Tratamiento Secundario de Aguas Residuales

El tratamiento secundario convierte la materia orgánica coloidal fina y disuelta en el agua residual en flóculos biológicos sedimentables y sólidos inorgánicos que pueden ser removidos en tanques de sedimentación.

Objetivos

  • Remover la DBO soluble que escapa del tratamiento primario.
  • Remover cantidades adicionales de sólidos suspendidos por medios biológicos.

Rendimiento

  • 85% de remoción de DBO y SS.
  • No es eficiente en la remoción de nitrógeno, fósforo, metales pesados ni microorganismos patógenos.

Tipos de Tratamiento Secundario

  • Proceso de lodos activados
  • Lagunas aireadas
  • Filtros percolados
  • Biodiscos
  • Lagunas de estabilización

Lodos Activados

Utilizados cuando las aguas residuales responden a un tratamiento biológico. Requieren atención cuidadosa y supervisión competente, incluido un control rutinario de laboratorio.

Requisitos

1. Energía

La calidad y la variabilidad del proceso, para niveles medio, alto y alto de complejidad, deben tener 2 o 3 alternativas.

2. Selección del Proceso

Depende del tamaño de la planta propuesta, los tipos de aguas residuales por tratar, el grado anticipado de operaciones y mantenimiento, y los costos de operación. Deben tener flexibilidad y fácil conversión.

3. Pretratamiento

Se deben remover arenas, sólidos voluminosos, las grasas y aceites antes del proceso de lodos activados.

4. Tanques de Aireación

  • Deben tener suficiente concentración de biomasa.
  • Deben homogeneizar las aguas residuales con el lodo biológico.
  • Deben tener adición suficiente de oxígeno para cubrir la demanda.
  • Deben tener suficiente velocidad de corriente en el fondo del tanque (15 cm/s lodos livianos y 30 cm/s lodos pesados) para no formar depósitos en el fondo.
  • Deben tener un funcionamiento adecuado de los dispositivos de aireación.
  • En caso de desnitrificación, deben tener suficiente capacidad de oscilación del afluente.
  • Deben optimizar el consumo de energía para la adición de oxígeno, circulación y homogeneización.

5. Tanque de Sedimentación Secundaria

  • Separa el lodo activado de las aguas residuales depuradas biológicamente.
  • Debe separar el lodo activado de las aguas residuales por medio de la sedimentación.
  • Deben concentrar y remover el lodo activado sedimentado para su retorno al tanque de aireación.
  • Debe almacenar temporalmente el lodo activado por un mayor caudal de aguas lluvias.

Consideraciones de Diseño – Lodos Activados

Selección del Tipo de Reactor

Se debe considerar la transferencia de oxígeno, la naturaleza del agua residual, las condiciones ambientales locales (temperatura, pH, alcalinidad) y los costos de construcción.

  • Carga orgánica
  • Producción de lodos
  • Requerimientos de transferencia de oxígeno
  • Requerimientos de nutrientes (DBO:100;N:5;P:1)
  • Control de organismos filamentosos
  • Características del efluente (constituyentes orgánicos biodegradables, material orgánico suspendido y constituyentes orgánicos no biodegradables)
  • Tipos y modificaciones (el diseñador tiene libertad, garantizando la eficiencia operacional, la minimización del impacto y la eficiencia económica)

Tanques de Aireación

  • El tamaño es determinado por factores como el caudal a tratar, el grado de tratamiento deseado, la concentración de sólidos en el licor mixto y la carga de DBO, con cálculos.
  • Profundidad del líquido: mayor a 3,05 m y menor que 4,57 m.
  • Cortocircuito: se debe tener control.
  • Entrada y salida: se deben tener compuertas, válvulas, etc. que aseguren un caudal máximo por cualquier tanque de aireación fuera de servicio.
  • Conductos: deben asegurar su propia limpieza o deben ser agitados para que aseguren la velocidad de los sólidos en suspensión.
  • Aparatos medidores: deben instalarse aparatos para medir caudales en plantas con caudales mayores a 60 L/s. Se deben registrar los datos.
  • Borde libre: mayor a 40 cm para control de espuma.

Parámetro Empírico en el Diseño del Tanque de Aireación

Se debe cumplir con los parámetros. En caso de no ser así, el diseñador debe demostrar con base en el estudio piloto que se cumple con los rendimientos deseados.

Equipo de Retorno de Lodos

Se fija según el caso o estudio piloto, variando entre 10% y 200%.

Bombas de Retorno de Lodos

  • 10 cm mínimo de diámetro.
  • Diseñadas para mantener una velocidad no menor de 0,61 m/s.

Operación y Mantenimiento

Se debe tener un manual de control de olores operacionales en condición de caudal mínimo y máximo, arranque, control del sistema de aireación y oxígeno disuelto, programa de mantenimiento preventivo, ensayos de laboratorio, control de lodos y control de caudal mínimo y máximo.

Sedimentador Secundario

Circulares

  • Diámetro entre 3 m y 60 m.
  • El radio no debe exceder 5 veces la profundidad del agua.
  • Para diámetros mayores o iguales a 27 m, la profundidad debe estar entre 4,9 m y 6 m. Se recomienda la colocación de pantallas.

Rectangulares

  • Longitud de 10 a 15 veces la profundidad.
  • Si el ancho es mayor a 6 m, se debe usar un equipo colector de lodos múltiple.

Colector de Lodos Múltiple

  • Alta capacidad para que, cuando se requiera una alta tasa de circulación de lodos, no se formen canales en la copa superior a través del lodo.
  • Debe ser resistente para remover lodos densos acumulados en el tanque de sedimentación.

Rango de Carga de Rebosadero

124 m3/día a 375 m3/día.

Tasa Másica de Carga

Tasa de sólidos totales / área de superficie del tanque (kg/día).

Espesor del Manto de Lodos

La profundidad del espesor debe ser adecuada para asegurar una profundidad adecuada del manto de lodos para que no recirculen los que han espesado y almacenen temporalmente los sólidos que se aplican periódicamente cuando haya exceso de capacidad.

Control de Olores

  • Evitar la acumulación de espumas.
  • Evitar la acumulación de lodos en las paredes.
  • Evitar la acumulación de materia orgánica en los afluentes.
  • Los lodos de retorno deben mantenerse en movimiento.
  • El licor mezclado sedimentable se remueve del piso tan rápido como sea posible.
  • En el clarificador secundario se debe cuidar el tiempo de retención para prevenir la creación de gas sulfhídrico.

Operación y Mantenimiento

Se debe tener un manual para:

  1. Control de olores
  2. Control de lodos flotantes
  3. Control de abultamiento
  4. Operaciones a caudal mínimo y máximo
  5. Arranque

Filtros Percolados

Tanque que contiene un lecho de material grueso, compuesto por materiales sintéticos o piedras de diversas formas, sobre el cual son aplicadas las aguas residuales. Los distribuidores pueden ser fijos o móviles. Alrededor del lecho se encuentra adherida una población bacteriana que descompone las aguas residuales a medida que estas percolan hacia el fondo del tanque. Después de un tiempo, la capa bacteriana adquiere un gran espesor y se desprende hidráulicamente del lecho de piedras para pasar luego a un clarificador secundario en donde se efectúa la separación de los lodos formados.

  • Utilizados en casos donde no existe mayor eficiencia en la remoción de DBO.
  • El reactor o filtro consta de un recipiente cilíndrico o rectangular con diámetros de hasta 60 m y con profundidades entre 1,50 m y 12 m.

Medios de Soporte

  • El medio filtrante puede ser piedra triturada o un medio plástico.
  • El medio debe ser durable y resistente al resquebrajamiento, insoluble y no debe aportar sustancias al medio.

Profundidad del Filtro

  • Piedra: debe tener una profundidad mínima de 90 cm y máxima de 180 cm sobre los desagües.
  • Plásticos: la profundidad se mide por experiencias o estudios piloto. Se debe distribuir un espacio libre de 15 cm entre los brazos distribuidores y el medio filtrante.

Tipos de Filtros Percolados (Clasificación según su Carga)

1. Filtros de Baja Carga

  • Filtros lentos en los que el agua hace solo un paso.
  • Cargas bajas que permiten la nitrificación completa.
  • Seguros y fáciles de operar.
  • Producen una composición del afluente bastante estable, pero con problemas de olores y moscas.

2. Filtros de Alta Carga

  • Recirculación para una carga más homogénea, diluyendo la DBO influente.
  • Recirculación al 400% para evitar olores y moscas.

Recirculación

  • Se debe determinar si se realiza antes o después del clarificador primario o de los sedimentadores secundarios, ya que afecta al diseño.
  • Se debe esclarecer la circulación a usar, su objeto, ventajas, etc.

Bombas de Recirculación

  • El caudal no puede ser menor a la mitad del caudal usado en la planta.
  • Se deben instalar dos bombas por pozo.
  • Se debe instalar una tubería de 3/4 de pulgada con un orificio de 1/8 de pulgada alrededor de las cámaras de las bombas para romper la espuma.
  • La cámara de succión de las bombas debe hacerse en el piso y tener forma de tolva con una inclinación de 45° hacia la succión de las bombas para evitar puntos muertos en las orillas y esquinas.

Relación de Recirculación

De 0,5 a 4,0.

Ventilación

  • Importante en condiciones aerobias.
  • Los desagües, canales y tuberías deben ser diseñados para que el piso quede libre de aire.
  • Se debe tener en cuenta al diseñar un aumento de la carga hidráulica.

Tipos de Ventilación

  • Ventilación forzada
  • Ventilación natural: (canales al 50% llenos), pozo de ventilación en la periferia, drenes con una abertura de un máximo del 15% del área total del filtro.

Distribuidor de Caudal

  • Las aguas se descargan en los filtros por sifones, bombas o descarga por gravedad proveniente del pretratamiento.
  • Se debe considerar que, para distribuidores de reacción hidráulica, es deseable una carga mínima de 60 cm entre la cámara del sifón y los brazos.

Tipos de Distribuidores de Caudal

  • Acción jet
  • Accionamiento de motor eléctrico (2 brazos a 10 rpm)
  • Propulsión hidráulica

Sistema de Desagüe Inferiores

  • Recibe el agua residual tratada y la conduce a un canal de evacuación principal.
  • El arreglo debe cubrir todo el piso del filtro.
  • El área bruta no sumergida debe ser del 15%.
  • La pendiente debe ser del 1% con una velocidad mínima de 60 cm/s.

Control de Olores

Mantener condiciones aerobias con las siguientes medidas:

  • Hacer recircular el efluente de salida del filtro percolador.
  • Eliminar obstrucciones del filtro percolador.
  • Eliminar dispositivos en el fondo, enjuagándolo o raspándolo.
  • Airear las aguas residuales en la entrada de la sedimentación primaria.
  • Agregar sustancias químicas adecuadas.

Operación y Mantenimiento

Tener un manual de operaciones y mantenimiento que contemple:

  • Operación a caudal máximo y mínimo.
  • Control de la variación de carga.
  • Control del recirculador.
  • Control de la toxicidad del agua residual influente.
  • Control de nutrientes.
  • Control de temperatura.
  • Control de la distribución al medio filtrante.
  • Control de olores.
  • Un adecuado plan de mantenimiento preventivo.

Tratamiento Anaerobio

Proceso de degradación de la materia orgánica por la acción de microorganismos en ausencia de oxígeno u otros oxidantes fuertes (SO4, NO3, etc.). Se obtiene biogás compuesto de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) en un 95%, y nitrógeno, amoníaco y sulfuro de hidrógeno en un 5%.

Componentes del Sistema de Tratamiento Anaerobio

Rejillas

Dos conjuntos de rejillas que garanticen la remoción de sólidos que interfieran en el funcionamiento.

Desarenadores

Para la remoción de arenas.

Estructura de Reparticion de Flujo

  • El área del reactor debe ser alimentada en la base, repartiendo el flujo con una caja con múltiples vertederos por medio de una tubería.
  • Debe permitir la detección de obstrucciones y la limpieza de las tuberías.

Medidor de Caudal

Para el monitoreo del flujo.

Consideraciones Adicionales

  • Nunca se debe colocar un sedimentador primario antes de un tratamiento anaerobio de alta tasa para aguas residuales domésticas.
  • Los reactores deben venir inmediatamente después de los procesos de desbaste y desarenado, sin pasar por la sedimentación primaria.
  • Se puede requerir un postratamiento con tanques sedimentadores, lagunas de oxidación, reactores aerobios secundarios o humedales artificiales.

Tipos de Reactores Anaerobios

Reactor UASB (RAFA)

  • El agua se introduce por el fondo del reactor mediante boquillas.
  • El agua pasa a través del manto de lodos.
  • Posee una estructura de sedimentación integrada.

Reactor Anaerobio de Flujo Pistón (RAP)

  • Modificación del reactor anaerobio de pantalla.
  • Permite que la superficie de interfase líquido-gas esté en contacto directo con la atmósfera natural.

Filtros Anaerobios

  • Existe un medio de soporte fijo inerte en el cual crecen adheridos los microorganismos.
  • El agua residual puede tener un flujo ascendente o descendente a través de la cámara.
  • No tiene comportamiento final de sedimentación.

Manejo de Gases

  • Se debe contar con un sistema que permita el manejo y la disposición final del biogás que no genere impactos negativos en la comunidad residente en los alrededores.
  • Se debe evitar la exposición a malos olores.

Composición del Biogás

  • Metano (CH4): 40-80%
  • Dióxido de carbono (CO2): 15-40%
  • Sulfuro de hidrógeno (H2S): 0,05-5%
  • Nitrógeno (N2): 0-20%

Para aguas residuales domésticas, la composición del biogás como combustible es de 5-15% de metano en aire. La quema es de color azul y no produce humo.

Tratamiento de Gases

  • Diseñar un sistema de purificación para eliminar compuestos odoríferos cuando el estudio de impacto ambiental así lo recomiende o si existen residencias a menos de 300 m a la redonda.

Combustión del Biogás

  • La combustión es obligada por aspectos de higiene y seguridad industrial y estética.
  • Tendrá mayor prioridad si se encuentran casas cercanas o no hay suficiente recinto abierto.

Clasificación de Sistemas de Combustión

  • Sistemas de combustión de piso o incinerador
  • Sistemas de combustión elevados o antorcha

Antorchas

  • Deben estar dotadas de elementos de control de llamas.
  • El sistema de control de llamas debe tener un circuito de combustible independiente.
  • Se debe aislar la planta con una trampa de llama.
  • Se debe señalizar la prohibición de fumar y la prohibición de utilizar artefactos que generen chispas.

Procesos Biológicos Más Importantes en el Tratamiento de Aguas Residuales

1. Oxidación de la Materia Orgánica

Por bacterias aerobias, la respiración bacteriana provoca la degradación de la DBO5 del agua residual hasta CO2 y H2O, produciendo energía y nuevas células.

2. Producción Fotosintética de Oxígeno

La fotosíntesis algal produce, a partir de CO2, nuevas algas y O2, que es utilizado en la respiración bacteriana.

3. Digestión Anaeróbica

La materia orgánica se descompone en ausencia de oxígeno, con producción de metano.

Tipos de Lagunas

: anaerobicas, aerobicas, facultativas, maduracion.LAG AEROBICAS resiben agua de tratamiento don pocos solidos en suspencion, se produce la degradacion de la materia organica mediante la actividad de las bacterias aerobias que consumen oxigeno produciendo fotosinteticamente por algas. tienen de 1 a 1,5 profundidad con tiempo de residencia de 20 a 30 dias.CLASIFICACION segun metodo de aireacion en aerobias o aereadas AEROBIAS: aireacion natural, siendo el oxigeno suministrado por el intercambio a travez de la interfase  aire-agua y fundamentalmente por la actividad fotosintetica de las algas. AIREADAS: se agraga oxigeno natural y de forma mecanica los grupos existentes de algas animales o especies dependen de factores como carga organica, mezcla laguna, ph , nutrientes  luz solar  y la temperatura. CONTROL DE OLOR: minimizar la turbulencia, evitar caidas mayores a 5cm, seleccionar adecuadamente el sitio de planta, recoger los gases secundarios,y tratarlos, quemar o tratar los gases primarios, colocacion de barreras vivas, colocar plantas aromatizantes, distancia minima poblacion de la planta de 200mts a menos que un estudio de impacto ambiental demuestre lo contrario. OPERACION Y MATENIMIENTO: se debe tener un manual de operacion y mantenimiento que contemple: Control de ph, control alcalinidad, control de t° control acidos grasos volatiles, control de lavado de solidos suspendidos en el efluente. LAGUNAS DE ESTABILIZACION bajo costo  metodo mas simple de forma rectangular o cuadrada OBJETIVO: remover de aguas residuales la materia organica que ocaciona la descomposicion, eliminar microorganismos patogenos que presentan un peligor a la salud., utilizar su efluente para reutilizacion como agricultura, DEPURACION depende de condiciones climatica, T°, radiacion solar, frecuencia y fuerza de vientos, factores que afectan, la biologia del sistema. ELIMINACION DE MATERIA ORGANICA mediante  sedimentacion de solidos en suspencion 75-80% DBO5 del efluente, trasformaciones biologicas que determinan la oxidacion de la materia organica contenida en el agua.