneo del interceptor y comprobarse para que no exista
septicidad (perodos de retencin mayores a 4 horas) en condiciones de
funcionamiento correspondiente a los caudales mnimos del primer ao de
operacin. Se deber proyectar un cajn de llegada del interceptor con facilidades para romper la presin de llegada y uniformizar velocidades. Inmediatamente despus del cajn de llegada se ubicarn las facilidades de
bypass de la planta. La existencia, tamao y condiciones de diseo de estas
facilidades sern debidamente justificados teniendo en cuenta los tipos de
procesos de la planta y sobre todo el funcionamiento en condiciones de
mantenimiento correctivo de uno o varios de los procesos. Para lagunas de
estabilizacin se podrn proyectar estas facilidades para los perodos de
secado y remocin de lodos en las lagunas primarias, los mismos que tienen
una duracin no mayor a tres meses. El fondo del canal de las obras de llegada es generalmente de 10 a 15 cm. Ms bajo que la solera del emisario.
2.1.3.3 Tratamientos preliminares
Las unidades de tratamiento preliminar que se pueden utilizar en el
tratamiento de aguas residuales son: cribas medias, desarenadores,
desengrasadores, medidor y repartidores de caudal. En estas unidades se evitar al mximo el uso de dispositivos mecanizados como trituradores y
desintegradores.
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2.1.3.3.1 Cribas
Las cribas tienen la finalidad de proteger las bombas y otras unidades de la
planta contra el atascamiento por slidos gruesos y material fibroso. An en los
procesos de pretratamiento y de tratamiento ms simples como las lagunas,
son indispensables para impedir la obstruccin de vertederos, facilidades de
divisin de flujo y la formacin de natas, de modo que deben utilizarse en toda
planta de tratamiento. Se disearan preferiblemente cribas de limpieza manual, cuando las cantidades de material cribado sean manejables por dos turnos de
cuadrillas de dos operadores. El diseo de los canales se efectuar para las condiciones de caudal
mximo horario, pudiendo considerarse las siguientes alternativas: a) tres
canales de igual dimensin, de los cuales dos tendrn cribas y el uno servir de
bypass en caso de emergencia o mantenimiento correctivo. En este caso dos
de los tres canales tendrn la capacidad para conducir el mximo horario y b)
dos canales con cribas dimensionados para el caudal mximo horario del final
del perodo de diseo, pasando por una sola unidad. En este caso se asume
que una de las unidades est fuera de operacin.
Para el diseo de las cribas de rejas se tomarn en cuenta ciertas
recomendaciones tales como que el espaciamiento entre barras vara entre 25 y
50 mm. Para ciudades con un sistema inadecuado de recoleccin de basura se
recomienda un espaciamiento no mayor a 25 mm debido a que se arroja una
gran cantidad de basura al sistema de alcantarillado. Las dimensiones y espaciamiento entre barras se escogern de modo que la velocidad del canal
antes de y a travs de las barras sea adecuada. La velocidad a travs de las
barras limpias debe mantenerse entre 0.4 y 0.75 m/s (basado en el caudal
medio). Las velocidades deben determinarse para los caudales, mnimo, medio
y mximo.
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32
Determinadas las dimensiones se proceder a calcular la velocidad del canal
antes de las barras, la misma que debe mantenerse entre 0.3 y 0.6 m/s, siendo
0.45 m/s un valor comnmente utilizado. El ngulo de inclinacin de las barras
ser entre 44 y 60 grados con respecto a la horizontal. En general la cantidad
de material retenido en las cribas con aberturas del orden de 25mm est
comprendido entre 0.015 y 0.030 litros por m3 de agua residual. Para otras
aberturas se determinar la cantidad de material cribado de acuerdo con el
cuadro que se indica a continuacin:
Tabla I. Material cribado segn la abertura de la criba
Abertura, mm Cantidad, l/m3 20 0.038 25 0.023 35 0.012 40 0.009
Fuente: Fabin Ynez Cossio, Normas de diseo de plantas de tratamiento de aguas
residuales. Pg. 31
Para facilitar la instalacin y el mantenimiento en las cribas de limpieza
manual, las rejas sern instaladas en guas laterales con perfiles metlicos en
U, descansando en el fondo sobre un perfil L o sobre un tope formado por
una pequea grada de hormign.
2.1.3.3.2 Desengrasadores Los desengrasadores son tanques de permanencia corta en los cuales se
permite flotar a la superficie las partculas con gravedad especfica menor que
la del agua. Estos tanques se deben usar en los casos de presencia de
desechos industriales con grandes cantidades de aceites y grasas.
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33
Para la remocin de aceites animales o minerales (hidrocarburos), con una
densidad de alrededor de 0.8 kg/l, se debe proveer una permanencia de 3
minutos en las pequeas unidades (de hasta 10 l/s), de 4 minutos en las
unidades de tamao mediano (de 10 a 20 l/s) y de 5 minutos en las unidades de
mayor tamao. Los desengrasadores son generalmente de forma rectangular, con una relacin largo/ancho de 1.8 a 1.0. En muchos casos se emplea el
diseo con un ancho creciente hacia la salida y el fondo debe ser inclinado
hacia la salida, para evitar la acumulacin de arena.
2.1.3.3.3 Desarenadores
Se proyectarn desarenadores con la finalidad de proteger a las unidades
que estn aguas abajo contra la acumulacin de arena, detritos y otros
materiales inertes y tambin a las bombas contra desgaste. La inclusin de
desarenadores es obligatoria y tambin a las bombas contra desgaste. A
inclusin de desarenadores es obligatoria en las plantas que tienen
sedimentadores y digestores. Para sistemas de lagunas de estabilizacin el uso
de desarenadores es opcional y podrn no ser empleados, dejando espacio
adicional para la acumulacin de arena en el fondo. Los desarenadores sern preferiblemente de limpieza manual, sin incorporar mecanismos, excepto en el
caso de desarenadores para instalaciones grandes. Segn el mecanismo de remocin los desarenadores pueden ser a gravedad y de flujo helicoidal. Los
primeros a su vez son de flujo horizontal y pueden ser diseados como canales
de forma alargada o de seccin cuadrada. Los desarenadores de flujo
horizontal sern diseados para remover partculas de dimetro medio igual o
superior a 0.2 mm. La relacin entre el largo y la altura de agua debe ser como
mnimo 25. La altura de agua y borde libre debe comprobarse para el caudal
mximo horario.
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El control de la velocidad para diferentes tirantes de agua se efectuar con la
instalacin de un vertedero a la salida del desarenador. Este puede ser del tipo
proporcional (sutro), trapezoidal o una canaleta para medicin de flujo (parshall
o palmer bowlus). Se deben proveer dos unidades como mnimo. Los desarenadores de limpieza hidrulica no son recomendables a menos que se
diseen facilidades adicionales para el secado de la arena (estanques o
lagunas).
2.1.3.3.4 Medidor y repartidores de caudal
Despus de las cribas y desarenadores se debe incluir en forma obligatoria
un medidor de caudal en canal abierto, pudiendo ser del tipo Parshall o Palmer
Bowlus. El propsito de esta facilidad es proveer datos histricos sobre el
caudal y sus variaciones, para desarrollar criterios de diseo para futuras
ampliaciones y para evaluacin del funcionamiento de los procesos de
tratamiento. No se recomienda la instalacin de vertederos, ya que se llenan de
arena y obstruyen con material flotante. El medidor de caudal debe incluir facilidades para la instalacin de un limngrafo, recomendndose el de accin
mecnica, con cuerda o mecanismo de relojera. Este mecanismo debe estar
instalado en una caseta debidamente protegido. Las estructuras de reparticin de caudal deben permitir la distribucin de los caudales (considerando todas
sus variaciones) en varias partes en el caso de tratamiento convencional y en
proporcin a las reas de las unidades primarias, en el caso de lagunas de
estabilizacin. En general estas facilidades no deben permitir la acumulacin de
arena. Los repartidores pueden ser de a) vertedero con contracciones o
vertedero sumergido, para el caso de instalaciones permanentes. b) Cmara de
reparticin de entrada central hacia arriba, con vertederos circular o cuadrado.
c) Repartidor con tabiques en rgimen crtico, el mismo que se halla ubicado en
canales.
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2.1.3.4 Tratamiento primario
2.1.3.4.1 Generalidades
El objetivo del tratamiento primario es la remocin de slidos orgnicos e
inorgnicos sedimentables, para disminuir la carga del tratamiento biolgico, en
caso de ser necesario. Los slidos removidos en el proceso tienen que ser
procesados antes de su disposicin final, siendo los ms usados los procesos
de digestin anaerbica y lechos de secado. Los procesos de tratamiento primarios para las aguas residuales pueden ser: tanques Imhoff, tanques de
sedimentacin y tanques de flotacin.
2.1.3.4.2 Tanques Imhoff
Son tanques de sedimentacin primaria en los cuales se incorpora la
digestin de lodos en el compartimiento localizado en la parte inferior. Para el diseo de la zona de sedimentacin se considerar un volumen mnimo de
1500 l., utilizando los siguientes criterios:
- Se determinar el rea requerida para el proceso con una carga
superficial de 1 m3/(m2h). - El perodo de retencin nominal ser entre 1 a 1.5 horas. Del producto de
la carga superficial y el perodo de retencin se obtendr la profundidad. - Alternativamente se dimensionar la cmara de decantacin con una
tasa de 30 litros por habitante. - El fondo del tanque ser de seccin transversal en forma de V y la
pendiente de los lados, hacia la arista central ser del 67% al 80%. - En la arista central se dejar una abertura para el paso de los slidos de
0.15 a 0.20 m. - El borde libre ser entre 0.30 a 0.60 m.
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Para el diseo del compartimiento de almacenamiento y digestin de lodos
(zona de digestin) se considerar un volumen mnimo de 3000 l., utilizando los
siguientes criterios:
- El compartimiento ser dimensionado para almacenar lodos durante un
perodo de 60 das, al cabo del cual se considera completa la digestin.
Para el efecto se determinar la cantidad de slidos en suspensin
removida, en forma similar que para un sedimentador primario. El
volumen se determinar considerando la destruccin del 50% de slidos
voltiles, con una densidad de 1.05kg/l y un contenido promedio de
slidos del 12.5% (al peso). - Alternativamente se determinar el volumen del compartimiento de lodos
considerando un espacio de 60 litros por habitante. - El fondo del compartimiento tendr la forma de un tronco de pirmide,
cuyas paredes tendrn una inclinacin de 30 a 45 grados con respecto a
la horizontal. Para el diseo de la superficie libre entre las paredes del digestor y las del
sedimentador (zona de espumas) se considerar un volumen mnimo de 1500
l., usando los siguientes criterios:
- El espaciamiento libre ser de 0.60 m como mnimo. - La superficie libre total ser por lo menos 20% y preferiblemente 30% del
rea total del compartimiento de digestin. - Alternativamente se determinar el volumen de la zona de espumas
usando una tasa de 30 litros por habitante.
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Las facilidades para remocin de lodos digeridos deben ser diseadas en
forma similar que para sedimentadores primarios, considerando que los lodos
son retirados para secado en forma intermitente. Para el efecto se deben tener
en cuenta las siguientes recomendaciones:
- El dimetro mnimo de las tuberas de remocin de lodos ser de 20 cm. - La tubera de remocin de lodos debe estar 15 cm sobre el fondo. - Para remocin hidrulica del lodo se requiere por lo menos una carga
hidrosttica de 1.5m. Para dimensionamiento de tanques Imhoff circulares, pueden considerarse
las siguientes recomendaciones en lo que tienen relacin con el dimetro:
Tabla II. Recomendaciones para dimensionamiento de tanques Imhoff
Poblacin contribuyente (hab) Dimetro (m) 250 2.5 - 3.5 500 3.0 - 4.0 750 3.5 - 4.5 1000 4.0 - 5.0 1500 5.0 - 6.0 2000 6.0 - 7.0 2500 7.0 - 8.0
Fuente: Fabin Ynez Cossio, Normas de diseo de plantas de tratamiento de aguas
residuales. Pg. 34
2.1.3.4.3 Tanques de sedimentacin
Los tanques de sedimentacin pequeos deben ser proyectados sin equipos
mecnicos. La forma de ellos puede ser rectangular (con varias tolvas de lodos)
y circular o cuadrado (con un dimetro mximo de 3.6 m y una tolva de lodos
central, como en el caso de los sedimentadores tipo Dormund).
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En estos casos la inclinacin de las paredes de las tolvas de lodos ser de
por lo menos 60 grados con respecto a la horizontal. La remocin de lodos es
por lo general hidrosttica y no requiere de equipos. Los parmetros de diseo
son similares a los de sedimentadores con equipos. Los parmetros de diseo de tanques de sedimentacin primaria y sus eficiencias deben idealmente ser
determinados experimentalmente. Cuando se diseen tanques convencionales
de sedimentacin primaria sin datos experimentales se utilizarn los siguientes
criterios de diseo:
- Los canales de reparticin y entrada a los tanques deben ser diseados
para el caudal mximo horario. - Los requisitos de rea deben determinarse usando cargas superficiales
entre 30 y 60 m/d basado en el caudal medio de diseo, lo cual
corresponde a una velocidad de sedimentacin de 1.25 a 2.5 m/h. - El perodo de retencin nominal ser entre 1.5 a 2.5 horas
(recomendable
-
39
Tabla III. Criterios para eficiencias de remocin en tanques de sedimentacin
Periodo de retencin nominal, h.
Porcentajes de remocin recomendados DBO 100-200 mg/l DBO 200-300 mg/l DBO SS* DBO SS*
0.5 16 32 19 35 1.0 23 45 26 50 1.5 30 50 32 56 2.0 33 53 36 60 3.0 37 58 40 64 4.0 40 60 42 66 6.0 41 61 43 68
* SS= Slidos en suspensin totales.
Fuente: Fabin Ynez Cossio, Normas de diseo de plantas de tratamiento de aguas
residuales. Pg. 35
El volumen de lodos primarios debe calcularse para las condiciones de
operacin de cada cinco aos y para el final del perodo de diseo (con el
caudal medio de diseo), con las remociones de slidos del proceso y los
siguientes datos:
Tabla IV. Datos para el clculo del volumen de lodos primarios
Tipo de lodo primario Gravedad especfica
Conc. de slidos % Rango Recomendado
Con alcantarillado sanitario 1.03 4 - 12 6.0 Con alcantarillado combinado 1.05 4 - 12 6.5 Con lodo activado de exceso 1.03 3 - 10 4.0
Fuente: Fabin Ynez Cossio, Normas de diseo de plantas de tratamiento de aguas
residuales. Pg. 35 El volumen de la tolva de lodos se debe comprobar para almacenamiento de
los lodos durante el tiempo de fuera de funcionamiento del ciclo. La velocidad
en la tubera de salida del lodo primario debe ser por lo menos 0.9 m/s.
-
40
El mecanismo de barrido de lodos de tanques rectangulares tendr una
velocidad entre 0.6 y 1.2 m/min., para evitar la formacin de corrientes
mezcladoras. Las caractersticas de tanques circulares de sedimentacin sern
las siguientes: a) Profundidad: de 3 a 5 m. b) Dimetro: de 3.6 a 60 m
(recomendable de 12 a 45 m). c) Pendiente de fondo: de 6% a 16%
(recomendable 8%).
El mecanismo de barrido de lodos de tanques circulares tendr una
velocidad de rotacin de 1 a 3 revoluciones por hora, siendo 2 un valor
recomendable. Se deber disear un sistema de recoleccin de natas, las que deben recogerse en un pozo especial, para transporte desde all hasta el
proceso de digestin. La pendiente mnima de la tolva de lodos ser 1.7 vertical a 1.0 horizontal. En el caso de sedimentadores rectangulares, cuando la tolva
sea demasiado ancha, se deber proveer un barredor transversal desde el
extremo hasta el punto de extraccin de lodos.
2.1.3.4.4 Tanques de flotacin
El proceso de flotacin se usa en aguas residuales para remover partculas
finas en suspensin y de baja densidad, usando el aire como agente de
flotacin. Una vez que los slidos han sido elevados a la superficie del lquido,
