Aguas Residuales Ingenieria Quimica Feb 14
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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