Unidad 6. Esquemas Convencionales de Tratamiento de Aguas Residuales Biologicos

Fundamentos de Aguas Residuales

Unidad 6. Esquemas Convencionales de Tratamiento de Aguas Residuales Página 1

Unidad 6. Esquemas convencionales para

el saneamiento de aguas residuales

- Sistema Aerobio

- Sistema Anaerobio

- Sistema Natural

- Sistema Aerobio-Natural

- Sistema Aerobio-Anaerobio



Esquema para el saneamiento de agua residual.

La evolución histórica ha hecho que se distingan diferentes etapas de tratamiento que

corresponden al nivel de pre tratamiento, primario, secundario o biológico y terciario

o avanzado.

Etapa Proceso

Pre-tratamiento

- Cribado

- Flotación

- Des arenación

Primario - Sedimentación

- Re oxigenación

Secundario - Procesos biológicos

- Coagulación-floculación

Terciario/avanzado

- Filtración

- Remoción De N Y P

- Remoción De Detergente

Complementario - Desinfección

Los procesos descritos en la tabla anterior son los “comunes” pera el tipo de

contaminante indicado, pero existen otras posibilidades cuya aplicación depende del

factor económico. De igual forma, aunque un proceso tenga una aplicación principal,

en realidad remueve un amplio grupo de compuestos, no necesariamente todos los

contaminantes.



Actualmente, es posible encontrar esquemas donde no se distinguen en forma clara las

etapas, debido al desarrollo de ¨sistemas compactos¨ de menor costo, pero a

costumbre hace que se sigan clasificando los sistemas bajo este patrón, particularmente

en el caso de las aguas residuales. Adicionalmente, existen los procesos

complementarios que sirven para apoyar el proceso principal de eliminación y que se

aplican en cualquier nivel de tratamiento.

Sistemas para el saneamiento de aguas residuales.

Contaminante Proceso/sistema/operación

Solidos suspendidos

- Sedimentación

- Desarenacion

- Cribado O Filtrado

- Filtración

- Flotación

- Cuagulacion-Floculacion

- Disposición En Terreno

Compuestos orgánicos biodegradables

- Sistemas Biológicos Con Biomasa

Suspendida (Por Ejemplo: Lodos

Activados)

- Sistemas Biológicos Con Biomasa

Fija(Por Ejemplo: Filtro Sumergido)

- Filtracion Lenta


Patógenos

- Cloración

- Ozonacion

- Uv

- Radiacion

- Disposicion En Terreno

- Desinfeccion En Terreno

- Desinfeccion Solar

- Filtracion Lenta

Nitrógeno

- Nitrificacion-Desnitrificacion Biológica

- Desorcion

- Intercambio Ionico

- Cloración


Fosforo

- Precipitacion

- Remocion Biológica y Precipitación

Química


Compuestos orgánicos refractarios

- Adsorcion Con Carbón Activado

- Ozonacion


Metales pesados

- Precipitacion

- Intercambio Iónico


Solidos disueltos - Procesos De Membrana

- Intercambio Iónico



Criterios de selección.

La selección de los procesos y operaciones que conforman un sistema de tratamiento

dependen de:

- La composición del agua residual

- El caudal

- El uso del efluente trabajo o del requerimiento legislativo

- La compatibilidad entre los diferentes procesos y operaciones

- La disponibilidad de la tecnología y el terreno

- La factibilidad económica de las diferentes combinaciones

De lo anterior, se desprende que existe un gran número de posibilidades para tratar el

agua. Pero, además, para tener un proceso realmente eficiente e integral (que no dañe

al ecosistema) es necesario tomar en cuenta el tratamiento y la disposición de los

subproductos generados (lodos). Bajo esta óptica, la selección no parece sencilla, por

lo que se recomienda antes de invertir, efectuar un estudio de trazabilidad que

confirme que se alcanza el nivel deseado al menor costo.

Procesos biológicos:

Estos procesos pueden ser de cuatro tipos: aerobios, anaerobios, atóxicos y

facultativos, los procesos aerobios son los que requieren oxigeno disuelto; en cambio,

en los anaerobios hay ausencia de este. Los anoxicos se llevan acabo en presencia de

oxigeno combinado. En denominados facultativos, que son indiferentes a la presencia o

ausencia de oxigeno.

Sistema con biomasa suspendida: en estos sistemas los microorganismos

se encuentran libres dentro del tanque. Tienen la ventaja de que han sido muy

aplicados por lo que fácilmente se encuentra información sobre ellos. El mayor

inconveniente es que, frecuentemente, tienen problemas de decantación, por

ello los microorganismos se escapan con el efluente. Requieren, además, de

energía para realizar el mezclado del contenido del tanque.

Sistemas con biomasa fija: en estos sistemas los microorganismos se encuentran adheridos un soporte. Tienen, por regla general, menor volumen

que los sistemas con biomasa suspendida y producen floculos con alto grado de

sedimentabilidad. Las versiones más modernas de estos procesos-que ofrecen

varias ventajas- son poco aplicadas en México.



Principales tipos de procesos Biológicos

Biomasa suspendida

Aerobios

- Lodos activados

- Lagunas aireadas

- Lagunas de oxidación de

alta tasa

- Nitrificación

Anoxicos

- Tipo de lodos activados

- Reactor de lecho

ascendente

Anaerobios

- Digestor de alta tasa

- Contacto anaerobio

- Reactor de lecho de

lodos con flujo

ascendente

Biomasa fija

Aerobios

- Filtro percolador

- Disco biológico rotatorio

- Filtro sumergido

- Lecho fluidificado

Anoxicos

- Filtro sumergido



Anaerobios

- Filtro anaerobio


sumergido

- Laguna anaerobia


Combinado - Uso de suelo con

método de tratamiento

Sistema aerobio: la tecnología del tratamiento por agua residual por vía aérea esta

bien desarrollada y es, sin duda, la mas comúnmente aplicada. La experiencia

acumulada y la alta eficiencia en la remoción de materia orgánica son algunas de las

razones de su aceptación.

Procesos de oxidación biológica la oxidación biológica es el mecanismo mediante el

cual los microorganismos degradan la materia orgánica contaminante del agua residual.

De esta forma, estos microorganismos se alimentan de dicha materia orgánica en

presencia de oxígeno y nutrientes, de acuerdo con la siguiente reacción:

materia orgánica + microorganismos + nutrientes + O2 =>productos finales

+ nuevos microorganismos + energía

Reacciones de síntesis o aislamiento consisten en la incorporación del alimento

(materias orgánicas y nutrientes) al interior de los microorganismos. Estos

microorganismos al obtener suficiente alimento no engordan, sino que forman nuevos

microorganismos reproduciéndose rápidamente. Parte de este alimento es utilizado

como fuente de energía.

La reacción que ocurre es la siguiente: materia orgánica (CHNO)O2 bacterias



sustancias del interior bacteriano (C5H7NO2) energía.

Reacciones de oxidación y respiración endógena los microorganismos al igual que

nosotros, necesitan de energía para poder realizar sus funciones vitales (moverse,

comer etc.), dicha energía la obtienen transformando la materia orgánica asimilada y

aquella acumulada en forma de sustancias de reserva en gases, agua y nuevos

productos.

Después de un tiempo de contacto suficiente entre la materia orgánica del agua

residual y los microorganismos (bacterias), la materia orgánica del medio disminuye

considerablemente transformándose en nuevas células, gases y otros productos. Este

nuevo cultivo microbiano seguirá actuando sobre el agua residual. A todo este

conjunto de reacciones se les denomina de oxidación biológica, porque los

microorganismos necesitan de oxígeno para realizarlas.

El substrato, generalmente también se tienen que eliminar del agua residual los

compuestos de nitrógeno como el amonio y los nitratos. Un grupo de

microorganismos convierten primero el amonio en nitrato (nitrificación).

Otro grupo de microorganismos reduce luego el nitrato a nitrógeno elemental (des

nitrificación).

El nitrógeno producido escapa entonces como gas a la atmósfera. Existen dos

tecnologías: los procesos biopelícula y los de lodos activados.

Sistema anaerobio: proceso biológico de las aguas residuales (domesticas o

industriales) mediante el cual los organismos catabolizan y asimilan sus alimentos en

ausencia de oxigeno. Se produce en ambientes naturales como:

Pantanos

Zonas anegadas para el cultivo de arroz

Sedimentos de lagos y mares

Zonas anóxicas del suelo

Fuentes de aguas termales sulfurosas y en el tracto digestivo de los rumiantes Contaminantes Orgánicos Microorganismos anaerobios

CO2 + CH4 (Biogás)

Materia degradada en disolución

Nuevos microorganismos

Requiere la intervención de diversos grupos de bacterias facultativas y anaerobias

estrictas, las cuales utilizan en forma secuencial los productos metabólicos generados

por cada grupo. La digestión anaerobia de la materia orgánica involucra tres grandes

grupos tróficos y cuatro pasos de transformación:

1. Hidrólisis. Grupo I: bacterias hidrolíticas

2. Acidogénesis. Grupo I: bacterias fermentativas

3. Acetogénesis. Grupo II: bacterias acetogénicas

4. Metano génesis. Grupo III: bacterias metano génicas

Es posible por medio de reacciones asociadas al metabolismo de distintos

microorganismos. + CO2

Ventajas Bajos costos de inversión y operación. Alta eficiencia de tratamiento



Producción de una fuente de energía que puede servir calentar el agua residual hasta la

temperatura de operación. Necesidad de espacio relativamente pequeño para las

instalaciones debido a la aplicación de altas velocidades de carga orgánica. Baja

producción de lodo en exceso.

Desventaja Insuficiente generación de alcalinidad y metano cuando se depuran aguas

residuales muy diluidas. Cinética lenta a bajas temperaturas. Ciertos compuestos como

NH4+, PO43- y S2 quedan en disolución. Por este motivo, si es necesario, se tiene que

usar un tratamiento posterior.

Aplicaciones de la tecnología anaerobia de alta velocidad Aguas residuales de: Industria

cervecera y de bebidas Industria de alimentos Industria papelera Destilerías de alcohol

e industria de fermentación. Nuevas aplicaciones de la tecnología anaerobia de alta

velocidad: Aguas residuales de: Industria textil Industria química y petroquímica En

lugares de climas cálidos, pueden utilizarse para el tratamiento de agua residual

doméstica.

El empleo de bacterias heterótrofas y autótrofas. Gujer y Zenhder (1983). Propusieron

seis etapas para la degradación anaerobia de compuestos de alto peso molecular:

- Hidrólisis de proteínas, lípidos y carbohidratos

- Fermentación de azúcares y aminoácidos.

- Oxidación anaerobia de ácidos grasos de cadena larga y alcoholes.

- Oxidación anaerobia de intermediarios como ácidos grasos volátiles.

- Conversión de acetato a metano.

- Conversión de hidrogeno a metano.

Por otro lado, la energía contenida en el metano producido puede ser utilizada como

energía calorífica directamente o transformada en mecánica o eléctrica según las

necesidades existentes en el sitio y, siempre y cuando, se produzca en grandes

cantidades que hagan interesante, desde el punto de vista económico, la instalación

requerida.

El proceso anaerobio funciona en dos intervalos de temperatura: el mesofilico de 20º a

38º C y el termofílico de 50º a 60º C, siendo las velocidades de reacción mas altas en

este ultimo, pero mas difíciles de operar en la practica. En cuanto al PH, se desarrolla

en un intervalo de entre 6.2 y 7.8 con un óptimo cerca de 7. Las condiciones del medio en PH bajo son, frecuentemente, dañinas a la población metanogenica y la

inhibición empieza con PH de 6. Así, el control del PH es fundamental para mantener

el crecimiento bacteriano, asegurar la metalogénesis y mantener el proceso de

degradación eficiente. Este control se logra mediante la adición d alcalinidad.

El azufre en su forma de ionizada, los metales pesados, detergentes, desinfectantes,

preservadores y productos farmacéuticos, etc. También tienen efectos negativos

considerables sobre el proceso metano génico.



La evolución de la tecnología anaerobia a dado lugar a tres generaciones de reactores.

La primera comprende aquellos procesos en donde la biomasa se encuentra en

suspensión. Los reactores de la segunda generación tienen como característica

fundamental que los microorganismos son detenidos en el reactor, ya sea por medio

de un soporte en el cual se adhieren en forma de biopelicula (filtro anaerobio), o bien,

por las propiedades de sedimentación que posee. Los reactores de tercera generación

tienen también microorganismos en forma de biopelicula, pero el soporte se expande

o fluidifica con altas velocidades de flojo, en ocasiones, estos sistemas son diseñados

sin sedimentador secundario. En la actualidad los reactores más utilizados son los de

segunda generación, pues los de la primera tienen la desventaja de ocupar mayor

volumen y tener eficiencia de operación baja, mientras que los reactores de tercera

generación tienen pocas realizaciones prácticas.

Sistema natural (laguna): las lagunas de estabilización son consideradas como de uso

muy generalizado ya que su desarrollo y aplicación son sencillos aunque algunas lagunas

de estabilización no han producido los resultados deseados debido a su diseño

empírico y falta de mantenimiento, en general, el éxito de este tipo de tratamiento es reconocido.

Las lagunas de estabilización son recomendables para lugares con condiciones

climatológicas adecuadas, en climas cálidos y semi- cálidos, en áreas con bajo costo de

terreno y de fácil excavación, cuando la carga orgánica tiene grandes variaciones y

donde hay presupuesto limitado. Estos requerimientos aunados al relativo bajo nivel de

mantenimiento y operación, las hacen aptas para pequeñas poblaciones. Este proceso

cuesta alrededor de entre 10% y 40% de la inversión inicial de los procesos

convencionales. Su aplicación esta muy expandida a nivel mundial. Sin embargo, no se

recomienda para terrenos con costos de excavación e impermeabilización elevados,

zonas con elevada evaporación o con fallas de disponibilidad en el terreno. Existe una

versión mejorada que consiste en aplica aeración artificial, ya que se trata de

instalaciones en Alaska que tiene buen funcionamiento.



El tratamiento ocurre por la oxidación de la materia orgánica debido a las bacterias y

al suministro de oxigeno que aportan las algas, este proceso se efectúa d manera

simbiótica, ya que las bacterias tienen la propiedad de degradar la materia orgánica

compleja y producir bióxido de carbono, el cual sirve de fuente de carbono para las

algas. El oxigeno producido por las algas puede no ser suficiente para el proceso de

degradación por lo que, en ocasiones, se colocan aeradores superficiales.

La mayoría de las lagunas de estabilización se convierten en sistemas facultativos y se

asemejan en su comportamiento a los ríos o lagos. En efecto, las condiciones aerobias

se mantienen, generalmente cerca de la superficie y, algunas veces, hasta lo mas

profundo de la laguna. Sin embargo, por lo general, debido a la presencia de materia

orgánica sedimentable, las condiciones anaerobias prevalecen en el fondo.

Los tipos de modificaciones del sistema de lagunas son variados. Las lagunas se

clasifican como:

- Anaerobias

- Aerobias

- Facultativas

- Aerobias-aeradas

- Facultativas-aeradas

Lagunas facultativas (aerobio-natural): son aquellas en las cuales la parte superior

permanece aerobia mientras que en la inferior no hay oxigeno disuelto, la mayoría de

las lagunas de estabilización existentes son del tipo facultativo. En efecto, casi todas

contienen materia sedimentada que conforma una capa bentónica anaerobia. En el caso

de una laguna que recibe aguas residuales crudas, el volumen de la materia

sedimentable puede ser considerable; en cambio, en un sistema de lagunas conectadas

en seria, la carga de materia sedimentable decrece en la medida que pasa a lo largo del

sistema.



Tratamientos naturales de aguas residuales Bajo la denominación de sistema natural de

depuración se engloban aquellos procedimientos o técnicas en los que la eliminación

de las sustancias contaminantes presentes en las aguas residuales urbanas se produce

por componentes del medio natural, sin emplearse en el proceso ningún tipo de

aditivo químico. En todos ellos, el efecto depurador se debe a la acción combinada de

la vegetación, del suelo y de los microorganismos presentes en ambos, y en menor

medida, a la acción de plantas y animales superiores. Clasificación de los Tratamientos

Naturales Habitualmente y dependiendo del investigador, los tratamientos naturales se

diferencian en dos grande grupos: Método de Tratamiento mediante la aplicación del

agua sobre el terreno Sistemas Acuáticos

- Métodos de aplicación sobre el terreno Dentro de los métodos de aplicación sobre

el terreno encontramos: Filtro verde: Consiste básicamente en la aplicación de un

caudal controlado de agua residual sobre la superficie del terreno, donde previamente

se ha instalado una masa forestal o un cultivo. Fernández González, 2004 Sevilla,

España.

- Métodos de aplicación sobre el terreno EPA, 1991 EPA, 1981 Filtro Verde. Formas

de Aplicación.

- Métodos de aplicación sobre el terreno Infiltración rápida: Se define como la

aplicación controlada del agua residual sobre balsas superficiales construidas en suelos

de permeabilidad media a alta (con una capacidad de infiltración que oscila entre 10 y

60 cm/día) EPA, 1991 Moreno Merino, 2003.

- Métodos de aplicación sobre el terreno Infiltración rápida: El agua residual se aplica al

terreno en tasas elevadas, bien por extensión en lagunas o bien por aspersión,

alternando periodos de inundación con periodos de secado. La aplicación se realiza de forma cíclica para permitir la regeneración aerobia de la zona de infiltración y

mantener la máxima capacidad de tratamiento. EPA, 1981.

- Métodos de aplicación sobre el terreno Escorrentía Superficial: La técnica consiste en

forzar la escorrentía del agua residual, mediante riego por circulación superficial en

láminas, sobre un suelo previamente acondicionado (en pendiente y con vegetación no

arbórea), alternando periodos de riego con periodos de secado; dependiendo la

duración de cada fase de los objetivos de tratamiento. Metcalf & Eddy, 1991.

- Métodos de aplicación sobre el terreno EPA, 1981 Escorrentía Superficial.

- Métodos de aplicación sobre el terreno Zanjas de Infiltración: Sistema de depuración

que consiste consistente en un conjunto de líneas de tuberías de 10 cm de diámetro

(4”) tendidas de tal forma que el afluente se distribuya con una uniformidad razonable

en el suelo natural. EPA, 1991.

- Métodos de aplicación sobre el terreno Romero Rojas, 2000 Zanjas de Infiltración:

Sección Típica.



- Métodos de aplicación sobre el terreno Lechos filtrantes: Los lechos de infiltración

son zanjas de anchos mayores de 90 cm, que pueden contener más de una línea de

tuberías de distribución. En este caso se considera que la superficie principal de

infiltración para el diseño es el área del fondo del lecho Moreno Merino, 2003 Romero

Rojas, 2000.

- Métodos de aplicación sobre el terreno Pozos filtrantes: Los pozos de infiltración son

excavaciones profundas usadas para disposición subsuperficial de aguas residuales pre

tratadas. Las paredes del pozo se construyen en ladrillo, bloques, anillos o materiales

prefabricados colocados a junta abierta, rodeados de grava o piedra triturada. El agua

residual entra en el pozo y se infiltra a través de las paredes laterales. Romero Rojas,

2000.

- Métodos de aplicación sobre el terreno Filtros de Arena: Se pueden clasificar como

intermitentes en los cuales, las aguas a depurar se vierten intermitentemente mediante

tuberías de distribución en un filtro granular de entre 0,5 y 1,0 m de espesor y los

filtros con recirculación, en los cuales, el agua recogida en el sistema de drenaje se

vierte de nuevo en el filtro mezclada con agua nueva sin depurar. Consiste

básicamente en la aplicación de aguas residuales a un lecho de material granular (arena)

el cual es drenado para recoger la descarga en un efluente final. Romero Rojas, 2000.

- Métodos de aplicación sobre el terreno Lecho de Turba: El sistema está formado por

lechos de turba a través de los cuales circula el agua residual. Cada lecho descansa

sobre una delgada capa de arena, soportada, a su vez, por una capa de grava. El

efluente se recoge a través de un dispositivo de drenaje situado en la base del sistema.

Aerobio facultativo (aerobio-anaerobio): los sistemas múltiples o aerobio anaerobio

forman un tratamiento más económico y seguro que los sistemas convencionales y se diseñan de la misma forma que los sistemas individuales.

Se pueden establecer distintas combinaciones de los tipos de lagunas en función de las

características del agua a tratar, de las exigencias del efluente y de la disponibilidad de

terreno básicamente.

El establecimiento de líneas en paralelo es interesante en el caso de que exista fuerte

estacionalidad y es útil en algunas primarias para evitar problemas de funcionamiento,

facilitar el secado y limpieza de todos.

Los sistemas en serie se aceptan cuando se tiene disponibilidad de terreno y cuando, a

partir de un balance económico, se obtiene un volumen mínimo total. En general, en la

primera laguna el volumen es minimizado para mantener la temperatura, la

concentración de solidos y la tasa de reacción de la DBO en niveles altos. La segunda,

generalmente facultativa, tiene bajo requerimiento energético que permite la

sedimentación de los solidos y su descomposición en el fondo.



Para la remoción de coliformes fecales se emplea alguna maduración al final, así mismo,

cuando se desea baja concentración de solidos suspendidos en el efluente se emplea

un tanque de sedimentación, el cual debe cumplir con los siguientes objetivos:

Un tiempo de retención suficiente para alcanzar la remoción deseada

Volumen adecuado para el almacenamiento del lodo

Crecimiento mínimo de algas

Olores mínimos por la actividad anaerobia

BIBLIOGRAFIA.

1. Martínez Martin Carmen, Tratamiento Biológico de Aguas Residuales,

Editorial Universidad Politécnica de Valencia, Edición 2008, Valencia España

2. R. S. Ramalho, Tratamiento de aguas residuales, editorial Reverte, Última edición.

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