funza ptap

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IMPLEMENTACIÓN DE UNA UNIDAD PILOTO EN EL ACUEDUCTO DE FUNZA PARA EVALUAR LA REMOCIÓN DE COMPUESTOS NITROGENADOS DEL AGUA SUBTERRÁNEA EN CONDICIONES DE OPERACIÓN CAMILO ANDRÉS GAONA VILLAMIZAR IRINA CATALINA SUESCÚN DOMINGUEZ UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA ÁREA DE TRATAMIENTO DE AGUAS BOGOTA DC 2007

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  • IMPLEMENTACIN DE UNA UNIDAD PILOTO EN EL ACUEDUCTO DE FUNZA PARA EVALUAR LA REMOCIN DE COMPUESTOS

    NITROGENADOS DEL AGUA SUBTERRNEA EN CONDICIONES DE OPERACIN

    CAMILO ANDRS GAONA VILLAMIZAR

    IRINA CATALINA SUESCN DOMINGUEZ

    UNIVERSIDAD DE LA SALLE

    FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA

    REA DE TRATAMIENTO DE AGUAS

    BOGOTA DC

    2007

  • IMPLEMENTACIN DE UNA UNIDAD PILOTO EN EL ACUEDUCTO DE

    FUNZA PARA EVALUAR LA REMOCIN DE COMPUESTOS NITROGENADOS DEL AGUA SUBTERRNEA EN CONDICIONES DE

    OPERACIN

    CAMILO ANDRS GAONA VILLAMIZAR IRINA CATALINA SUESCN DOMINGUEZ

    Trabajo de grado para optar al ttulo Ingeniero Ambiental y Sanitario

    Director ROBERTO BALDA AYALA MSc. Ingeniera Sanitaria

    UNIVERSIDAD DE LA SALLE

    FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA

    REA DE TRATAMIENTO DE AGUAS

    BOGOTA DC

    2007

  • Nota de aceptacin

    ____________________

    Director

    ___________________

    Jurado

    ____________________

    Jurado

    Bogota DC_________da,________ mes,______ao,________

  • Ni la Universidad, ni el Jurado

    calificador son responsables de las

    ideas expuestas en este

    documento.

  • AGRADECIMIENTOS

    A Dios, a nuestras familias por el apoyo y la paciencia durante todos estos

    aos, al ingeniero Roberto Balda por su dedicacin, al ingeniero Nestor

    Mancipe, a la Empresa de Acueducto de Funza, en especial al ingeniero

    Carlos Hctor Espinoza, Jimmy Riao, Benjamn Riao, a los operarios, y a

    todos ellos que nos colaboraron amable y desinteresadamente para poder

    llevar a feliz trmino esta investigacin, y a ti lector, motivador esencial y por

    el que tiene sentido todo nuestro trabajo.

  • CONTENIDO

    OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN ......................................................... 12

    RESUMEN................................................................................................ 14

    GLOSARIO............................................................................................... 16

    INTRODUCCIN...................................................................................... 21

    1. COMPUESTOS NITROGENADOS EN AGUAS SUBTERRANEAS......... 23

    1.1. Fuentes de compuestos nitrogenados en aguas

    subterrneas.23

    1.2. Afectaciones a la salud por presencia de compuestos nitrogenado .. 25

    1.3. Medidas para el tratamiento de compuestos nitrogenados en aguas

    subterrneas27

    1.3.1. Tratamientos con resinas de intercambio inico ....................... 27

    1.3.2. smosis Inversa........................................................................ 29

    1.3.3. Electrodilisis ........................................................................... 30

    1.3.4. Tratamiento biolgico para desnitrificacin ............................... 31

    1.3.4.1. Proceso de lodos activados en un Reactor de Carga Secuencial

    (SBR).................................................................................................... 35

    2. EMPRESA MUNICIPAL DE ACUEDUCTO, ALCANTARILLADO Y ASEO

    DE FUNZA - EMAAF ESP .41

    2.1. Ubicacin. 41

    2.2. Caractersticas fsicas 41

    2.3. Requerimientos y usos del agua...42

    2.4. Fuentes de abastecimiento de agua 44

    2.4.1. Pozo 1..... 44

    2.4.2. Pozo 2.. 45

    2.4.3. Empresa de acueducto y alcantarillado de Bogot ...46

  • 2.5. Descripcin de las plantas de tratamiento de agua potable.49

    2.5.1. Etapa de aireacin...50

    2.5.2. Etapa de oxidacin qumica...51

    2.5.3. Etapa de coagulacin.....52

    2.5.4. Planta compacta en lamina (Unipack).....53

    2.5.4.1. Floculacin ..53

    2.5.4.2. Sedimentacin..55

    2.5.4.3. Filtracin....56

    2.5.5. Planta convencional en concreto..58

    2.5.5.1. Floculacin....58

    2.5.5.2. Sedimentacin..59

    2.5.5.3. Etapa de filtracin....60

    2.5.5.4. Etapa de precloracin y desinfeccin...61

    3. INVESTIGACIONES ADELANTADAS POR LA EMAAF ESP PARA LA

    REMOCIN DE COMPUESTOS NITROGENADOS.63

    4. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIN ................................................. 66

    4.1. Etapa de Diseo ............................................................................... 66

    4.1.1. Caudal de diseo.....67

    4.1.2 Necesidad de oxgeno para el reactor SBR ............................... 67

    4.1.3. Suministro de aire...................................................................... 68

    4.1.4 Dimensionamiento y descripcin de los reactores ...................... 69

    4.2. Etapa de pre-arranque....73

    4.2.1. Volumen de lodos inoculados....75

    4.2.2. Relacin F/M....76

    4.2.3. Mtodos de medicin de parmetros...77

    4.3. Etapa de operacin..78

    5. ANALISIS DE DATOS.82

    5.1. Anlisis estadstico de los datos....................................................... 82

    5.1.1. Anlisis de los lmites especficos y de tolerancia para el

    Nitrito.86

  • 5.1.2. Anlisis de los lmites especficos y de tolerancia para el

    Amonio...................................................................................................88

    5.1.3. Anlisis de los lmites especficos y de tolerancia para el

    Nitrato91

    5.2. Anlisis de la calidad del efluente de los reactores ......................... 93

    5.2.1. Anlisis fsico-qumico a la salida del reactor ........................... 93

    5.2.1.1. Test de Jarras......................................................................... 94

    6. ACTIVIDADES DE CAPACITACION ..98

    7. ANALISIS DE COSTOS DEL SISTEMA A ESCALA REAL .................... 999

    7.1. Introduccin ..................................................................................... 999

    7.2. Diseo ............................................................................................... 99

    7.2.1. Caudal de diseo.....99

    7.2.2. Necesidad de oxgeno para el reactor SBR a escala real ........ 100

    7.2.3. Suministro de aire para el reactor SBR a escala real....100

    7.2.4. Dimensionamiento de los reactores a escala real ................... 101

    7.2.5. Operacin de los reactores a escala real ................................. 101

    7.3. Valoracin de costos ...................................................................... 102

    7.3.1. Anlisis financiero del proyecto a escala real .......................... 105

    7.4 Ventajas y desventajas de la implementacin del SBR en la EMAAF

    ESP ........................................................................................................ 108

    8. CONCLUSIONES ................................................................................... 109

    9. RECOMENDACIONES........................................................................... 111

    BIBLIOGRAFA........................................................................................... 112

  • LISTA DE TABLAS

    Tabla 1. Fuentes de compuestos nitrogenados ...............................................23

    Tabla 2. Caracterizacin fsico- qumico del agua del Pozo 1 ..........................45

    Tabla 3. Caracterizacin fsico-qumica del agua del Pozo 2 ...........................46

    Tabla 4. Resultados de las Pruebas para remover amonio .............................65

    Tabla 5. Caractersticas del efluente.................................................................66

    Tabla 6. Datos para determinar el oxgeno requerido.......................................67

    Tabla 7. Parmetros de diseo para determinar capacidad del soplador .........68

    Tabla 8. Dimensiones del SBR .........................................................................70

    Tabla 9. Tcnicas empleadas para la medicin de parmetros .......................77

    Tabla 10. Operacin de reactores.....................................................................78

    Tabla 11. Concentraciones de compuestos nitrogenados a la salidad del

    reactor...............................................................................................................83

    Tabla 12. Anlisis estadistico de datos .............................................................84

    Tabla 13. Resultados caracterizacin del efluente del reactor vs pozo ............94

    Tabla 14. Resultados de ensayo de jarras luego de pasada el agua por el

    SBR con dosis de sulfato de aluminio 110 ppm................................................95

    Tabla 15. Resultados de ensayo de jarras con dosis de sulfato de aluminio 60

    ppm y perxido de hidrgeno............................................................................96

    Tabla 16. Caractersticas del efluente del Pozo N 1 .......................................99

    Tabla 17. Valores para determinar el oxgeno requerido por el SBR a escala

    real..................................................................................................................100

    Tabla 18. Parmetros de diseo para determinar capacidad del soplador .....101

    Tabla 19. Capacidad del soplador ..................................................................101

    Tabla 20. Dimensiones del SBR aescala real .................................................101

  • Tabla 21. Esquema de operacin de los reactores SBR a escala real ..........102

    Tabla 22. Costos SBR a escala real ...............................................................103

    Tabla 23. Costos soplador para planta a escala real .....................................103

    Tabla 24. Costos de accesorios para sopladores .........................................104

    Tabla 25. Costos difusores para reactores a escala real ..............................104

    Tabla 26. Costo total del sistema ..................................................................105

    Tabla 27. Costos anuales de consumo de sulfato de aluminio .......................105

    Tabla 28. Ventajas y desventajas de la implementacin del sistema SBR ...108

  • LISTADO DE GRAFICOS

    Grafico 1. Concentracin de nitritos Vs nmero de datos ................................88

    Grafico 2. Concentracin de amonio Vs nmero de datos ...............................90

    Grafico 3. Concentracin de amonio Vs nmero de datos ...............................93

  • 12

    OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN

    OBJETIVO GENERAL

    Implementar una unidad piloto en campo como primera operacin unitaria

    para tratar el agua del efluente de la planta de tratamiento de agua potable

    (PTAP) de la EMAAF ESP* para evaluar la eficiencia de remocin de

    compuestos nitrogenados bajo condiciones de operacin y basndose en la

    planta piloto compacta de agua potable existente.

    OBJETIVOS ESPECIFICOS

    Determinar si la implementacin de la unidad biolgica, como primera

    operacin unitaria interfiere o no con la calidad del agua para consumo

    humano, segn los requerimientos del Decreto 475 de 1998 expedido por el

    Ministerio de Salud Pblica.

    Disear la unidad piloto de la operacin unitaria inicial, teniendo en cuenta

    los caudales que se manejan en la PTAP de la EMAAF E.S.P., teniendo en

    cuenta las dimensiones de la planta piloto compacta para potabilizacin de

    agua donada por los Ingenieros Ambientales y Sanitarios Daniel Muoz y

    Diana Olaya.

    Desarrollar la ingeniera bsica y de detalle de la unidad piloto diseada. EMAAF ESP: Empresa de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Funza En el momento en el que se plante este trabajo, se tuvo en cuenta el decreto 475 de 1998, pero en el desarrollo del mismo fue derogado por el Decreto 1575 de 2007 y la Resolucin 2115 de 2007, por EMAAF ESP: Empresa de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Funza por tal motivo se tiene en cuenta la normatividad vigente.

  • 13

    Disear un manual de mantenimiento y operacin de la unidad biolgica,

    adems de la metodologa de las capacitaciones al personal de la EMAAF

    E.S.P.

    Determinar la estimacin de costos de la planta a escala real para su

    posterior implementacin.

    Definir los parmetros de diseo que sirvan para la construccin de una

    unidad de remocin de compuestos nitrogenados como complemento a la

    planta de tratamiento actual de la EMAAF E.S.P.

    Desarrollar la ingeniera bsica de la unidad de remocin que posteriormente

    ser implementada en la PTAP.

    Realizar una capacitacin al personal encargado de efectuar el

    mantenimiento y operacin, con el fin de tener un eficiente funcionamiento de

    la planta, con las variaciones de operacin y control a que haya lugar con

    ayuda de un manual de mantenimiento y operacin de la unidad diseada.

  • 14

    RESUMEN Actualmente la Empresa Municipal de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de

    Funza (EMAAF) se abastece de dos pozos profundos, los cuales, por su

    naturaleza, contienen concentraciones de amonio que de no tratarse,

    influiran negativamente en la calidad del agua que llegasen a consumir o

    emplear. Basndose en las exigencias del Decreto 1594 de 1984 expedido

    por el Ministerio de Agricultura y la Resolucin 2115 de 2007 del Ministerio

    de Proteccin Social y el Ministerio de Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo

    Territorial, el agua de los dos pozos exige un tratamiento eficiente que

    remueva dichas concentraciones de Amonio para lograr una calidad de agua

    apta para su potabilizacin.

    Debido a esta problemtica, la EMAAF ESP ha venido desarrollando desde

    el ao 2001 pruebas con distintos mecanismos para la remocin de

    compuestos nitrogenados sin obtener resultados satisfactorios, tanto tcnicos

    como econmicos.

    Una de estas pruebas tuvo en cuenta la aplicacin de tratamientos biolgicos

    a escala de laboratorio, obtenindose excelentes resultados en cuanto a la

    remocin de los compuestos nitrogenados; sin embargo, arrojaron varias

    incgnitas en cuanto a la implementacin y operacin del sistema a escala

    real teniendo en cuenta las necesidades de la EMAAF ESP.

    A partir de los resultados obtenidos por el tratamiento biolgico a escala de

    laboratorio, fue necesario verificar la eficiencia del sistema bajo condiciones

  • 15

    reales de operacin. Por lo tanto, se implement un sistema piloto por

    cochadas (SBR) al que se le adapt una planta compacta de potabilizacin

    de agua.

    Los resultados de los monitoreos de los compuestos nitrogenados indicaron

    una remocin satisfactoria de los mismos, cumplindose con los estndares

    de calidad exigidos por la Resolucin 2115 de 2007.

    Los resultados arrojados por las pruebas, una vez pasados por la planta de

    potabilizacin indicaron una reduccin en la concentracin de los fosfatos. Se

    determin, adems, una reduccin en la concentracin empleada de

    coagulante aplicada normalmente por la Empresa de Acueducto, generando

    un ahorro en los costos por uso de producto qumico en un 43%.

    SBR: Siglas en ingls Sequencing Bach Reactor

  • 16

    GLOSARIO

    Aerobios: Seres vivos que tienen la capacidad de vivir con oxgeno. Agua Subterrnea: Agua que est por debajo de la superficie de la tierra, que llena bolsas subterrneas, conocidas como acuferos; y se mueven

    entre las partculas del suelo y de la roca, suministrando pozos y

    manantiales.

    Anaerobios: Seres vivos que tienen la capacidad de vivir sin oxgeno. Auttrofos: Organismo que obtiene energa fabricando su propio alimento.

    Catin: In cargado positivamente. Colmatacin: Fenmeno por el cual se secan o pierden profundidad los cauces o cuerpos de agua, por efectos de la sedimentacin.

    Coloide: Mezcla homognea en la que las partculas se mezclan pero no se disuelven.

    DBO: Demanda Biolgica de Oxgeno.

    Decantador: Tanque de sedimentacin de impurezas de un agua residual.

  • 17

    Desalinizacin: Purificacin de agua salada, o ligeramente salina, eliminando las sales disueltas en ella.

    Desviaciones: Son las diferencias que se presentan entre los valores de la variable y un punto fijo, que puede ser la media aritmtica.

    Electrn: Partcula elemental estable con carga negativa que se encuentra fuera del ncleo de un tomo y que posee la mnima carga de

    electricidad negativa detectada.

    Endgena: Que se produce dentro de un organismo. Enzima: Sustancia que acta como catalizador en reacciones qumicas orgnicas o que induce la fermentacin. Ayuda a controlar las reacciones

    qumicas.

    Estabilizacin: Mtodo de tratamiento de residuos que limita la solubilidad de los contaminantes, remueve el txico o su efecto txico y

    sus caractersticas fsicas pueden o no ser mejoradas. En este proceso el

    residuo es cambiado a una forma qumica ms estable.

    Facultativos: Tienen la capacidad de vivir con o sin oxgeno.

    Hemoglobina: Sustancia de color rojo presente en los glbulos rojos. Acta como un portador de oxgeno desde los pulmones hacia los tejidos.

    Protena rica en hierro que se encuentra en los glbulos rojos.

    Heterotrfico: Componente del ecosistema en el que predomina el empleo, la readaptacin y la descomposicin de materiales complejos.

  • 18

    Organismo que utiliza como fuente de energa la materia orgnica

    sintetizada por otros organismos.

    Histogramas: Son diagramas de frecuencias unidimensionales en los cuales en un plano cartesiano se levantan rectngulos de reas

    proporcionales a las frecuencias sobre los intervalos del eje horizontal.

    Inanicin: Falta de nutricin. In: Partcula cargada que resulta de la prdida o ganancia de electrones.

    Lodo activado: Poblacin de bacterias, protozoos y otros microorganismos en un flculo suspendido cuya funcin es la aireacin

    de las aguas residuales, reemplazando el oxgeno disuelto tan

    rpidamente como se forma por oxidacin del contenido orgnico de las

    aguas residuales.

    Media: Es una medida apropiada de tendencia central para muchos conjuntos de datos. Sin embargo, dado que cualquier observacin en el

    conjunto se emplea para su clculo, el valor de la media puede afectarse

    de manera desproporcionada por la existencia de algunos valores

    extremos.

    Mediana: La mediana en un conjunto de observaciones. Es el valor para el cual, cuando las observaciones se ordenan de manera creciente, la

    mitad de stas es menor que este valor y la otra mitad mayor.

    Mineralizacin: Proceso edfico fundamentalmente biolgico, de transformacin de los despojos animales y vegetales en sustancias

    minerales inorgnicos sencillos y solubles. Este proceso causado por los

  • 19

    microorganismos del suelo puede ser directo o indirecto, previa formacin

    de humus.

    Nitrato: In trixido de nitrgeno (NO3), nica forma del nitrgeno disponible en las plantas; sintetizado en el proceso de fijacin por las

    bacterias nitrobacter.

    Nitrificacin: Conversin efectuada por las bacterias nitrificantes del suelo, de los compuestos orgnicos de nitrgeno, como los aminocidos,

    protenas y la urea, en nitratos orgnicos asimilables por las plantas

    verdes, en las fases del proceso intervienen diferentes bacterias.

    pH: Es la expresin cuantitativa de la acidez o alcalinidad de una solucin, un suelo u otro medio. La escala abarca de 0 a 14

    correspondiendo la neutralidad a pH: 7; el pH inferior a 7 indica acidez y

    el superior a 7 alcalinidad.

    Polmero: Molcula grande en forma de cadena cuyos anillos son molculas mas pequeas llamadas monmeros, combinados para formar

    una estructura repetitiva.

    Presurizacin: Aumento de la presin en el interior de un recipiente por encima del valor correspondiente en el exterior.

    Sedimentacin: Deposito de materiales arrastrados mecnicamente por el agua o el viento, o que se encuentran disueltos en el agua, y que

    forman acumulaciones en capas o estratos.

    Sobrenadante: Agua purificada parcialmente, alta en slidos en suspensin y nitrgeno amoniacal, que se libera durante el proceso de

  • 20

    digestin y cuya calidad y cantidad depende del tipo y calidad de

    sedimentacin del residuo y de la eficacia del sistema digestor.

    Substrato: Terreno que queda bajo una capa superpuesta. Sustancia sobre la que ejerce su accin las enzimas, activando su transformacin

    bioqumica.

    Tanque sptico: Son cmaras rectangulares de uno o varios compartimientos. Usualmente se construyen enterrados y reciben las

    excretas y las aguas grises.

  • 21

    INTRODUCCIN

    El territorio colombiano, a pesar de tener una gran cantidad de fuentes de

    agua dulce para su aprovechamiento, cuenta con un dficit importante de

    empresas de acueducto que administren el recurso de una manera

    organizada y con un compromiso real hacia la comunidad, que brinde agua

    con altos estndares de calidad y cumpla con las normas de potabilizacin

    actuales. Esto genera inconvenientes sanitarios en las comunidades e

    incrementa la miseria en estas zonas. Pueden haber diferentes causas a este

    problema: desviacin de fondos, mala administracin de los alcaldes y de las

    mismas empresas de acueducto, falta de investigacin, entre otras.

    La siguiente investigacin se desarroll en la EMPRESA MUNICIPAL DE

    ACUEDUCTO, ALCANTARILLADO Y ASEO DE FUNZA (EMAAF), ubicada

    en la Sabana Occidental de Bogot. El municipio de Funza se abastece de

    dos pozos profundos que, por la descomposicin de la materia orgnica y la

    posible infiltracin de agroqumicos se encuentra contaminado especialmente

    con el compuesto amonio en concentraciones del orden de 4-8 mg/L, el

    amonio al tener contacto con la superficie genera nitritos y nitratos. Estos

    compuestos son catalogados de alto riesgo por la normatividad colombiana

    cuando estn presentes en el agua que consume una comunidad ya que

    interfiere en la coccin de alimentos tornndolos a un color rojizo y adems

    ataca a las poblaciones ms dbiles (neo natos y ancianos) con

    enfermedades como la metahemoglobinemia (bebs azules) y encefalopata

    heptica.

    La empresa de acueducto de Funza, desde que descubri este problema en

    el ao 2001 aproximadamente, ha intentado corregirlo con diferentes

  • 22

    estudios, lamentablemente sin xito alguno por inviabilidades tcnicas o

    econmicas. Es as como se abre una posibilidad nunca antes desarrollada

    en Colombia de introducir un tratamiento biolgico en el proceso de

    potabilizacin con el fin de remover dichos compuestos. As pues, se

    implement un sistema de lodos activados en un reactor de flujo discontinuo

    (SBR) en condiciones reales de operacin de la planta de potabilizacin de la

    EMAAF.

  • 23

    1. COMPUESTOS NITROGENADOS EN AGUAS SUBTERRANEAS

    A continuacin se presentan las generalidades de los compuestos

    nitrogenados, sus posibles fuentes de generacin, su incidencia en la salud

    y los tratamientos usados para su remocin.

    1.1. Fuentes de compuestos nitrogenados en aguas subterrneas

    Pueden considerarse cuatro categoras como fuentes de compuestos

    nitrogenados en aguas subterrneas1:

    Tabla 1. Fuentes de compuestos nitrogenados

    FUENTES NATURALES

    RESIDUO DE MATERIALES COSECHAS

    IRRIGACIONES AGRCOLAS

    Nitrgeno geolgico que puede ser movilizado y llevado al agua subterrnea por prcticas de irrigacin.

    Las prcticas comerciales con animales (porcicultura, avicultura, ganadera).

    Las prdidas de nitrgeno en ambientes subsuperficiales; puede ocurrir como resultado del exceso de la aplicacin de fertilizantes, la ineficiente toma de nitrgeno por el cultivo y la mineralizacin de nitrgeno en el suelo.

    El aumento en la lixiviacin del nitrgeno se debe a la excesiva tasa de aplicacin del fertilizante y los perodos de irrigacin.

    El manejo natural de los bosques conserva naturalmente el nitrgeno, pero el desequilibrio causado por el hombre permite la liberacin de nitrgeno que posteriormente se infiltra a las aguas subterrneas.

    Disposicin de agua y lodos residuales de origen domstico e industrial, sobre zonas agrcolas, bosques y parques.

    Las prdidas de nitrgeno en ambientes subsuperficiales, puede ocurrir como una funcin de la tasa de aplicacin del fertilizante en perodos de lluvia, a variadas temperaturas y las prcticas en poca de labrado.

    Asociada a la lixiviacin peridica de nitrgeno a los suelos, debido a que esta prctica remueve las sales evitando la salinizacin del suelo y su improductividad.

    Disposicin de aguas residuales en tanques spticos de casas de descanso o pequeos negocios. (Los tanques spticos ayudan a que el suelo adsorba los residuos lquidos).

    Lixiviados domsticos o de campos de tierra industriales, y sitios de disposicin de materiales provenientes de dragados de tierra.

    Fuente: CANTER, 1997.

    1 CANTER, Larry W. Nitrates in groundwater. University of Oklahoma. Editorial Lewis publisher,1997.

  • 24

    En la actualidad la mayora de las actividades agropecuarias incluye

    fertilizantes y pesticidas, pocas operaciones no usan fertilizantes

    comerciales, como son ganadera y granjas autosuficientes. Por esto se

    puede concluir que estas actividades se pueden catalogar como aportantes

    de nitrgeno o compuestos nitrogenados.

    Los tanques spticos tambin representan una fraccin significativa del

    nitrgeno que hay en el agua subterrnea. El efluente de un tanque sptico

    tiene un contenido total de 25 a 60 mg/l. de estos 20 a 55 mg/l existe como

    amonio y el resto como nitrato (1 mg/l). Un estudio que caracterizaba

    especficamente el contenido de compuestos nitrogenados de estos

    sistemas, determin que contenan aproximadamente 7 mg/l de nitrgeno

    orgnico, 25 mg/l de nitrgeno amoniacal y 0.3 mg/l de nitrato-nitrgeno. El

    lixiviado de los tanques spticos en los campos tiene una rpida nitrificacin

    de nitrgeno amoniacal bajo condiciones aerbicas. El nitrgeno amoniacal

    es fcilmente intercambiado con la presencia de lixiviados en el suelo, donde

    el nitrgeno se vuelve soluble y es fcilmente transportado al agua

    subterrnea2.

    Si el sitio de intercambio esta saturado como en los suelos arenosos el

    amonio llega directamente al agua subterrnea antes de la nitrificacin.

    Cuando el lixiviado de los tanques spticos se seca en el verano o son

    abandonados el amonio absorbido previamente puede convertirse a nitrato y

    eventualmente lo pierde en la lixiviacin.

    2 Ibd., p. 6.

  • 25

    1.2. Afectaciones a la salud por presencia de compuestos nitrogenados

    Es primordial tener en cuenta la concentracin de compuestos nitrogenados

    en el agua subterrnea debido al impacto potencial ejercido sobre la salud

    humana por el uso del agua subterrnea con este compuesto; dependiendo

    de su uso, los animales, los cultivos o los procesos industriales, pueden

    verse afectados. La toxicidad del nitrato para los humanos se valora en el

    cuerpo con la reduccin de nitrato a nitrito. Esta reaccin tiene lugar en la

    saliva de los humanos de todas las edades y en el tracto gastrointestinal de

    los nios durante sus primeros tres meses de vida. La toxicidad del nitrito en

    altas concentraciones reduce los niveles de metahemoglobinemia causando

    problemas cardiovasculares y vasodilatadores.

    Se estima que los infantes mayores de tres meses de edad es la

    subpoblacin ms susceptible a problemas con nitratos; esto es, debido al

    hecho que cerca del 10% del nitrato ingerido es transformado en nitrito en el

    infante, cuando los nitratos se combinan con la hemoglobina para formar

    metahemoglobina. El resultado es la disminucin de la capacidad de

    transportar y transferir oxgeno en la sangre, causando una anoxia celular y

    una cianosis clnica (el infante por lo que se torna azul, se usan los trminos

    bebe azul o sndrome del bebe azul). Segn la Organizacin Mundial de la

    Salud este fenmeno puede ocurrir en nios, cuando aproximadamente el

    10% del total de la hemoglobina ha sido convertida a metahemoglobina.

    Razones adicionales que preocupan, es la baja actividad de las enzimas que

    reducen la metahemoglobina, alta susceptibilidad del infante para oxidar la

    metahemoglobina y el alto pH en el estmago y en los intestinos que

    promueven las bacterias que reducen el nitrato a nitrito.

    La metahemoglobinemia se refiere a un efecto en el que la hemoglobina es oxidada a metahemoglobina. Cuando las cantidades de metahemoglobina aumentan, se reducen los niveles de oxgeno en la sangre, causando cianosis. Los efectos de la metahemoglobinemia son rpidamente reversibles y no tiene efectos acumulativos.

  • 26

    Segn el Decreto 1575 de 2007 expedido por el Ministerio de Proteccin

    Social la norma que regula el contenido de nitrato en el agua para consumo

    humano es de 10 mg/l. Este nivel fue basado en casos donde los efectos

    letales en infantes ocurren despus de la ingestin de agua que contienen

    concentraciones mayores a 10 mg/l. Dichos efectos ocurren debido al

    indeseable incremento de los niveles de metahemoglobina en la sangre,

    cuando la concentraciones de nitratos son de 10 a 20 mg/l. La ingestin de

    nitritos desarrolla efectos tempranos sobre la salud de quien los consuma y

    deben ser tratados ms rpidamente, es por esta razn que el nivel

    permisible es de 0.1 mg/l.

    Adicionalmente, es preocupante el resultado de muchos estudios que

    muestran que la ingestin de nitrito (o nitrato con aminas), simultneamente

    a las consecuencias mencionadas anteriormente, originan cncer en diversos

    rganos. Los componentes del N-nitroso, se presumen ser sustancias

    cancergenas. Muchos estudios epidemiolgicos han indicado la positiva

    correlacin entre la exposicin al nitrato y el riesgo de cncer; por ejemplo,

    tomar agua con nitrato tiene una correlacin con el riesgo de cncer gstrico

    en Colombia e Inglaterra y la exposicin a fertilizantes que contienen nitrato

    al parecer, est ligado a la mortalidad de cncer gstrico en Chile. Como

    puede verse el alto riesgo del cncer gstrico, no solo se correlaciona con el

    nitrato, sino en muchos factores alimenticios y ambientales.

    Las excesivas concentraciones de nitratos en el agua subterrnea tambin

    causan problemas con rumiantes; ovejas y ganado pueden verse seriamente

    afectados por los nitratos desde su nacimiento hasta la edad adulta, al igual

    que los caballos, cerdos y gallinas en su infancia. Los pollos y los cerdos en

    su madurez se han visto menos afectados por la presencia de nitratos, a

    diferencia de los caballos. Los sntomas que se presentan por la

  • 27

    contaminacin de nitrato y nitrito en estos animales, incluyen cianosis

    adentro y alrededor de reas no pigmentadas (boca y ojos), corta respiracin,

    taquicardia, frecuente secrecin de orina y colapsos; en muchos casos,

    convulsiones, estado de coma y la muerte. En el ganado se puede presenciar

    prdida en la produccin de leche y abortos.

    1.3. Medidas para el tratamiento de compuestos nitrogenados en aguas subterrneas

    Los tratamientos de compuestos nitrogenados son categorizados en fsico-

    qumicos, como intercambio inico, osmosis inversa y electro dilisis, y

    biolgicos como la desnitrificacin.

    1.3.1. Tratamientos con resinas de intercambio inico3

    Este tratamiento incluye el intercambio de iones en solucin con nmeros

    qumicamente equivalentes de iones asociados con el material de

    intercambio (resina). Con este mecanismo la remocin de los iones nitratos

    del agua subterrnea es tpicamente remplazada con iones de cloro, cuando

    el agua subterrnea es pasada a travs de la resina. El proceso de

    intercambio inico para el reemplazo del nitrato es utilizado con cualquier

    base fuerte o un intercambio aninico de una base dbil. El intercambio

    aninico o las resinas, contienen grupos funcionales compuestos por dbiles

    bases aminas que son derivadas del amonio, los compuestos derivados del

    amonio cuaternario son llamados bases fuertes. Las resinas de intercambio

    muestran una preferencia o selectividad por varios iones dependiendo de la

    3 CLIFFORD, D.A. Nitrate Removal from Water Supplies by Ion Exchange. EPA-600/2-78-052, Junio, 1978.

  • 28

    concentracin de los iones en solucin; por lo tanto, las resinas muestran una

    selectividad hacia los iones nitrito. El intercambio inico es un proceso

    atractivo para la remocin del nitrato del agua subterrnea porque ofrece una

    automatizacin sencilla del proceso y no se ve afectado por la temperatura

    del lugar en que se disponga, siempre y cuando se tengan en cuentan ciertos

    rangos de operacin. Este sistema tiene mayor acogida que el de smosis

    inversa o electrodilisis debido a los elevados costos que stos conllevan.

    El uso de una base dbil y una base fuerte en las unidades de intercambio

    aninico con regeneracin en ciclo del cloruros es bastante comn. El

    proceso tpico para su implementacin es la elaboracin de estudios en el

    laboratorio para desarrollar una informacin de diseo preliminar, seguido por

    estudios a escala piloto basados en la informacin preliminar de diseo y el

    paso final incluye la evaluacin del diseo y el funcionamiento del sistema a

    escala real. La regeneracin del cloruro de sodio y su disposicin

    representan los primeros costos de la remocin de nitratos con este tipo de

    sistemas. A continuacin, se nombran algunas de las alternativas para la

    disposicin de la salmuera:

    1. Ocano

    2. Evaporacin en regiones semi-ridas

    3. Alcantarillados, donde sea permitido y donde la desnitrificacin del

    agua residual sea fcil; igualmente la salmuera no puede diluirse en el

    agua residual.

    4. Inyeccin en pozo profundo; aunque ste es muy costoso para

    grandes volmenes de salmuera.

    5. Utilizar la sal como fertilizante.

    Muchos estudios han comparado las diversas resinas aninicas

    comercialmente aceptadas, as como varios esquemas para la regeneracin

  • 29

    de las resinas y los efectos del nitrato en las combinaciones de sistemas de

    intercambio inico. Una preocupacin que se tiene con la remocin de los

    nitratos por medio de este mtodo, es que los sulfatos del agua subterrnea

    pueden competir para el intercambio en la resina. Se ha demostrado en

    estos estudios que muchas resinas de intercambio inico son ms selectivas

    con el sulfato que con el nitrato.

    1.3.2. smosis Inversa4 Dentro de las comparaciones de los procesos de tratamientos para la

    remocin de nitrato del agua subterrnea, comnmente se incluye la smosis

    inversa y la electrodilisis. La smosis inversa, se refiere a los procesos

    donde son removidos especies de iones (nitratos en el agua subterrnea) por

    la fuerza del agua que los transporta por una membrana semi permeable

    quedando los nitratos en ella. El proceso de smosis inversa fue desarrollado

    para la desalinizacin del agua del mar.

    Las membranas en las unidades de smosis inversa son hechas de acetato

    de celulosa y polmeros de materiales similares, ya que son capaces de

    soportar las presiones de los equipos. Generalmente, las membranas no

    presentan alguna selectividad para algn in, aunque segn el grado salino

    que contenga, pueden rechazarlo; se ha visto que tiene una relacin directa

    con la valencia de los iones presentes en el agua. Como consecuencia, este

    sistema remueve muchas especies de iones incluyendo los nitratos. Los

    problemas potenciales asociados con la smosis inversa, son: la rpida

    colmatacin de las membranas, la compactacin, el deterioro hidrulico y

    concentraciones de polarizaciones. Con este tipo de tecnologa se alcanza

    una remocin del 85% al 94%.

    4 DAHAB, M and BOGARDI, I., Risk Management for Nitrate-Contaminated Groundwater Supplies. U.S. Geological Survey, Reston, Virginia. 1990, p. 76-87.

  • 30

    1.3.3. Electrodilisis Electrodilisis se refiere a una operacin de conduccin de energa, en la

    cual los iones son seleccionados y transportados a travs de una membrana

    semi permeable de una solucin a otra, bajo la influencia de un campo

    elctrico directo. Las membranas son usualmente usadas en pares de

    celdas. Los cationes (tales como sodio, calcio y magnesio) y aniones (como

    cloruros, sulfatos, nitratos y bicarbonatos) son puestos alternadamente para

    luego transferirlos a las membranas. Cuando la corriente pasa a travs de la

    membrana, los iones seleccionados (aniones o cationes) son transferidos a

    sta, as se forman los compartimentos alternos en los que la concentracin

    inica puede ser menor o mayor que la concentracin del agua original. Paso

    seguido, en los compartimentos de alimentacin mltiple, el agua tratada

    (baja concentracin de electrolitos) y la salmuera (alta concentracin de

    electrolitos) pueden ser recolectadas.

    Hay tres componentes fundamentales en este tipo de sistemas: el primero es

    tener una fuente de presurizacin de agua, una membrana que contenga

    varias etapas y una fuente de poder para la electricidad. La presin del flujo

    por un sistema de electro dilisis puede variar a travs de la membrana. Las

    membranas son susceptibles de ensuciarse por el carbonato de calcio, bario,

    calcio, sulfatos de estroncio, hierro, xidos de manganeso, coloides,

    microorganismos y compuestos orgnicos. Estos problemas pueden

    reducirse en los tratamientos preliminares (coagulacin, sedimentacin,

    filtracin y adsorcin por carbn activado) y/o la adicin de una pequea

    cantidad de cido en la corriente de alimentacin. Los residuos orgnicos

    pueden reducirse peridicamente limpiando las membranas con una solucin

    de detergente y enzimas.

  • 31

    El desarrollo del sistema de electrodilisis para la remocin del nitrato ha

    probado que es una tecnologa viable para la remocin de estos compuestos

    del agua subterrnea; sin embargo, las demandas de energa que tiene el

    mismo en comparacin con los sistemas de intercambio inico o la

    desnitrificacin biolgica, lo convierten en un sistema que requiere bastante

    dinero para su operacin.

    1.3.4. Tratamiento biolgico para desnitrificacin5

    Los procesos biolgicos, son a menudo usados para convertir

    bioqumicamente los componentes de los productos finales. Para el agua

    residual domstica, involucra la conversin biolgica de compuestos

    orgnicos, para que los productos finales sean aceptables (agua y dixido de

    carbono). Los microorganismos se activan para el tratamiento del agua

    residual domstica, utilizando carbn y nitrgeno de esta agua como

    nutrientes y se adiciona oxgeno libre para servir como un electrn receptor

    por los microorganismos (as, los microorganismos son de naturaleza

    aerbica utilizando el oxgeno libre). En ausencia del oxgeno libre, los

    microorganismos pueden utilizar otros componentes como electrn. Por

    ejemplo, algunos microorganismos son capaces de utilizar el nitrato como el

    electrn receptor (esta situacin puede ocurrir bajo condiciones anxicas).

    Cuando el nitrato es utilizado de esta manera es reducido a nitrgeno en

    forma gaseosa. Este proceso es llamado desnitrificacin biolgica.

    Los microorganismos que pueden utilizar el nitrato como electrn, a menudo

    son facultativos; ellos pueden utilizar el oxgeno libre si est presente, pero

    5 REED, Sherwood, CRITES, Ronald, MIDDLEBROOKS, Joe. Natural Systems for Waste Management and Treatment. Estados Unidos, Editorial Mc Graw Hill, 1995, p. 323, 324,338,

    351.

  • 32

    cambiar a nitrato en la ausencia del oxgeno libre; estos microorganismos

    requieren tambin carbn orgnico y nitrgeno como nutriente. Para el agua

    residual y el agua subterrnea que tiene el nitrato como contaminante, en la

    ausencia (o bajos niveles) de oxgeno libre y la presencia de carbn orgnico

    (carbn: nitrato, 3:1 aproximadamente), frecuentemente es necesario

    adicionar carbn orgnico (en lo posible metanol) al agua residual, de tal

    modo que permita la desnitrificacin biolgica. As, para la desnitrificacin

    biolgica, el electrn aceptado est presente en el agua residual o el agua

    subterrnea, lo cual contrasta con el tratamiento del agua residual domstica

    para la remocin del material orgnico, donde la fuente del carbn orgnico est presente en el agua residual y el electrn aceptor debe ser aadido.

    La desnitrificacin del agua subterrnea, incluye el contacto de los

    microorganismos facultativos con los nitratos que contiene el agua y la

    adicin de una fuente de carbn en un ambiente anxico. Bajo estas

    condiciones, el ltimo electrn receptor empleado por las bacterias es el

    nitrato. En el proceso, los nitratos son reducidos a nitrgeno gaseoso. El

    carbn es necesario, debido a que es la fuente de energa que necesitan los

    microorganismos para la respiracin y la sntesis. Muchos estudios han

    usado el metanol (CH3 OH) como la fuente de carbn.

    Se ha estimado que del 25% al 30% del Etanol adicionado es usado en la

    sntesis bacteriana. La base del estudio experimental de laboratorio fue el

    desarrollo de una ecuacin emprica para describir toda la reaccin del nitrato

    removido6 .

    Si solo el nitrato est presente y el carbn orgnico es limitado, como en la

    mayora del agua subterrnea contaminada por nitratos, la siguiente reaccin

    puede ser usada para determinar el metanol requerido. Si hay poca 6 DAHAB, M and BOGARDI, I. op. cit., p. 87-103.

  • 33

    presencia de nitrato y oxgeno disuelto en el agua subterrnea, el metanol

    requerido puede corresponder al ms alto valor de los dos (nitrato u oxgeno

    disuelto).

    OHCONNOHCHOHCHNO 22227533 44.276.047.0065.08.1 +++++ +

    Las bacterias presentes en el proceso de desnitrificacin son generalmente

    anaerobias facultativas, que pueden usar el nitrato y el nitrito como electrn

    aceptado. El proceso ocurre en cuatro pasos:

    NO3- NO2- NO- N2O- N2

    Cuando un compuesto orgnico sirve como electrn donante, el proceso

    heterotrfico y las bacterias se conocen como hetertrofos. Las bacterias que

    usan el hidrgeno y reducen el sulfuro como electrn donante, se conocen

    como auttrofas. Los gneros de bacterias conocidas que contengan

    especies desnitrificadoras son: Acromobacter, Alcaligenes, Bacilus,

    Cromobacter, Corynebacterium, Propionibacterium, Pseudomonas, Spirilium,

    Thiobacillus y Xanthonas.

    Uno de los requisitos bsicos para la desnitrificacin biolgica es la presencia

    de una fuente de carbn en el ambiente subsuperficial, donde ocurre la

    desnitrificacin biolgica, puede ser cualquier carbn orgnico disuelto o

    carbn orgnico del suelo.

    El proceso de desnitrificacin biolgica para la remocin de compuestos

    nitrogenados sustrados del agua subterrnea, puede ocurrir en varios

    sistemas suspendidos o unidos. En los sistemas de crecimiento suspendido,

    la poblacin bacteriana es suspendida dentro del contenido del reactor de

    mezcla.

  • 34

    El nitrgeno puede asumir varios estados de valencia. En muchos casos los

    estados de valencia efectuados por las bacterias pueden ser positivos y

    negativos, segn si las condiciones son aerbicas o anaerbicas.

    Las formas de mayor importancia son:

    Nitrgeno amoniacal Nitrgeno de nitritos Nitrgeno de nitratos Nitrgeno orgnico

    El contaminante inorgnico ms comn identificado en agua subterrnea es

    el nitrgeno disuelto en la forma de nitrato, debido a que es la forma ms

    estable en que puede encontrarse el nitrgeno y su presencia en

    concentraciones no deseables. Aunque el nitrato es la forma principal en que

    el Nitrgeno est en el agua subterrnea, tambin puede estar presente en la

    forma de amonio, amonaco, nitrito, xido nitroso y nitrgeno orgnico

    incorporado a sustancias orgnicas.

    La nitrificacin consiste en dos etapas de oxidacin del amonio por grupos de

    bacterias diferentes de manera sincronizada: bacterias oxidantes de amonio

    formadoras de nitrito, nitrobacterias, convierte el amoniaco en nitritos bajo

    condiciones aerbicas. Bacterias

    2NH4+3O2 2NO-2 +2H+ + 2H2O

    Nitrosomonas

    El segundo grupo, las nitrobacterias, oxida los nitritos para formar nitratos.

    Bacterias

    2NO-2 + O2 2NO-3 Nitrobacter

  • 35

    En condiciones anaerbicas, los nitratos son reducidos a nitritos y stos a

    gas nitrgeno por bacterias y se conoce con el nombre de desnitrificacin y

    ocurre en dos pasos sucesivos; en primer lugar, la reduccin inicial de los

    nitratos en nitritos y posteriormente en nitrgeno gaseoso.

    Las transformaciones de nitrgeno en el agua se presentan de la siguiente

    manera: Figura 1. Comportamiento del nitrgeno en el agua subterrnea

    N ORGNICO NH3 GAS

    N AMONIACAL N NITRITOS N NITRATOS

    PLANTAS Y BACTERIAS

    NH2 GAS

    EXSOLU

    CIN

    DESNITRIF

    ICACI

    N

    ASIMILACIN ASIMI

    LACI

    N

    N ORGNICO NH3 GAS

    N AMONIACAL N NITRITOS N NITRATOS

    PLANTAS Y BACTERIAS

    NH2 GAS

    EXSOLU

    CIN

    DESNITRIF

    ICACI

    N

    ASIMILACIN ASIMI

    LACI

    N

    Fuente. ACUIQUMICA, 1996

    1.3.4.1. Proceso de lodos activados en un Reactor de Carga Secuencial

    (SBR)

    El proceso de lodos activados, es quizs el proceso biolgico de ms amplio

    uso para el tratamiento de aguas residuales, orgnicas e industriales. El

    principio bsico, consiste en que las aguas se pongan en contacto con una

    poblacin microbiana mixta, en forma de suspensin floculenta en un sistema

    aireado y agitado. La materia en suspensin y la coloidal, se eliminan

    SBR: Siglas en ingls Sequencing Bach Reactor

  • 36

    rpidamente de las aguas residuales por adsorcin y aglomeracin en los

    flculos microbianos. Esta materia y los nutrientes disueltos, se

    descomponen luego ms lentamente por metabolismo microbiano, proceso

    conocido como estabilizacin. En este proceso, parte del material nutriente

    se oxida a sustancias simples, como el anhdrido carbnico, un proceso

    denominado mineralizacin y parte se convierte en una materia nueva celular

    microbiana, llamada asimilacin. Parte de la masa microbiana se

    descompone de la misma manera, un proceso llamado respiracin

    endgena. El proceso oxidativo suministra la energa necesaria para la

    operacin de los procesos de adsorcin y asimilacin. Una vez que se

    alcanza el grado de tratamiento que se desea, la masa microbiana floculenta

    conocida como lodo, se separa del agua residual por asentamiento; por lo

    general, en un recipiente separado especialmente diseado. La etapa de

    separacin, se conoce tambin como clarificacin o sedimentacin. Del

    sobrenadante de la etapa de separacin, resulta entonces el agua residual

    tratada y debe estar virtualmente libre de lodos. La mayor parte del lodo

    asentado en la etapa de separacin se regresa a la etapa de aireacin para

    mantener la concentracin de los lodos en el tanque para lograr un

    tratamiento efectivo y para que acte como un inocuo microbiano. Parte de

    los lodos se extrae para su descarga y se conoce como lodos activados

    desechados o excedentes. En un sistema balanceado, el lodo desechado

    representa la cantidad neta de masa microbiana producida por asimilacin en

    la etapa de aireacin y es efectivamente el concentrado de contaminacin del

    sistema. La naturaleza floculenta de los lodos activados resulta importante,

    en primer lugar, para la adsorcin de las materias coloidales, inicas y en

    suspensin dentro del agua residual y en segundo lugar, para la separacin

    rpida, eficiente y econmica de la masa microbiana del agua residual

    tratada.

  • 37

    El proceso de desarrollo de los lodos, se puede acelerar por una siembra de

    una poblacin microbiana, un cultivo especialmente desarrollado en

    laboratorio o una planta piloto.

    La naturaleza moribunda de los lodos activados, significa que la remocin de

    nutrientes no es un proceso asociado al crecimiento. Solo una pequea

    proporcin de los microorganismos presentes en los lodos es viable y genera

    nueva masa microbiana. Un considerable nmero de los organismos no se

    reproduce, pero conserva cierta actividad bioqumica, utilizando nutrientes

    para proporcionar energa de mantenimiento. La naturaleza floculenta de los

    lodos activados est asociada con esta condicin moribunda.

    Por lo general, la concentracin de los nutrientes en las aguas residuales es

    muy baja, comparada con la concentracin usada en los medios de

    crecimiento de la fermentacin. En la etapa de aireacin, cuando la mayora

    de los nutrientes han sido removidos, el nivel nutritivo de los

    microorganismos esta cerca de la inanicin. Las aguas residuales

    industriales que contienen un rango limitado de sustancias, quizs tengan un

    balance nutritivo inapropiado para el metabolismo microbiano y tal vez sea

    necesario aadir nutrientes suplementarios a las aguas residuales. El

    balance de nutrientes, se cita por lo general, con el contenido de materiales

    carbonceos fcilmente degradables, expresados como DBO y para una

    operacin convencional, el balance de nutrientes de 0.03 a 0.06 Kg de

    Nitrgeno/Kg de DBO y de 0.007 a 0.01 Kg de fsforo (como fosfato)/Kg de

    DBO.

    Existe una variedad de diferentes versiones del proceso de lodos activados,

    donde se origina una versatilidad para adaptarse a un amplio rango de

    requerimientos del tratamiento. Consiste en diferentes combinaciones de

    manera de operacin, regmenes de mezcla, sistema de aireacin y niveles

  • 38

    de carga. Entre estos sistemas encontramos el SBR, cuyo funcionamiento,

    se basa en la secuencia de ciclos de llenado y vaciado, en el cual, todos los

    procesos convencionales de lodos activados tienen lugar secuencialmente en

    el mismo tanque. Este sistema fue implementado en la investigacin

    desarrollada en la EMAAF ESP.

    Los sistemas de SBR tienen en comn cinco etapas:

    1. Llenado

    El objetivo de esta fase es la adicin de substrato (agua residual bruta o

    efluente primario) al reactor. Esta fase permite que el nivel del lquido en

    el depsito ascienda desde cerca del 25% de la capacidad (al final de la

    fase inactiva), hasta el 100% de su capacidad. Este proceso suele llevar

    aproximadamente el 25% de la duracin dentro del ciclo.

    2. Reaccin (aireacin)

    El propsito de esta fase, es que se completen las reacciones iniciadas

    durante la fase de llenado. Suele ocupar el 35% de la duracin total del

    ciclo.

    3. Sedimentacin (clarificacin)

    El objetivo de esta fase, es permitir la separacin de slidos para

    conseguir un sobrenadante clarificado como efluente. En un reactor de

    este tipo, este proceso suele ser mucho ms eficiente que en un reactor

    de flujo continuo debido a que el contenido del reactor esta

    completamente en reposo.

    4. Extraccin (vaciado por decantacin)

    El propsito de esta fase, es la extraccin del agua clarificada del reactor.

    Actualmente se emplean demasiados mtodos de decantacin, siendo los

  • 39

    ms usados los vertederos flotantes o ajustables. El tiempo que se

    emplea en esta fase puede variar entre el 20 y 50% de la duracin total

    del ciclo.

    5. Fase inactiva

    El objetivo de esta fase en un sistema de mltiples tanques, es permitir

    que un reactor termine su fase de llenado antes de conectar otra unidad,

    puesto que no es una fase necesaria, en algunos casos se omite.

    Figura 2. Secuencia de funcionamiento tpica para un reactor discontinuo secuencial

    Fuente. Metcalf & Eddy, 2003

    La purga del lodo es otro paso importante en el funcionamiento de los SBR

    que afecta de manera importante su rendimiento. No se incluye como una de

  • 40

    las cinco etapas bsicas del proceso, puesto que no existe un momento

    determinado dedicado a la eliminacin del lodo dentro del ciclo de

    funcionamiento. La cantidad de lodo que hay que purgar y la frecuencia con

    la que se debe efectuar la purga, se determina segn las necesidades

    dictadas por los rendimientos; como ocurre con el sistema de flujo continuo

    convencional. En el funcionamiento de los SBR, la purga del lodo suele

    realizarse en la fase de sedimentacin o en la de inactividad. Una

    caracterstica nica de los SBR, es que no es necesario disponer de un

    retorno de lodos activados, debido, a que tanto la aireacin como la

    decantacin tienen lugar en el mismo tanque, por lo que no se pierde lodo en

    la fase de reaccin y no es necesario recircular parte del lodo de la

    sedimentacin para mantener constante el nivel de lodos en el reactor.

    Algunas modificaciones incorporadas al proceso de SBR contemplan la

    posibilidad de modos de operacin a caudal continuo.

  • 41

    2. EMPRESA MUNICIPAL DE ACUEDUCTO, ALCANTARILLADO Y ASEO

    DE FUNZA - EMAAF ESP

    La Empresa Municipal de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Funza -

    EMAAF ESP., es la entidad dedicada a la prestacin de servicios pblicos de

    acueducto, alcantarillado y aseo, en el municipio de Funza.

    Fue fundada en el ao de 1996 como empresa, teniendo como fundamento

    legal la ley 142 de 1994 de Servicios Pblicos Domiciliarios y su decreto

    reglamentario No 2785 de diciembre 22 de 1994, el cual formaliz la

    creacin de la Empresa Municipal de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de

    Funza, EMAAF ESP, por medio del acuerdo No 034 de diciembre 4 de 1995

    prestando los servicios a la cabecera municipal y en la zona rural a las

    veredas el Cocl, Siete Trojes y el Hato, considerados como barrios del

    Municipio. La EMAAF ESP fue fundada como una empresa industrial y

    comercial del Estado, con estatutos aprobados por el Concejo Municipal de

    Funza.

    2.1. Ubicacin

    La Empresa Municipal De Acueducto, Alcantarillado Y Aseo De Funza

    EMAAF ESP., se encuentra ubicada en el municipio de Funza, departamento

    de Cundinamarca, carretera central occidente, a 24 kilmetros de la capital.

    2.2. Caractersticas fsicas

    La empresa est situada dentro de la denominacin de bosque seco bajo,

    con una altura sobre el nivel del mar de 2.548 metros, temperatura media de

  • 42

    14C, temperatura mxima promedio de 18.9C, temperatura mnima

    promedio de 5.8C, evaporacin anual de 1108 mm, promedio de

    precipitacin anual de 637 mm, velocidad mxima del viento de 17 m/s,

    humedad relativa de 76%, con periodos de lluvia comprendidos de marzo a

    junio y de septiembre a diciembre, con presencia de heladas fuertes, entre

    mediados de diciembre y principios de enero.

    Se encuentra ubicada en un suelo en el cual predominan las texturas francos

    arcillosos y franco arcillo limosas, con horizontes superficiales arcillosos y

    lentes de arena gruesa a fina en profundidad. La topografa en general es

    plana con una pendiente general de 0 a 0.9%.

    2.3. Requerimientos y usos del agua

    En la actualidad el Municipio de Funza, suple sus necesidades de agua

    potable en un 35% con el sistema de acueducto de Bogot y el 65% con

    agua dos pozos profundos procesada en plantas de tratamiento, ubicadas en

    el predio de la empresa administradora del servicio, Empresa Municipal de

    Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Funza, EMAAF ESP.

    Actualmente, el Pozo 1 opera con caudal de 53 L/s, el cual abastece en 40

    L/s a la planta compacta en lmina y en 13 L/s a la planta convencional en

    concreto. El Pozo 2 abastece en su totalidad a la planta convencional con un

    caudal de 25 L/s, es decir, que sta trata un total de 38 L/s en las horas de

    mayor consumo (5 am a 10 pm) (Ver Figura 3).

  • 43

    Figura 3. Balance hdrico de la EMMAF ESP

    Fuente. Los autores, 2007.

  • 44

    2.4. Fuentes de abastecimiento de agua

    La EMMAF ESP actualmente cuenta con tres fuentes de abastecimiento:

    Pozo 1, Pozo 2 y Empresa de Acueducto de Bogot.

    2.4.1. Pozo 1

    El pozo 1 del Acueducto de Funza fue perforado en 1997 por la firma

    INDEPENDENCE, alcanzando una profundidad de 610 m, para explotar la

    formacin Tilat. Entro en operacin en abril de 1998 con una capacidad de

    extraccin de 58 L/s y se realiza mediante una motobomba sumergible con

    un motor de 125 HP y bomba de 5 etapas; el equipo de bombeo se

    encuentra ubicado a 120 m de profundidad. El pozo es operado durante las

    24 horas reportando nivel esttico promedio de 53 m y nivel dinmico

    promedio de 76 m. En la actualmente, del pozo se extraen 53 L/s (Ver Figura

    4).

    Figura 4. Cabezal del pozo

    Fuente. Los autores, 2007.

  • 45

    En la tabla 2 se presentan las caractersticas fsico-qumicas del pozo 1.

    Tabla 2. Caracterizacin fsico- qumico del agua del pozo 1

    PARMETROS UNIDADES RESULTADO RESOL. 2115/07 DBO Mg/L O2 8 DQO Mg/L O2 17 Manganeso Mg/L Mn 0,04 0,1 Mercurio Mg/L Hg < 0,001 0,001 Conductividad S/cm 557

  • 46

    En la tabla 3 se establecen las caractersticas fsico-qumicas del pozo 2.

    Tabla 3. Caracterizacin fsico- qumico del agua del pozo 2

    PARMETROS UNIDADES RESULTADO RESOL. 2115/07 Conductividad S/cm 703

  • 47

    Figura 5. Balance hdrico de la EMMAF ESP y la Empresa de Acueducto de Bogot

    Fuente. Los autores, 2007.

  • 48

    2.5. Descripcin de las plantas de tratamiento de agua potable

    Inicialmente la Empresa de Acueducto contaba con una planta compacta en

    concreto la cual manejaba un caudal de 7 L/s (Ver Figura 6) y una planta

    convencional con un caudal de 25 L/s (Ver Figura 7). Debido a las

    necesidades de la poblacin y con el fin de darle una apropiada explotacin a

    los pozos, en el ao 2000 se contrato con la firma Acuatecnica la

    construccin de una planta compacta en lamina (Unipack) (Ver Figura 8) con

    una capacidad de 40 L/s. Actualmente se encuentran en operacin la planta

    compacta en lmina y la planta convencional; la planta compacta en concreto

    se encuentra fuera de servicio. En la figura 9 se presenta el plano general de

    la EMMAF con la ubicacin de cada una de las plantas de tratamiento.

    Figura 6. Planta Compacta en concreto

    Fuente. Los autores, 2007

    Figura 7. Planta Convencional Figura 8. Planta Unipack

    Fuente. Los autores, 2007 Fuente. Los autores, 2007

  • 49

    Fuente. Los autores, 2007.

    Figura 9. Planta general de la EMAAF ESP

  • 50

    Antes de ingresar a la Planta Convencional en Concreto y la Planta

    Compacta Unipack, el agua pasa por el proceso de aireacin y oxidacin que

    se describe a continuacin.

    2.5.1. Etapa de aireacin

    Despus de que el agua es captada mediante la motobomba del pozo 1 y

    medida con un medidor de caudal volumtrico, es conducida por una tubera

    de 6 de dimetro en hierro fundido, que la lleva hasta la parte superior de la

    torre de aireacin y se distribuye en su rea superficial mediante 12 flautas.

    Igualmente el agua del pozo 2 es conducida por una tubera de 6 a la parte

    media de la torre de aireacin (Ver Figura 10 y 11).

    La torre de aireacin fue diseada con un ngulo de 2 y tiene 5 bandejas de

    madera con rea superficial de 2.48 x 2.48 m y con espacio entre bandejas

    de 0.68 m. Como medio dispersor del agua se utilizan 2500 anillos Pall por

    bandeja. El objeto de airear el agua en esta torre es producir el contacto del

    aire con agua para oxigenarla, oxidar parcialmente el hierro y el manganeso,

    disminuir la temperatura y expulsar de ella gases como dixido de carbono.

    Figura 10. Torre de aireacin

    Fuente. Los autores, 2007

  • 51

    Figura 11. Torre de aireacin

    Fuente. Los autores, 2007

    2.5.2. Etapa de oxidacin qumica

    Al pasar por las bandejas aireadoras, el agua llega a la bandeja recolectora

    de la torre (Ver Figura 11) y en el orificio de salida se aplica perxido de

    hidrgeno como oxidante qumico en solucin al 12%, con el objeto de

    completar la oxidacin orgnica e inorgnica del agua y poder realizar de

    manera efectiva las etapas de coagulacin - floculacin.

    El perxido de hidrgeno es un producto qumico que viene al 50% en

    recipientes de 14 galones y el operador se encarga de preparar la solucin al

    12% y dosificarla al agua mediante una bomba dosificadora (Ver Figura 13)

    marca Blue-whit de 4.6 GPH mximo en una dosis alrededor de 7 mg/L. La

    bomba dosificadora est ubicada a nivel del terreno y su punto de aplicacin

    se encuentra a 12 metros hacia arriba en la bandeja recolectora de la torre.

    Entrada de agua Pozo 1

    Entrada de agua Pozo 2

    Bandeja recolectora

  • 52

    2.5.3. Etapa de coagulacin

    El coagulante suministrado al agua para desestabilizar sus partculas

    coloidales es el sulfato de aluminio tipo B impalpable (alumbre). Este

    producto se aplica en solucin al 16% p/v en el mismo punto de aplicacin

    del perxido de hidrgeno (Ver Figura 11); en este punto se garantiza

    mezcla rpida hidrulica eficiente para formar los flculos necesarios en la

    etapa de floculacin.

    El alumbre es un producto qumico que viene en bultos de 40 Kg slido

    impalpable (Ver Figura 12) y el operador prepara la solucin en un tanque de

    1000 L mediante un agitador mecnico de 1,5 HP (Ver Figura 14) en un

    tiempo de 15 minutos de agitacin; luego lo pasa por gravedad a un tanque

    dosificador que tiene un agitador mecnico de 1/2 HP con agitacin continua

    para evitar sedimentacin del alumbre. La solucin se dosifica mediante una

    bomba dosficadora marca Sodiscientific de 120 L/h mximo con una dosis

    alrededor de 100 mg/L. La bomba dosificadora est ubicada en la misma

    caseta en donde se encuentra ubicada la dosificadora de perxido (Ver

    Figura 13).

    Figura 12. Almacenamiento de bultos de Sulfato de Aluminio

    Fuente. Los autores, 2007

  • 53

    Figura 13. Bombas dosificadores

    Fuente. Los autores, 2007

    Figura 14. Tanque de preparacin de la solucin de sulfato de aluminio

    Fuente. Los autores, 2007

    2.5.4. Planta compacta en lmina (Unipack)

    A continuacin se presentan las etapas de tratamiento que ocurren

    independientemente en cada planta de potabilizacin de agua.

    2.5.4.1. Floculacin

    A la planta Unipack entra el agua a la canaleta de mezcla rpida dotada de

    bafles ubicada a 6 m sobre el nivel del terreno, en donde es aplicado

    polmero aninico en solucin 0,03% p/v (Ver Figura 15), por medio de una

    Bomba dosificadora de Peroxido de Hidrgeno

    Bomba dosificadora de Sulfato de Aluminio

  • 54

    bomba dosificadora tipo diafragma, como ayudante al coagulante inyectado

    en la torre de aireacin (Ver Figura 16). Entre el punto de aplicacin del

    alumbre y el punto de aplicacin del polmero hay aproximadamente 25

    segundos, tiempo suficiente para que el alumbre reaccione como coagulante

    y el polmero acte adecuadamente como floculante.

    El agua desciende por un canal a la parte baja del floculador que forma parte

    de un cilindro de 10 m de dimetro, junto a una unidad concntrica cilndrica

    de 3,80 m de dimetro que conforma uno de los filtros de la planta (filtro

    interno) (Ver Figura 17). El agua es obligada a pasar en forma ascendente a

    travs de un manto de lodos previamente formado que acelera la formacin

    de flculos grandes y acta como filtro primario reteniendo gran cantidad de

    partculas coloidales.

    Figura 15. Canaleta de mezcla rpida

    Fuente. Los autores, 2007.

    Punto de aplicacin del polmero

  • 55

    Figura 16. Bomba dosificadora de la solucin de polmero

    Fuente. Los autores, 2007.

    Figura 17. Diagrama de la Planta Unipack

    Fuente. Los autores, 2007.

    2.5.4.2. Sedimentacin

    A una determinada altura, el agua es obligada a pasar de forma ascendente

    a travs de una seccin circular que tiene paneles de sedimentacin (Ver

    Bomba dosificadora

  • 56

    Figura 18) que ayudan a retener los flocs ms finos, de esta manera el agua

    finalmente es descargada en la canaleta que reparte el agua hacia los filtros

    (Ver Figura 19). Figura 18. Sedimentador

    Fuente. Los autores, 2007

    Figura 19. Canaleta

    Fuente. Los autores, 2007

    2.5.4.3 Filtracin El sistema de filtracin est conformado por dos filtros, cada uno de 3,80 m

    de dimetro. Un filtro se encuentra en la parte central del floculador-

    sedimentador (Ver Figura 21 y 17) y el otro filtro se encuentra en la parte

    Canaleta donde es descargada el agua

    Paneles de sedimentacin

  • 57

    externa del mismo (Ver Figura 20 y 17). El agua despus de repartirse en las

    canaletas hacia los dos filtros, es obligada a pasar en sentido vertical

    descendente a travs de tuberas de 6 de dimetro para penetrar luego el

    lecho filtrante conformado por grava soporte, grava torpedo y arena filtrante.

    El sistema invierte el flujo y se retrolava con agua filtrada que previamente ha

    almacenado en su parte superior; el retrolavado est diseado para triplicar

    la velocidad del flujo en sentido inverso, fluidificando el lecho filtrante y

    expandindole para retirarle los lodos acumulados. As es aprovechado el

    efecto giratorio del flujo de los micro colectores especiales del fondo, los

    cuales producen flote de partculas haciendo ms efectivo y rpido el

    retrolavado. El sistema de drenaje de estos filtros est conformado por falsos

    fondos que contienen boquillas ranuradas por donde pasa el agua (Ver figura

    22). Figura 20. Filtro externo Figura 21. Filtro interno

    Fuente. Los autores, 2007 Fuente. Los autores, 2007

    Figura 22. Vlvulas para lavado de filtros

    Fuente. Los autores, 2007

  • 58

    2.5.5. Planta convencional en concreto

    A continuacin se presenta la descripcin de las etapas de tratamiento que

    tienen lugar en planta convencional en concreto.

    2.5.5.1. Floculacin Antes de ingresar al floculador, el agua entra a una cmara de disipacin de

    energa y luego a la canaleta Parshall en donde se le aplica un polmero

    aninico en solucin al 0,03% p/v como ayudante de floculacin (Ver Figura

    23). Entre el punto de aplicacin del alumbre y el punto de aplicacin del

    polmero hay aproximadamente 25 segundos.

    Figura 23. Canaleta Parshall y punto de aplicacin del polmero

    Fuente. Los autores, 2007

    A continuacin el agua entra a un floculador horizontal de placas, en donde

    hay tres sectores de velocidad para producir una mezcla hidrulica suave y

    lenta; que garantiza el aumento del flculo en peso y tamao obteniendo una

    buena sedimentacin (Ver Figura 24 y 25).

    Punto de precloracin Punto de

    aplicacin del polmero

  • 59

    Figura 24. Floculador horizontal

    Fuente. Los autores, 2007

    Figura 25. Floculador horizontal

    Fuente. Los autores, 2007

    2.5.5.2. Sedimentacin Una vez el agua sale del floculador, entra a una cmara donde se encuentran

    dos tubos de 12 de dimetro para repartir el caudal a dos sedimentadores

    acelerados. Los tubos repartidores del caudal descienden a una profundidad

    de 3 m y se extiende a lo largo de los sedimentadores; el agua conducida

    pasa por los orificios para empezar a ascender por las placas y finalmente

    descargar en el canal central de 0.5 m de ancho (Ver figura 26). Los

    sedimentadores poseen placas inclinadas a 60 grados y estn construidas de

    asbesto cemento.

    Placas Placas

    Floculador

  • 60

    Figura 26. Sedimentadores

    Fuente. Los autores, 2007.

    2.5.5.3. Etapa de filtracin El sistema de filtracin de la planta convencional fue optimizado con la

    instalacin de cuatro filtros a presin (Ver Figura 27 y 28). stos fueron

    adquiridos por la Empresa de Acueducto a mediados del presente ao a

    causa de un incremento en la demanda de agua y los filtros que posean

    anteriormente no cumplan con las condiciones de operacin requeridas. El

    caudal se reparte en cada uno de ellos; los lechos filtrantes estn

    conformados por grava soporte, grava torpedo y arena filtrante. El sistema de

    lavado, se realiza modificando el sistema de filtracin mediante la

    manipulacin de vlvulas, de tal forma que tres filtros quedan produciendo

    agua filtrada para lavar el filtro que queda por retrolavado. Su sistema de

    drenaje est conformado por flautas ranuradas.

    Canaleta de descarga

    Sedimentadores

  • 61

    Figura 27. Filtros planta convencional

    Fuente. Los autores, 2007

    Figura 28. Filtros

    Fuente. Los autores, 2007

    2.5.5.4 Etapa de precloracin y desinfeccin Antes de ingresar el agua a los sedimentadores de las dos plantas

    convencionales, se realiza la aplicacin de una solucin de cloro en el canal

    entre canaleta Parshall y floculador en la planta convencional (Ver Figura 23)

    y en la canaleta de mezcla rpida en la planta compacta hecha en lmina

    (Ver Figura 15). Esta solucin es preparada mediante cilindros con capacidad

    para almacenar 68 kg de cloro lquido comprimido, que al ser abierta su

    vlvula, pasa en forma gaseosa por un sistema de cloracin de 100 Lb/da

    (clorador, rotmetro y vntury interconectados con mangueras) y es

    succionado por una corriente de agua a presin que va hacia el punto de

    aplicacin (Ver figura 29).

    Filtros antiguosFiltros nuevos

  • 62

    El cloro es el ltimo qumico que se le aplica a esta agua y se tiene que

    aplicar en los puntos anteriormente descritos para controlar la nitrificacin del

    agua, debido a que contiene todos los elementos necesarios para que esto

    ocurra (amonio, oxigeno, alta temperatura y bacterias nitrificantes). La dosis

    aplicada de cloro es alrededor de 8 mg/L.

    Figura 29. Dosificador de cloro

    Fuente. Los autores, 2007

    Tanque de cloro gaseoso

    Vntury

    Rotmetro

  • 63

    3. INVESTIGACIONES ADELANTADAS POR LA EMAAF ESP PARA LA REMOCIN DE COMPUESTOS NITROGENADOS

    Los compuestos nitrogenados son categorizados como elementos que tienen

    implicaciones sobre la salud humana7. Debido a las caractersticas de la

    fuente de abastecimiento, la EMAAF ESP se vio obligada a adelantar

    estudios para la remocin de dichos compuestos. Es por esto que a partir del

    ao 2001, en colaboracin con la Direccin de Agua Potable y Saneamiento

    Bsico del Departamento de Cundinamarca se realizaron pruebas con

    permanganato de potasio, las cuales no arrojaron resultados favorables,

    descartando por completo la aplicacin de este tipo de tratamiento. De igual

    manera se hicieron pruebas con perxido de hidrgeno, alcalinizante y

    agitacin, en las cuales se requera de grandes concentraciones de perxido

    y Ca(OH)2 para lograr reducir el amonio en un gran porcentaje, lo cual

    implicaba gastos mensuales demasiado altos, los cuales estn consignados

    en la tabla 4.

    Durante el ao 2002, la firma HIDROSAN realiz un mejoramiento tcnico,

    econmico y sostenible de la calidad del agua del pozo profundo de la

    EMAAF ESP, mediante un estudio de investigacin, el cual buscaba controlar

    la nitrificacin en diferentes puntos de la planta, red de distribucin y tanques

    de almacenamiento. Dicho estudio gener una serie de recomendaciones

    tendientes al control del amonio ms no a su eliminacin. A partir de estas

    recomendaciones se logr mejorar las actividades llevadas a cabo por el

    Acueducto y controlar algunos procesos en los cuales estaba implicado el

    amonio. 7 Decreto 1575 de 2007, Articulo 6.

  • 64

    En el ao 2003 la EMAAF E.S.P., en conjunto con INGEAGUAS, realizaron

    pruebas para la remocin de amonio del pozo profundo con zeolitas

    naturales cubanas, ya que este tratamiento en otras fuentes de agua haba

    alcanzado remociones hasta del 80%. Se construy un filtro piloto en el cual

    se pretenda la remocin de parmetros como el color, turbiedad y amonio.

    En conclusin, el porcentaje de remocin de amonio no fue satisfactorio

    porque para clorar con una dosis aceptable, se requera remociones mayores

    al 80% y solo se alcanzaron menores al 45%; por tal motivo este

    tratamiento qued descartado (Ver tabla 4).

    En el ao 2006, se realiz un proyecto de investigacin in vitro en conjunto

    con la Universidad de la Salle el cual buscaba incorporar al tratamiento

    convencional un tratamiento biolgico para la remocin de compuestos

    nitrogenados. El estudio arroj excelentes resultados en remocin de amonio

    y nitritos pero no se tuvo en cuenta las condiciones reales de operacin por

    tal motivo resulto ser un antecedente importante para las futuras

    investigaciones.

    A continuacin se presenta una tabla que compila los costos aproximados

    de las diferentes pruebas realizadas por la EMAAF ESP para remover

    compuestos nitrogenados, indicando su grado de factibilidad. Los resultados

    de las pruebas realizadas por la EMAAF, fueron considerados antitcnicos

    debido a que en algunos casos se requera de gran cantidad de qumicos y la

    eficiencia no era la esperada. De igual manera al aplicar dosis tan elevadas

    aumentaban las concentraciones de otros contaminantes impidiendo obtener

    la calidad esperada en el efluente; de otro lado, algunas alternativas de

    tratamiento como el hipoclorito de sodio que obtuvo buenos resultados de

    remocin, no dispona de la tecnologa apropiada para su implementacin.

  • 65

    Tabla 4. Resultados de las Pruebas para remover amonio

    Qumico Cantidad en

    mg/L Caudal

    L/s Cantidad en

    Kg/mes Precio por kilo

    en $ Precio por mes en $

    Caudal m3/mes

    Precio por m3 en $

    Resultados

    Hipoclorito de calcio

    30 55 4277 8120 34727616 142560 244 aumenta alcalinidad

    antitcnico

    Hipoclorito de sodio

    40 55 5702 844 4812825,6 142560 34 aumenta alcalinidad

    antitcnico

    Zeolitas Ineficiente 55 - - - - - -

    Cloro gaseoso 22 55 3136 31332 9822954 142560 69 Antitcnico

    Hidrxido de calcio con aireacin

    1000 55 142560 8120 1157587200 142560 8120 Antitcnico

    Hidrxido de sodio con aireacin

    1000 55 142560 844 120320640 142560 844 Antitcnico

    Peroxido de hidrogeno

    40 55 5702 2023 11535955 142560 81 Antitcnico

    Ozono 3 76,5 594864 - - - - No remueve compuestos

    nitrogenados

    Fuente. EMAAF ESP, Los autores, 2007.

  • 66

    4. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIN El proyecto se llev a cabo en las instalaciones de la Empresa de Acueducto

    y Alcantarillado de Funza (EMAAF ESP), con el fin de poder realizar la

    investigacin en condiciones reales de operacin. Se planific que, al

    terminar las pruebas que demostraban la eficiencia del sistema de lodos

    activados, se acoplara a los reactores una planta piloto compacta de

    tratamiento de agua para consumo humano. El proyecto involucr

    actividades tales como la construccin de dos reactores SBR y el arranque

    de una planta compacta piloto de potabilizacin, como se muestra a

    continuacin.

    4.1. Etapa de Diseo En sta se realiz el diseo del reactor SBR a partir de las condiciones y

    espacio disponible para la ejecucin del proyecto. Para tal efecto se tuvo en

    cuenta la temperatura y la presin atmosfrica del Municipio; adems se

    calcul la cantidad de oxgeno y el suministro de aire que requieren los

    reactores. A continuacin se presentan las condiciones iniciales del efluente

    del pozo uno, tenidas en cuenta para el diseo del SBR.

    Tabla 5. Caractersticas del efluente

    PARAMETRO VALOR UNIDADES

    Caudal 1,47 m3/da

    DBO5 entrada 9 mg/l

    DBO5 salida 0 mg/l

    NH3 6 mg/l

    DBO5 carga 0,0132 Kg/da

    NH3 carga 0,0088 Kg/da

    Fuente: Los autores, 2007.

  • 67

    4.1.1. Caudal de diseo

    El caudal de diseo de los reactores se determin a partir del caudal de la

    planta de agua compacta suministrada por la Universidad de la Salle (Ver

    anexo D), el cual es de 1,47 m3/da que, para un trabajo de 21 horas

    equivaldra a:

    min16.1094.01094.1

    36001

    21147,1

    35

    3 LsL

    sm

    sh

    hda

    damQ ====

    4.1.2 Necesidad de oxgeno para el reactor SBR Durante la etapa de aireacin, el reactor requiere de una cantidad de oxgeno

    necesaria para llevar a cabo las reacciones microbiolgicas. En la tabla 6 se

    establecen los parmetros requeridos para su determinacin.

    [ ] /hOKg0.014420)(T024)^(Alpha)(1.C1)(Cw)(Beta)(ACF(AOR)(Cs)SOR 2.==

    Tabla 6. Datos para determinar el oxgeno requerido

    PARAMETRO VALOR UNIDADES

    Cs 9,17 mg/l

    ACF 0.7185

    Alpha 0,7

    Beta 0,98

    C1 2 mg/l

    T 14 C

    Cw 10.26 mg/l

    Total SOR 0.0144 kg O2/hr Fuente: Los autores, 2007.

  • 68

    Donde:

    Cs: concentracin de oxgeno disuelto en agua corriente. T: temperatura. Beta = Csr/Cs

    Cs: concentracin de oxgeno disuelto en agua corriente.

    Csr: concentracin de oxgeno disuelto en agua residual. : KLa del agua residual / KLa del agua corriente.

    KLa del agua residual: oxgeno disponible para los microorganismos bajo

    condiciones de operacin.

    KLa del agua corriente: oxgeno absorbido bajo condiciones estndar

    4.1.3. Suministro de aire Se determinaron los principales parmetros a tener en cuenta, para

    establecer las caractersticas del soplador a partir del requerimiento de

    oxgeno por parte de los reactores (Ver tabla 7).

    Tabla 7. Parmetros de diseo para determinar capacidad del soplador

    PARAMETRO VALOR UNIDADES

    Profundidad tk efectiva 1,5 m

    Di 1,45 m

    CA 0,28 Kg O2/m3 aire

    n 5 %

    n 7,25 %

    AR 0,71 m3 aire/hr

    Aire total requerido 0,42 CFM Fuente: Los autores, 2007.

  • 69

    Donde:

    Di: Sumergencia de difusores CA: Concentracin de oxgeno en el aire n: Tasa de absorcin especfica n: Tasa de absorcin O2 absorbido/O2 en aire (capacidad de oxigenacin

    requerida por el sistema).

    AR: Cantidad de aire para oxigenar 4.1.4 Dimensionamiento y descripcin de los reactores

    Antes de calcular las dimensiones de los SBR, se verific el espacio

    dispuesto por la EMAAF para la instalacin de los reactores y el de la planta

    compacta piloto de suministro de agua para consumo humano (Ver Figura

    30). En la tabla 8 se establecen las dimensiones del reactor.

    Figura 30. Ubicacin de los reactores

    Fuente. Los autores, 2007.

    Cabezal del pozo N1

    Planta UNIPACK

    Sistema de tanques SBR

    PTAP piloto

  • 70

    Tabla 8. Dimensiones del SBR

    PARMETRO VALOR UNIDADES

    Volumen 0,5 m3

    Altura 1,5 m3

    Dimetro 0,65 m3 Fuente: Los autores, 2007

    Las caractersticas de funcionamiento del SBR no garantizan un flujo

    constante con una sola unidad y teniendo en cuenta que, a escala real el

    suministro no se puede ver interrumpido, se concluy que la manera de evitar

    este fenmeno era construyendo dos reactores. La EMAAF suministr los

    reactores, los cuales fueron construidos en fibra de vidrio para evitar el

    aporte de contaminantes al agua (Ver Figura 31).

    Los reactores contaban con dos orificios de 1/2 cada uno, a 5 cm de la base,

    los cuales eran empleados para la evacuacin de lodo y agua tratada.

    Figura 31. Reactores

    l Fuente. Los autores, 2007.

    Evacuacin de agua tratada

    Evacuacin de lodo

    Evacuacin de lodo

    SBR 1 SBR 2

  • 71

    Salida de agua por mtodo

    gravimtrico

    Tubera de salida de agua por bombeo

    Soplador

    Fuente de energa

    Botn de encendido Botn de

    apagado

    Despus de instalar los reactores se dispusieron en la base tubos de PVC de

    tipo flauta que cumplan la funcin de difusores de aire (Ver Figura 32).

    Adems de los reactores La EMAAF ESP facilit un soplador para

    suministrar el aire a cada SBR. El flujo era restringido por vlvulas tipo globo,

    segn la etapa de funcionamiento en la que encontraran los reactores (Ver

    Figura 33 y 34).

    Figura 32. Ubicacin de los tubos tipo flauta dentro de los reactores

    Fuente. Los autores, 2007

    Figura 33. Soplador empleado para la etapa experimental de la investigacin

    Fuente. Los autores, 2007

    Flautas de descarga de aire

  • 72

    Figura 34. Vlvulas de control de aire

    Fuente. Los autores, 2007.

    La decantacin en la etapa de pre-arranque se realiz gravimtricamente por

    medio de un flotador. Posterior a sta, se requiri adaptar una bomba de

    agua (Ver Figura 35) con para transportar el agua de los reactores hacia la

    Planta Compacta Piloto de potabilizacin de agua.

    Figura 35. Bomba de agua

    Fuente. Los autores, 2007

    Vlvulas de control de aire

  • 73

    4.2. Etapa de pre-arranque

    En esta etapa se obtuvo el lodo microbiolgico, el cual fue suministrado por

    la PTAR del centro vacacional de La Palmara ubicado en el Municipio de

    Melgar. Debido a que el lodo obtenido trataba aguas residuales domsticas

    con diferentes caractersticas al agua del pozo que abastece al municipio de

    Funza, fue necesario la inoculacin del mismo para que se adaptara a las

    nuevas condiciones.

    Para determinar la calidad microbiolgica del efluente del reactor se

    determin la cantidad de coliformes totales por el mtodo de filtracin por

    membrana, en el laboratorio de la EMAAF ESP con la colaboracin del Jefe

    de Laboratorio. De igual manera se realiz una identificacin de parsitos al

    lodo. Se identificaron 403 UFC8/100 ml de coliformes totales, lo cual se

    atribuye a la procedencia del lodo, de igual manera se identificaron

    poblaciones pequeas de parsitos tales como: chilomastix mesnili,

    tricomona y uncinaria que son de origen intestinal. A partir de los datos

    obtenidos fue necesario realizar un monitoreo de este parmetro a la salida

    de la planta compacta piloto de agua para consumo humano, para verificar la

    calidad del efluente posterior a la cloracin.

    Figura 36. Determinacin de coliformes totales

    Fuente. Los autores, 2007. 8 UFC: Unidades Formadoras de Colonias

  • 74

    Fue necesario la adaptacin del lodo mediante operaciones de llenado y

    vaciado cada dos horas con suministro de aire constante durante el proceso.

    De igual forma se inici el monitoreo de los parmetros de inters

    (temperatura, oxgeno disuelto, nitritos y amonio) para verificar la evolucin

    del lodo con las condiciones del agua del pozo.

    Se inici con un tiempo de aireacin de una hora y media y una hora de

    sedimentacin durante los primeros 5 das, posteriormente se aument el

    tiempo de aireacin a 2 horas lo que nos mostr un avance en los resultados

    obtenidos en el laboratorio, que adems mostraban el acondicionamiento del

    lodo al agua del pozo. Se determin aumentar el tie