Ximena Vargas Ingeniería química

Tratamiento biológico de aguas residuales

Objetivo general

• Aplicar los principales conceptos de microbiología y procesos biológicos para el diseño de sistemas de tratamiento de aguas residuales mediante tecnologías convencionales y naturales

Contenido

Temas

• Introducción al tratamiento de las aguas residuales

• Clasificación de sistemas de tratamiento

• Microbiología del tratamiento de aguas residuales

• Cinética del crecimiento microbiano

• Balances de masa en reactores biológicos

• Sistemas de lodos activados y sus variantes

• Filtros percoladores• Sistemas naturales: lagunas

de estabilización y humedales

Metodología y evaluación

Metodología

• Clases con video beam

• Visitas de campo • Talleres • Videos• Laboratorios

Evaluación

• 30%: 1 Parcial• 40%: talleres,

laboratorios, visitas de campo, quizzes

• 30% diseño de una planta de tratamiento

•Eutroficación

•Agotamiento del oxigeno disuelto

•Disminucion de la fotosintesis

•Malos olores

•Sedimentacion

•Problemas esteticos

•Enfermedades

Problemática de los vertimientos de aguas residuales

Problemática de los vertimientos de aguas residuales

Según el (MAVDT),• Más del 50% del recurso

hídrico en el país no se puede utilizar por problemas de calidad ).

• En la región Caribe colombiana, en la cuenca del bajo Magdalena y parte del Cauca aportan la mayor cantidad de sólidos suspendidos (más 380 Tm/día), materia orgánica (más de 700 Tm/d de DQO), nutrientes y metales pesados

Descarga final

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ResidencialIndustrialEscorrentía

PatógenosDemanda de O2Nutrientes PyNSólidos sedimentablesMicrocontaminates

Tecn

olog

ías

de

trat

amie

nto

Objetivos de tratamiento Criterios de descarga

PrimarioSecundariTerciarioFco-qcoNatural

Olores Recreación Eutroficación Ecología Reuso Acueductos

Introducción

ORIGEN

Doméstico

Escorrentía

Agricultura

Industrial

Institucional

Minería Comercial

CARACTERISTICAS

Domésticas

Contenido apreciable de materia orgánica, sólidos suspendidos, grasas, detergentes y fósforo , pH cercano a 7. Alta contaminación bacteriológica

LluviasAlto contenido de sólidos inorgánicos sedimentables. Bajo contenido de materia orgánica y nutrientes

INDUSTRIALESPresentan una alta variación que depende del tipo de industria y del grado de tecnificación de la misma

CARACTERÍSTICAS DEL AGUA RESIDUAL

Físicas Químicas Biológicas

ColorOlor TurbiedadSólidos Edad

pHAlcalinidadNitrógeno y fósforoSulfuros Gases (OD, H2S, CH4) Materia orgánica(Proteínas, carbohidratos G&A)

BacteriasVirus ProtozoariosHongos

Composición aproximada, %

Heces Orina

Humedad 66-80 93-96

Materia orgánica 88-97 65-85

Nitrógeno, P2O5 5-7 15-19

fosforo 3-5,4 2,5-5

Potasio, K2O 1-2,5 3-4,5

Carbono 44-55 11-17

calcio 4,5 4,5-6

Composición aguas residuales domesticas

Tipo de contaminante

Sistema de tratamiento

Sólidos flotantes (grasas) Sólidos suspendidos hidróxidos, pigmentos

Detergentes, compuestos fenólicos

Metales pesados: Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Hg, Al

Sólidos inorgánicos disueltos

Trampas de grasas-FAD

Sedimentación (con o sin ptos químicos

Adsorción con carbón activado , oxidación química

Precipitación química

Intercambio iónico

Tratamiento de aguas residuales industriales

Actividad industrial

Parámetros

Fabricación de cerveza Materia orgánica, detergentes

Curtido y preparado de cueros Sólidos, aceites y grasas, sulfuros, materia orgánica, color, metales pesados

Fabricación de textiles Sólidos, aceites y grasas, sulfuros, materia orgánica, color, detergentes

Proceso y fabricación de recubrimientos metálicos

Cianuros, aceites y grasas, color y metales pesados

Elaboración de productos químicos industriales

Materia orgánica, detergentes, fenoles , compuestos recalcitrantes

Beneficio de animales Sólidos, aceites y grasas, materia orgánica

Fabricación de papel Sólidos, sulfuros, materia orgánica, color

Plantas de fertilizantes Nitrógeno, fósforo

Petroquímica aceites y grasas, sulfuros.

ENFOQUES

TRADICIONAL NUEVO

1. Evacuar

2. Tratar sin recuperar

3. Tratar con recuperación

4. Reutilizar y reciclar

5. Reducir

6. Prevenir

1. Prevenir

2. Reducir

3. Reutilizar y reciclar

4. Tratar con recuperación

5. Tratar sin recuperar

6. Evacuar

Tto

al

final

del

tubo

Producción mas limpia

Aguas residuales

Principios generales de tratamiento

El tratamiento busca aprovechar al máxima la capacidad asimilativa y autopurificadora del cuerpo hídrico receptorLos objetivos de calidad del tratamiento son una tarea de la autoridad ambiental que debe consultar las posibilidades económicas y el establecimiento de etapas

El nivel de tratamiento dependerá de la limitaciones tecnológicas y de las condiciones locales para manejarlas.

Introducción al tratamiento de aguas residuales

Autopurificación

La capacidad asimilativa depende de la dilución, la degradación biológica, la sedimentación, la radiación solar y la aireación de la masa del cuerpo receptor

La determinación de la auto purificación implica un esfuerzo técnico científico apreciable y un conocimiento preciso de fuentes contaminantes

Introducción al tratamiento de aguas residuales

Niveles de tratamiento

Tratamiento preliminar :busca remover sólidos gruesos y arenas ,evitando problemas hidráulicos en el sistema de tratamiento y aumentando la eficiencia de las unidades posteriores

Tratamiento primario : Son principalmente procesos físicos que buscan la separación y remoción de sólidos suspendidos, decantables o flotantes , aceites y grasas y parte de la carga orgánica

Introducción al tratamiento de aguas residuales

Niveles de tratamiento

Tratamiento secundario: Proceso de eliminación de una fracción remanente de los sólidos en suspensión (SST) y de la materia orgánica remanente del tratamiento primario.

Tratamiento terciario : Primordialmente para remoción de nutrientes : (nitrógeno y fósforo ) y para pulimiento del efluente en materia orgánica, además remoción de metales pesados y pesticidas. Incluye TAOs, lagunas de maduración Tratamiento cuaternario (o avanzado ) : Para producir efluentes de alta calidad para reuso en acueductos. Incluye osmosis inversa, tecnología de membranas.

Introducción al tratamiento de aguas residuales

Procesos de tratamiento

Procesos biológicos: Eliminación de sustancias orgánicas biodegradables presentes .La eliminación de la carga orgánica y la estabilización se consiguen mediante la acción de los microorganismos. principalmente bacterias.

Procesos de tratamiento

Procesos naturales: Eliminación o conversión de contaminantes mediante la interacción del agua, el suelo , los microorganismos y la atmósfera combinada en forma natural controlada por procesos físicos, químicos y biológicos ..

•Tratamientos físicos : Eliminación o conversión de contaminantes mediante métodos en los que predominan las fuerzas físicas, por ejemplo : medición de caudales, desbaste, cribado, sedimentación, flotación , filtración

•Tratamientos químicos :Eliminación o conversión de contaminantes mediante la adición de productos químicos, o el desarrollo de reacciones químicas , los mas comunes son : neutralización, coagulación-floculación, oxidación y reducción

•Tratamientos biológicos: aerobios, anaerobios, facultativos

Tipos de tratamiento de aguas residuales

Tratamiento DBO %

DQO %

SST % N % P %

Primario 30-40 30-45 50-70 10-20 10-20

Secundario 85-95 80-90 80-90 20-50 20-70

Terciario >99 >90 >95 >90 >95

Cuaternario >99 >90 >99 >95 >95

Eficiencias de los tratamientos

Parámetros de calidad de agua

Parámetros aguas

residuales

Sólidos Materia orgánica Nutrientes

Clasificación de sistemas de tratamiento

Preliminar, primario, secundario, terciarioBiológico: crecimiento suspendido o adheridoAerobio o anaerobio

Contenido

Parámetros aguas

residuales

Sólidos Materia orgánica Nutrientes

Clasificación de sistemas de tratamiento

Preliminar, primario, secundario, terciarioBiológico: crecimiento suspendido o adheridoAerobio o anaerobio

Sólidos

TIPOS DE SÓLIDOS

Sólidos Totales - Sólidos Suspendidos- Sólidos disueltos - Sólidos Sedimentables- Sólidos Volátiles - Sólidos Fijos

-Sólidos Totales (ST): Se define como la materia que permanece como residuo después de la evaporación y secado a 103oC. Incluye material disuelto y no disuelto (sólidos suspendidos).

-Sólidos Disueltos (SDT) (residuos filtrable): Se deben principalmente a sales disueltas, son determinados directamente o por diferencia entre los sólidos totales y los sólidos suspendidos.

Existe una relación entre los SDT (mg/L)=(0,5-0,7)*K(uS/cm)

Sólidos

- Sólidos Suspendidos (SS) (residuos no filtrable o material no disuelto) : Son aquellos que son retenidos en la filtración. Estos se determinan a 103 -105oC.

- Sólidos Volátiles y Sólidos Fijos: En aguas residuales y lodos, es una medida de la cantidad de biomasa presente. El procedimiento consiste en llevar la muestra después de la determinación de sólidos totales a una temperatura de 550oC durante 15 minutos.

Sólidos

-Sólidos Sedimentables (SSED): se aplica a los sólidos en suspensión que sedimentaran bajo condiciones tranquilas por acción de la gravedad. -Sirve para establecer la necesidad del diseño de tanques de sedimentación como unidades de tratamiento y para controlar su eficiencia.

Sólidos

Prueba de 1 hora en un cono imhoff en ml/L-h.

SOLIDOS SUSPENDIDOS VOLATILES (550 oC)

SOLIDOSSUSPENDIDOS

( 103 oC)

SOLIDOS SUSPENDIDOS FIJOS (550 oC)

SOLIDOS TOTALES( 103 oC)

SOLIDOS DISUELTOSVOLATILES (550 oC)

SOLIDOS DISUELTOS

( 103 oC)

SOLIDOS DISUELTOSFIJOS (550 oC)

DETERMINACION DE SOLIDOS

SS=SSF+SSV

SD=SDF+SDV

Generalidades: Muchos organismos vivientes dependen del oxígeno de una u otra forma para mantener los procesos metabólicos, para producir energía necesaria en la reproducción y crecimiento.

. Las velocidades de oxidación biológica aumentan con la temperatura e igualmente la demanda de oxígeno.

Oxígeno disuelto

Concentracion de oxigeno 5mg/L peces como el salmonNormalmente: 4mg/LMinima 3mg/L: mojarra, tilapia

Los MO Son ávidos especialmente para el carbono, principal constituyente de la materia orgánica. Esta actividad de alimentación de los microorganismos se puede expresar en la siguiente ecuación:

M.Orgánica + Bacterias + O2 -------> CO2 + H2O + Aumento de Bacterias

Como puede verse el oxígeno que existe es básico para sostener la vida de microorganismos. De ahí resulta claro el porque se emplea el contenido de oxigeno como índice de contaminación de una corriente o un río.

Oxígeno disuelto

En desechos líquidos el oxigeno disuelto es un parámetro que determina si los cambios biológicos se llevan cabo por procesos aerobios o anaerobios.

Oxígeno disuelto

anaerobio anóxico aerobio

0,5 mg/L 2,0mg/L

Fotosintética:

Algas + CO2 + H2O+ Energía Solar -----> (CH20)m + O2

Entre los mayores efectos de la materia orgánica, se tiene el consumo de oxigeno.

Componentes de la materia orgánica:

Proteínas: 40-60% del AR, carbohidratos 25-50%Lípidos, úrea.

Las proteínas: compuestos de alto peso molecular presentes en casi todos los alimentos, contienen C, O, N en alta proporción.

Los Carbohidratos son polihidroxicompuestos, tales como azúcares, almidones, celulosa.

Materia orgánica

Los Lípidos: Grasas y/aceites de origen animal o vegetal.

Los agentes tensoactivos, son moléculas grandes presentes en los detergentes que causan problemas de espuma, además de que muchos compuestos son no biodegradables o biorefractarios.

Los fenoles causan problemas de olor y sabor, los plaguicidas y otros productos empleados en la agricultura son tóxicos para un gran número de microorganismos.

Materia orgánica

METODOS :GRUPO 1: Parámetros con demanda de

oxígeno Demanda Teórica de Oxigeno (ThOD) Demanda Química de Oxigeno (DQO) Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO)

GRUPO 2: Parámetros con contenido de carbón

Carbón Orgánico Teórico (ThOC) Carbono Orgánico Total (COT o TOC)

Materia orgánica

Es la cantidad estequiométrica de oxígeno necesario para oxidar completamente un compuesto determinado.

Se expresa en ppm O2. .Solo puede ser evaluado si se conoce el análisis químico completo del desecho o agua en cuestión. Esto generalmente no es posible, por ello su utilización es limitada.

Ejemplo: La oxidación de 1000 mg/l Lactosa.

C12 H24 O12 + 12 O2 ----> 12 CO2 + 12 H2O

Peso molecular Lactosa: 360 g/molPeso molecular Oxigeno: 32 g/mol

DTO = 1000 mg/l *___384 g O2 = 1066 ppm

O2

360 g Lactosa

Demanda teórica de oxígeno, DTO

Es el oxígeno requerido para la oxidación de la materia orgánica e inorgánica , por medio de un oxidante fuerte, en este caso el dicromato de Potasio en medio ácido. Permite evaluar la cantidad de oxigeno requerido para la oxidación de los compuestos presentes a CO2 y H2O.

Materia orgánica +Cr2O7= + H + → 2Cr+3 +CO2+H2O

El dicromato produce resultados reproducibles y es capaz de oxidar una gran variedad de sustancias orgánicas, excepto por ejemplo los hidrocarburos aromáticos y la piridina, (C5H5N).

Demanda química de oxígeno

Interferencias : cloruros y nitritos, se le adiciona sulfato de mercurio y sulfato de plata

2Cl-+Hg+2→HgCl2.

IMPORTANCIA:• Desempeño de sistemas de tratamiento de

aguas residuales.• Diseño de sistemas anaerobios• Parámetro de calidad de cuerpos de agua o

vertimientos

Demanda química de oxígeno

La DBO es el oxígeno requerido por los microorganismos para degradar la materia orgánica biodegradable en condiciones aerobias.

En aguas residuales el valor de la DBO5 (ensayo

realizado en 5 días) representa en promedio el 65 - 70% del total de la materia orgánica oxidable. La DBO, como todo ensayo biológico, requiere cuidado especial en su realización, así como conocimiento de las características esenciales que deben cumplirse, con el fin de obtener valores representativos confiables.

Demanda bioquímica de oxígeno

Durante el ensayo de la DBO se debe garantizar:

Suficiente Oxigeno Disuelto (mayor de 2 ppm) Condiciones ambientales adecuadas para el

desarrollo de los microorganismos Proporcionar lo nutrientes necesarios para el

desarrollo bacterial como N y P. Eliminar cualquier sustancia tóxica de la muestra Que exista una poblacion de organismos suficiente

en cantidad y en variedad de especies (comúnmente llamada “Inoculo”)

Demanda bioquímica de oxígeno

La oxidación del material nitrogenado también contribuye a la demanda de oxígeno, si la incubación se lleva a cabo el suficiente tiempo. Esta oxidación toma lugar en dos etapas:

El ion amonio NH4+ es oxidado a nitritos en presencia

de nitrosomas según:

2 NH4+ + 3O2 ------> 2NO2

- + 2H2O + 4H+

Los nitritos producidos son oxidados en presencia de las nitrobacterias.

2 NO2- +O2 -------> 2NO3

-

Nitrificación de la DBO5

La velocidad de reacción de nitrificación es similar a la obtenida para la DBO carbonácea, pero con valores mas bajos que en la oxidación de la materia carbonacea, normalmente la etapa de nitrificación comienza cuando la demanda de oxigeno carbonacea se ha completado parcialmente. En el siguiente gráfico se puede observar el comportamiento de la DBO en sus dos fases:

DBO CARBONACEA

NITRIFICACION NH4 ---->NO2---> NO3

DBO

5 días Tiempo

DBO MEDIA

Nitrificación de la DBO5

Este ensayo esta basado en la oxidación del carbón de

la materia orgánica a CO2 y determinando el CO2 por

absorción en solución de KOH o por análisis infrarrojo, el primero se denomina método húmedo y el segundo se efectúa en analizadores de COT.

El primer método consiste en oxidar la muestra en una solución de dicromato de potasio, ácido sulfúrico, iodato de potasio y ácido fosfórico, los productos de oxidación se hacen pasar a través de un tubo que contiene hidróxido de potasio , siendo determinado

el CO2 por peso antes y después del bulbo con el

medio absorbente.

Carbono orgánico total

NitrógenoN amoniacal N de nitritosN de nitratosN orgánico

• Fósforo • Ortofosfatos: HnPO4

n-

3

• Polifosfatos: P-O-P• Fosfatos orgánico:Fosfatos azucarados,

nucleótidos

Nutrientes

Nitrógeno amoniacal

Nitrificación

Desnitrificación

Urea

NHONHC bacterias 422 )(

OHHNOONO

OHHNOONHrNitrobacteB

asNitrosomonB

23

.

22

22

.

23

2222

22232

223 NNONO

Nutrientes

N amoniacal N nitritos

Plantas y bacterias

N orgánico NH3 gas N2 gas

N nitratos

Amonificación

AsimilaciónAsimilación

Exsolucion Desnitrificación

Nutrientes

TIPO DE AGUA CONCENTRACION (mg/L P)

Aguas naturales 0.01-1

Lagos 0.01-0.04

Agua residual doméstica

1-15

Fósforo

•Cribado: sólidos gruesos

•Desarenado: arenas , sólidos

•Desengrasado: grasas, material flotante

•Igualación: homogeneización de caudales

Tratamiento preliminar

Grueso: Espacio entre barrotes : 4-10 cm para sólidos voluminosos

Limpieza manual: 45-60ºLimpieza automática 60-90

Medio : Espacio entre barrotes: 2-4 cm

Fino: Espacio entre barrotes: 1-2 cm

Cribado

SST 5-10%

Con sistema de inyección de aire : 40-60 % de grasas

Desarenadores

Trampas de grasas

•Minimizar cargas de choque

•Diluir sustancias inhibidoras

•Estabilizar pH

Variación horaria del caudal

00,020,040,060,08

0,10,120,140,160,18

0,2

0 5 10 15 20 25

Tiempo (h)

Ca

ud

al (

L/s

)

Tanques de homogeneización

Legislación vigente

• Decreto 3930 de 2010 : Permisos de vertimiento, planes de manejo

• tasas retributivas: Decreto 901, decreto 3100 de 2003, decreto 3440 de 2004: Se paga por los parámetros DBO5 y SST

Decreto 1594 de 1984

Referencia Usuario existente Usuario nuevo

pH 5 a 9 unidades 5 a 9 unidades

Temperatura   maximo 40°C   máximo 40°C

Material flotante Ausente Ausente

Grasas y aceites Remoción  80% en carga

Remoción  80% en carga

Sólidos suspendidos, domésticos o industriales

Remoción  50% en carga

Remoción   80% en carga

Demanda bioquímica de oxígeno:

Para desechos domésticos Remoción  30% en carga

Remoción  80% en carga

Para desechos industriales Remoción 20% en carga

Remoción  80% en carga

Artículo  72. Todo vertimiento a un cuerpo de agua deberá cumplir lo siguiente

Decreto 1594 de 1984

REFERENCIA VALOR

pH 5 a 9 unidadesTemperatura Máximo 40°CAcidos, bases o soluciones ácidas o básicas que puedan causar contaminación; sustancias explosivas o inflamables

Ausentes

Sólidos sedimentables Máximo  10 ml/LSustancias solubles en hexanoGrasas y aceites

máximo  100 mg/L

Artículo  73. Todo vertimiento a un alcantarillado público deberá cumplir, por lo menos, con las siguientes normas:

Decreto 1594 de 1984

REFERENCIA 

Valor Usuario existente Usuario nuevo

Sólidos suspendidos para desechos domésticos e industriales

Remoción  50% en carga Remoción 80% en carga

Demanda bioquímica de oxígeno:

   

Para desechos domésticos Remoción  30% en carga Remoción  80% en carga

Para desechos industriales Remoción  30% en carga Remoción  80% en carga

Caudal máximo 1.5 veces el caudal promedio horario

 

Artículo  73. Todo vertimiento a un alcantarillado público deberá cumplir, por lo menos, con las siguientes normas:

Bibliografía

Romero Rojas, Jairo Alberto. Calidad del agua. Ed ECI .Bogotá 2002 Wastewater Treatment . Lecture Notes. IHE, Holanda, 2001Metcalf and Eddy, Tratamiento de aguas residuales, 1995