Lodos Activados 7ta Ed 1ho48

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

27 al 31 de julio de 2009 Cuernavaca, Morelos

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS Material tecnodidáctico PROGRAMA PARA EL FORTALECIMIENTO DE CAPACIDADES DEL SECTOR HÍDRICO 2009 Proyecto DP-0916.3 EDICIÓN TECNOLÓGICA Autores: Dra. Gabriela Moeller Chávez M. en I. Luciano Sandoval Yoval M. en I. Esperanza Ramírez Camperos M. en C. Lina Cardoso Vigueros M. en C. Violeta E. Escalante Estrada M. en C. Ana Cecilia Tomasini Ortiz EDICIÓN TECNOLÓGICO EDUCATIVA Tratamiento pedagógico: Mtro. Joaquín Flores Ramírez DISEÑO GRÁFICO Diseño editorial: Téc. Rodrigo Vargas Tapia Diseño de portada: Iltmo. D. Óscar Alonso Barrón

Septima edición: julio 2009 © Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Reservados todos los derechos. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio, mecánico, eléctrico, de fotocopia, térmico u otros sin permiso del editor. Paseo Cuauhnáhuac Núm. 8532, Progreso, Jiutepec, Morelos, México C.P. 62550 Tel. (777) 329-3600 Ext. 111 Fax (777) 329-3672 Hecho en México Printed in Mexico

PROGRAMA DIDÁCTICO OPERACIÓN DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS OBJETIVOS GENERALES: Al término del curso – taller el participante: • Comprenderá los tipos de contaminantes que hay, los parámetros de calidad, los aspectos básicos de la microbiología y los diferentes procesos de tratamiento de agua residual. • Comprenderá los tipos, características y dinámica de la población microbiana existente en el tratamiento biológico de aguas residuales. • Comprenderá los métodos, técnicas y condiciones que debe tomar en cuenta para la adecuada operación de una planta de lodos activados. • Comprenderá las características y propiedades de los equipos y sistemas de aereación que se pueden utilizar en el tratamiento de aguas residuales. • Comprenderá la importancia, características, normatividad vigente, así como diversos tratamientos sobre lodos residuales. FECHA: 27 al 31 de julio 2009 HORAS: 40 SEDE: INSTRUCTOR (ES): Instituto Mexicano de Tecnología del Agua M. en I. Luciano Sandoval Yoval M. en I. Esperanza Ramírez Camperos M en C. Ana Cecilia Tomasini REQUISITOS: • Personal con conocimientos en plantas de tratamiento. DIRIGIDO A: • Gerentes de mantenimiento, ingenieros y técnicos responsables de la operación de plantas de tratamiento, jefes de protección ambiental y/o ecológica. CONTENIDO OBJETIVOS PARTICULARES Al finalizar el tema el participante será capaz de: 1. ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.

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Comprenderá los tipos de contaminantes, los fenómenos que se presentan y los métodos para su control. Comprenderá los parámetros físicos, químicos y biológicos que se deben considerar en el análisis de agua residual. Comprenderá los tipos de metabolismo y microorganismos que se presentan en aguas residuales. Comprenderá la clasificación y características de los tres procesos de tratamiento de agua residual.

2. INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS.

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El participante conocerá, de manera breve, los antecedentes históricos sobre el proceso de lodos activados.

3. MICROORGANISMOS Y FACTORES AMBIENTALES.

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Conocerá los diferentes tipos de microorganismos existentes en los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales. Comprenderá la dinámica de la población microbiana en un reactor de lodos activados. Aplicará los conocimientos adquiridos en la observación de diferentes microorganismos.

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CONTENIDO 4. CONCEPTOS BÁSICOS Y VARIANTES AL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS.

• •

5. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROCESO.

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6. FUNDAMENTOS Y CONTROL DE LA OPERACIÓN.

• •

7. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO. •

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OBJETIVOS PARTICULARES Conocerá los componentes, características y variantes de operación del proceso de lodos activados. Comprenderá los factores que ha de considerar para la correcta operación de una planta de lodos activados. Conocerá las principales características de los equipos que se utilizan en los sedimentadores primarios y secundarios. Comprenderá la importancia, las características y las formas de operación de los sistemas de aereación que se utilizan en las de lodos activados. Comprenderá los métodos que se deben utilizar para un adecuado monitoreo del proceso biológico de tratamiento. Comprenderá las diferentes técnicas que le permitan un adecuado control del proceso de tratamiento. Conocerá los registros de operación para llevar un control de las actividades que se realizan en la planta de tratamiento para cumplir con los requerimientos establecidos. Conocerá los elementos que se deben tener en cuenta al implementar un programa adecuado de mantenimiento de las instalaciones y del equipo electromecánico de una planta de tratamiento.

8. NORMATIVIDAD APLICADA A EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.

•

Al término del tema, el participante conocerá la legislación, criterios, requerimientos y normas referentes a aguas residuales en México.

9. HIGIENE Y SEGURIDAD.

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Al término del tema, el participante comprenderá las diferentes acciones que deben llevarse a cabo para implementar medidas de seguridad e higiene en una planta de tratamiento de lodos activados.

10. MANEJO DE LODOS RESIDUALES.

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Conocerá los tipos y las características del lodo residual, así como la normatividad vigente para su uso o disposición. Comprenderá los métodos de espesamiento y las diversas tecnologías que se pueden utilizar para la estabilización de los lodos residuales para su uso como biosólido.

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PROGRAMA DE ACTIVIDADES LUNES 27 DE JULIO Registro de participantes Inauguración Dinámica de grupo Video del IMTA Aspectos generales del tratamiento de aguas residuales. Contaminación del agua y su control Parámetros de calidad del agua RECESO Aspectos básicos de la microbiología del agua residual Video de tratamiento de aguas residuales COMIDA Procesos de tratamiento del agua residual. Fisicoquímicos Procesos de tratamiento del agua residual. Biológicos aerobios RECESO Procesos de tratamiento del agua residual. Biológicos aerobios

Todos Representantes del IMTA Todos

09:00 – 09:15 09:15 – 09:25 09:25 – 09:45 09:45 – 10:10

MC. Cecilia Tomasini

10:10 – 11:11 11:00 – 12:00 12:00 – 12:15

MC. Cecilia Tomasini Todos

12:15 – 13:15 13:15 – 13:30 13:30 – 14:30

MC. Cecilia Tomasini

14:30 – 15:00 15:00 – 16:15 16:15 – 16:30

“

16:30 – 18:00

MARTES 28 Introducción al tratamiento de aguas residuales por el proceso de lodos activados Microorganismos y factores ambientales

MC. Cecilia Tomasini

09:30 – 11:00 11:00 – 11:15

RECESO Práctica y análisis de resultados Descripción del proceso IMTA Descripción de procesos

MC. Cecilia Tomasini M.I. Luciano Sandoval

COMIDA Conceptos básicos y variantes del proceso de lodos activados Factores relacionados con el proceso

11:15 – 12:30 12:30 – 13:00 13:00 – 13:30 13:30 – 14:30

M.I. Luciano Sandoval

14:30 – 15:00 15:00 – 16:00 16:00 – 16:15

RECESO Indicadores visuales Indicadores analíticos

09:00 – 09:30

M.I. Luciano Sandoval

16:15 – 17:00 17:00 – 18:00

MIÉRCOLES 29 Tipos de lodos Generación de lodos

M.I. Esperanza Ramírez

11:00 – 11:15

RECESO Espesamiento y deshidratación de lodos Métodos de estabilización

M.I. Esperanza Ramírez

M.I. Esperanza Ramírez

14:30 – 17:00 17:00 – 17:15

RECESO Discusión de práctica

11:15 – 12:45 12:45 – 13:30 13:30 – 14:30

COMIDA Práctica de composteo

09:00 – 09:45 09:45 – 11:00

M.I. Esperanza Ramírez

17:15 – 18:00

M.I. Luciano Sandoval

09:00 – 09:30 09:30 – 10:30

JUEVES 30 Descripción de equipos Muestreo

10:30 – 10:45

RECESO Práctica de indicadores visuales Práctica de muestreo

M.I. Luciano Sandoval

13:30 – 14:30

COMIDA Análisis de resultados Control del proceso

M.I. Luciano Sandoval

14:30 – 15:30 15:30 – 16:00 16:00 – 16:15

RECESO Taller de cálculos

10:45 – 12:00 12:00 – 13:30

M.I. Luciano Sandoval

16:15 – 18:00

M.I. Luciano Sandoval

09:00 – 09:30 09:30 – 10:30

VIERNES 31 Análisis de los resultados del taller de cálculos Problemas comunes y acciones correctivas

10:30 – 10:45

RECESO Manual de operación y mantenimiento Elaboración de manuales Análisis de manuales

M.I. Luciano Sandoval

14:00 – 15:00

COMIDA Higiene y seguridad Normatividad aplicada a el tratamiento de aguas residuales Clausura

10:45 – 12:00 12:00 – 13:00 13:00 – 14:00

M.I. Luciano Sandoval Dra. Gabriella Moeller Todos

15:00 – 15:30 15:30 – 17:00 17:00 – 17:30

CONTENIDO TEMÁTICO

1

ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

2

INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS

3

MICROORGANISMOS Y FACTORES AMBIENTALES

4

CONCEPTOS BÁSICOS Y VARIANTES AL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS

5

DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROCESO

6

FUNDAMENTOS Y CONTROL DE LA OPERACIÓN

7

MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

8

NORMATIVIDAD APLICADA A EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

9

HIGIENE Y SEGURIDAD

10

MANEJO DE LODOS RESIDUALES



ANEXOS

Š

BIBLIOGRAFÍA

ÍNDICE 1. ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.............. 17 1.1 Contaminación del agua y su control ................................................................... 17 1.1.1 Tipos de contaminantes .................................................................................... 17 1.1.2 Vertido de aguas residuales .............................................................................. 20 1.1.3 Autodepuración de lagos................................................................................... 21 1.1.4 Control de la contaminación .............................................................................. 22 1.2 Parámetros de calidad del agua............................................................................ 24 1.2.1 Características físicas ....................................................................................... 25 1.2.2 Características químicas ................................................................................... 26 1.2.3 Características biológicas.................................................................................. 28 1.3 Aspectos básicos de la microbiología del agua residual ................................... 28 1.3.1 Tipos de metabolismo ....................................................................................... 28 1.3.2 Tipos de microorganismos ................................................................................ 29 1.3.2.1 Virus........................................................................................................... 30 1.3.2.2 Bacterias .................................................................................................... 31 1.3.2.3 Hongos....................................................................................................... 32 1.3.2.4 Algas .......................................................................................................... 32 1.3.2.5 Protozoarios ............................................................................................... 34 1.3.2.6 Formas superiores de vida......................................................................... 35 1.4 Procesos de tratamiento del agua residual.......................................................... 35 1.4.1 Clasificación de métodos de tratamiento........................................................... 36 1.4.1.1 Procesos físicos ......................................................................................... 36 1.4.1.2 Procesos químicos..................................................................................... 38 1.4.1.3 Procesos biológicos ................................................................................... 40 Sistemas aerobios ............................................................................................. 41 Sistemas anaerobios ......................................................................................... 71 1.4.1.4 Ventajas y desventajas de los procesos aerobios anaerobios ................... 86 AUTOEVALUACIÓN DE L CAPÍTULO 1 .......................................................................... 90 2. INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS ................................................................................ 93 2.1 Historia del proceso de lodos activados .............................................................. 95 2.2 Lodos activados en México ................................................................................... 95 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 2 ........................................................................... 99 3. MICROORGANISMOS Y FACTORES AMBIENTALES .............................................. 101 3.1 Tipos de microorganismos.................................................................................. 102 Virus ......................................................................................................................... 102 Bacterias .................................................................................................................. 103 Morfología bacteriana .......................................................................................... 103 Protozoarios ............................................................................................................. 105 Protozoarios flagelados........................................................................................ 105 Sarcodina............................................................................................................. 105 Ciliados ................................................................................................................ 105 Rotíferos................................................................................................................... 107 Nemátodos ............................................................................................................... 109 Hongos..................................................................................................................... 112

3.2 Dinámica de la población .....................................................................................112 3.3 Uso del microscopio .............................................................................................114 Microscopio compuesto ............................................................................................115 Procedimientos para el uso del microscopio.............................................................117 Recomendaciones para su manejo...........................................................................118 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 3 ..........................................................................119 4. CONCEPTOS BÁSICOS Y VARIANTES AL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS ...121 4.1 Descripción del proceso.......................................................................................121 Componentes del sistema de lodos activados ..........................................................121 4.2 Variantes al proceso de lodos activados ............................................................122 Flujo pistón................................................................................................................122 Completamente mezclado ........................................................................................123 Estabilización – o...........................................................................................123 Aeración extendida ...................................................................................................124 Zanjas de oxidación ..................................................................................................125 Alimentación escalonada (a pasos) ..........................................................................125 Aeración reducida .....................................................................................................126 Oxígeno puro ............................................................................................................126 Proceso Graus ..........................................................................................................127 4.3 Factores relacionados con el proceso ................................................................128 Concentración del agua cruda ..................................................................................128 Nutrientes..................................................................................................................129 Oxígeno disuelto (OD) ..............................................................................................129 Tiempo de retención .................................................................................................129 pH .............................................................................................................................130 Toxicidad...................................................................................................................130 Temperatura .............................................................................................................131 Mezcla.......................................................................................................................132 Gasto ........................................................................................................................132 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 4 ..........................................................................133 5. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROCESO .....................................................135 5.1 Equipos en sedimentadores.................................................................................135 Sedimentadores primarios y secundarios .................................................................135 Sedimentadores circulares........................................................................................135 Sedimentadores rectangulares .................................................................................137 Rastra de cadenas ....................................................................................................138 Puentes viajeros .......................................................................................................139 5.2 Sistemas de aeración............................................................................................139 Aeradores mecánicos ...............................................................................................139 Consideraciones en la operación y mantenimiento...................................................143 Aeración por difusión ................................................................................................144 Difusores porosos .....................................................................................................145 Difusores no porosos ................................................................................................145 Otros sistemas de difusión........................................................................................146 Sopladores................................................................................................................148 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 5 ..........................................................................151

6. FUNDAMENTOS Y CONTROL DE LA OPERACIÓN ................................................. 153 6.1 Monitoreo del proceso ......................................................................................... 153 Indicadores visuales................................................................................................. 154 Color .................................................................................................................... 154 Olor ...................................................................................................................... 154 Espuma................................................................................................................ 154 Algas .................................................................................................................... 155 Rocío en aeradores.............................................................................................. 155 Turbiedad del efluente ......................................................................................... 155 Burbujeo............................................................................................................... 155 Material flotante.................................................................................................... 155 Acumulación de sólidos ....................................................................................... 156 Trayectoria de flujos............................................................................................. 156 Turbulencia .......................................................................................................... 156 Tacto .................................................................................................................... 157 Indicadores analíticos............................................................................................... 158 Oxígeno disuelto (OD) ......................................................................................... 159 DBO5 .................................................................................................................... 160 DQO..................................................................................................................... 160 Prueba de consumo de OD.................................................................................. 161 SS y SSV ............................................................................................................. 161 Prueba de sedimentabilidad de 30 minutos ......................................................... 162 Nutrientes............................................................................................................. 163 pH ........................................................................................................................ 163 Grasas y aceites .................................................................................................. 163 Temperatura ........................................................................................................ 163 Observaciones microscópicas ............................................................................. 163 Profundidad del manto de lodos .......................................................................... 164 Acidez y alcalinidad.............................................................................................. 164 Gastos.................................................................................................................. 165 Tiempo de retención ............................................................................................ 166 Dosificación de productos químicos..................................................................... 166 Niveles y alturas de tanques ................................................................................ 166 6.2 Control del proceso.............................................................................................. 167 Índice volumétrico de lodos (IVL) ............................................................................. 167 Cargas: orgánica y de sólidos suspendidos ............................................................. 168 Relación alimento/microorganismos (A/M)............................................................... 168 Edad de lodos (tiempo medio de retención celular) ................................................. 172 Control del gasto de recirculación ............................................................................ 174 Control de la purga................................................................................................... 175 6.3 Taller de cálculos ................................................................................................. 176 6.3.1 Cálculos con referencia de S.R. Ramalho....................................................... 177 6.3.1.1 Sistema convencional .............................................................................. 177 6.3.1.2 Sistema de aeración extendida ................................................................ 180 6.3.2 Cálculos con referencia de Metclaf & Eddy ..................................................... 184 6.3.2.1 Sistema convencional .............................................................................. 184 6.3.2.2 Sistema de aeración extendida ................................................................ 187 6.3.3 Índice volumétrico de lodos ............................................................................. 190 6.3.4 Consumo de oxígeno ...................................................................................... 191 6.3.4.1 Sistema convencional .............................................................................. 191

6.3.4.2 Sistema de aeración extendida.................................................................192 6.3.5 Nutrientes.........................................................................................................193 6.3.5.1 Convencional ............................................................................................193 6.3.5.2 Aeración extendida ...................................................................................194 6.3.6 Resumen de resultados ...................................................................................195 6.4 Problemas comunes y acciones correctivas ......................................................195 Introducción ..............................................................................................................195 Técnicas generales ...................................................................................................196 6.5 Arranque de una planta de tratamiento de aguas residuales en su modalidad de lodos activados ...................................................................................197 Preparación previa al arranque.................................................................................197 Análisis del agua residual .....................................................................................197 Revisión del equipo electromecánico ...................................................................198 Revisión hidráulica de los tanques .......................................................................200 Arranque ...................................................................................................................200 Arranque de una PTAR de Lodos Activados sin inóculo. .....................................200 Arranque de una PTAR de Lodos Activados con inóculo .....................................204 Transición del arranque ............................................................................................207 Problemas típicos en el arranque .............................................................................208 Espuma.................................................................................................................208 Problemas de sedimentación de lodos biológicos ................................................208 Baja remoción de DBO5 ........................................................................................209 Temperatura y condiciones climáticas desfavorables...........................................209 Equipos, materiales y reactivos para realizar la puesta en marcha ..........................209 Demanda bioquímica de oxígeno .........................................................................209 Demanda química de oxígeno ..............................................................................210 Oxígeno disuelto...................................................................................................210 pH .........................................................................................................................210 Turbiedad..............................................................................................................211 Determinación de sólidos......................................................................................211 Índice volumétrico de lodos ..................................................................................211 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 6 ..........................................................................212 7. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO........................................................215 7.1 Registro de operación ..........................................................................................215 7.2 Mantenimiento .......................................................................................................220 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 7 ..........................................................................226 8. NORMATIVIDAD APLICADA A EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES .......227 8.1 Desarrollo de la legislación en México. Criterios y normas ..............................227 8.2 Normativa vigente (1997-2004).............................................................................233 8.2.1 NOM-001-SEMARNAT-1996 ...........................................................................233 8.2.2 NOM-002-SEMARNAT-1996 ...........................................................................241 8.2.3 NOM-003-SEMARNAT-1997 ...........................................................................245 9. HIGIENE Y SEGURIDAD ..............................................................................................251 Programas ................................................................................................................251 Medidas de higiene ...................................................................................................252 Sustancias peligrosas ...............................................................................................253 Espacios confinados .................................................................................................254

Medidas de protección ............................................................................................. 254 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 9 ......................................................................... 256 10. MANEJO DE LODOS RESIDUALES......................................................................... 257 Introducción................................................................................................................ 257 10.1 Tipos y características de los lodos residuales .............................................. 258 10.1.1 Características físicas ................................................................................... 259 10.1.2 Características químicas ............................................................................... 260 10.1.3 Características microbiológicas..................................................................... 261 10.2 Normatividad sobre lodos residuales............................................................... 263 10.3 Tratamiento de lodos residuales....................................................................... 265 10.3.1 Espesamiento y deshidratación de lodos ...................................................... 266 10.3.2 Estabilización ................................................................................................ 276 BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................ 303 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 10........................................................................ 306 ANEXOS .......................................................................................................................... 309 ANEXO A. TÉCNICAS DE MUESTREO .......................................................................... 309 Introducción................................................................................................................ 309 Objetivos de un programa de muestreo................................................................... 309 Preparación .............................................................................................................. 311 Envases y preservadores químicos.......................................................................... 311 Revisión del equipo de muestreo de campo ............................................................ 312 Ubicación de la estación de muestreo...................................................................... 315 El muestreo .............................................................................................................. 315 Registro en campo ................................................................................................... 315 Colecta de muestras ................................................................................................ 316 Muestreo de ríos y arroyos....................................................................................... 318 Muestreo en tomas................................................................................................... 320 Muestreo en descargas libres .................................................................................. 320 Muestreo en canales y colectores ............................................................................ 320 Muestreo en tanques y lagos ................................................................................... 321 Procedimientos de muestreo.................................................................................... 321 Muestreo manual ................................................................................................. 321 Muestreo automático............................................................................................ 322 Preservación de muestras........................................................................................ 322 Control y aseguramiento de calidad en campo ........................................................ 323 Blancos de equipo.................................................................................................... 323 Blancos de viaje ....................................................................................................... 323 Blancos de campos .................................................................................................. 324 Muestras dobles ....................................................................................................... 324 Muestras divididas.................................................................................................... 324 ANEXO B. PRÁCTICA DE MUESTREO.......................................................................... 325 Generalidades............................................................................................................. 325 Procedimiento............................................................................................................. 326 ANEXO C. CÁLCULO DE LA RECIRCULACIÓN Y PURGA DE LODOS ...................... 337

ANEXO D. CALENDARIOS DE ACTIVIDADES...............................................................340 Arranque de una PTAR de Lodos Activados sin inóculo. .......................................340 Arranque de una PTAR de Lodos Activados con inóculo. ......................................341 ANEXO E. FORMATOS DE CONTROL DE ARRANQUE Y UESTA EN MARCHA ........343 BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................349 RESPUESTA A LAS AUTOEVALUACIONES .................................................................353 Capítulo 1.....................................................................................................................353 Capítulo 2.....................................................................................................................353 Capítulo 3.....................................................................................................................353 Capítulo 4.....................................................................................................................354 Capítulo 5.....................................................................................................................354 Capítulo 6.....................................................................................................................355 Capítulo 7.....................................................................................................................355 Capítulo 9.....................................................................................................................355 Capítulo 10...................................................................................................................356 INSTRUCTORES ..............................................................................................................357

INTRODUCCIÓN Este curso-taller de operación de plantas de tratamiento de lodos activados fue diseñado para formar al personal involucrado en este tipo de tratamientos. Con este material se proporcionan las herramientas básicas del proceso de tratamiento mediante la presentación del texto con ayudas didácticas, prácticas de campo que proporcionan un marco completo del proceso. El texto se estructuró de tal manera que, primero se presentan los antecedentes del proceso de lodos activados, cómo surgieron y dónde se aplica, un resumen de su aparición en México, y su vigencia. Después de la presentación del biológicas del tratamiento; esto microorganismos responsables de orgánica y demás que conviven dinámica de dicha población.

proceso se dan las bases es, la descripción de los la degradación de la materia en el sistema, así como la

Se presenta el tema de lodos activados con la descripción del proceso, las unidades previas requeridas, los componentes básicos del sistema y su interrelación. Enseguida se aborda el tema de modificaciones al proceso, el cual resulta interesante por presentarse de manera sencilla y clara, con diagramas de su funcionamiento. Una vez conocidos los principios básicos del proceso, se muestran los equipos para el sistema, como son los de sedimentación y los equipos para proporcionar el oxígeno demandado por los microorganismos. La responsabilidad del buen funcionamiento de la planta generalmente recae en el operador; por eso, la parte más importante del curso-taller hace referencia a los fundamentos y control de la operación. En la primera parte se dan las herramientas para el control de proceso, así como la práctica directa del cálculo de parámetros e índices de este control mediante un taller de cálculos donde se realizarán operaciones sencillas, pero de suma importancia para el operador. Se ejemplifican los problemas típicos del proceso y su acción correctiva mediante el uso de matrices que son de gran práctica.

Se dan las bases para el arranque de una planta de tratamiento de lodos activados, con todas las implicaciones que presenta: prueba a unidades, equipos, inoculación, arranque, control del proceso durante los primeros días y problemas que se pueden presentar. Entre los temas del curso-taller también esta el referente a higiene y seguridad dentro de la planta; un tema que requiere mucha atención pues pocas instalaciones en el país observan esas normas. Finalmente, el último tema se refiere al tratamiento de lodos residuales, en donde se trata el composteo y vermicomposteo.

OBJETIVOS GENERALES Al término del curso –taller, el participante: •

• • • •

Comprenderá los tipos de contaminantes que hay, los parámetros de calidad, los aspectos básicos de la microbiología y los diferentes procesos de tratamiento de agua residual. Comprenderá los tipos, características y dinámica de la población microbiana existente en el tratamiento biológico de aguas residuales. Comprenderá los métodos, técnicas y condiciones que debe tomar en cuenta para la adecuada operación de una planta de lodos activados. Comprenderá las características y propiedades de los equipos y sistemas de aereación que se pueden utilizar en el tratamiento de aguas residuales. Comprenderá la importancia, características, normatividad vigente, así como diversos tratamientos sobre lodos residuales.

DIRIGIDO A: • • •

Gerentes de mantenimiento. Ingenieros y técnicos responsables de la operación de Plantas de Tratamiento. Jefes de protección ambiental y/o ecología.

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

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ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES AUTORES: Gabriela Moeller Chávez Violeta E. Escalante Estrada Ana Cecilia Tomasini Ortiz

Objetivos particulares: Al término del tema, el participante: • Comprenderá los tipos de contaminantes, los fenómenos que se presentan y los métodos para su control. • Comprenderá los parámetros físicos, químicos y biológicos que se deben considerar en el análisis de agua residual. • Comprenderá los tipos de metabolismo y microorganismos que se presentan en aguas residuales. • Comprenderá la clasificación y características de los tres procesos de tratamiento de agua residual.

1.1 Contaminación del agua y su control Debido a la importancia que tiene el agua en la vida del hombre, si está contaminada se convierte en un medio con gran potencial para transmitir una amplia variedad de enfermedades. En los países desarrollados las enfermedades hídricas son raras, lo que se debe esencialmente a la presencia de sistemas eficientes de abastecimiento de agua y de tratamiento del agua residual. Sin embargo, en los países en vías de desarrollo cerca de 2000 millones de personas, no cuentan con abastecimiento de agua segura y saneamiento adecuado. Como resultado, las enfermedades hídricas en estos alcanzan cifras alarmantes. Actualmente hay una gran preocupación por los posibles riesgos para la salud que pueden surgir a largo plazo por la presencia de pequeñas concentraciones de impurezas en el agua para beber, en especial de compuestos potencialmente cancerígenos. También existen varios contaminantes, de origen natural o producidos por el hombre, que tienen efectos conocidos en la salud de quienes los consumen. Por tanto, es muy importante que se conozca la relación que existe entre la calidad del agua y la salud.

1.1.1 Tipos de contaminantes Es importante tener presente que todas las aguas naturales contienen varios contaminantes que provienen de la erosión, la lixiviación y los procesos de degradación a la intemperie. A esta contaminación natural se agrega aquella causada por las aguas residuales de origen doméstico o industrial, que por lo común se eliminan descargándolas, por ejemplo, en el mar, en estratos subterráneos o, más comúnmente, en aguas superficiales. 17

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Cualquier cuerpo de agua es capaz de asimilar cierta cantidad de contaminantes, sin mostrar efectos serios, debido a los factores de dilución y autopurificación que están presentes. Si hay contaminación adicional, se altera la naturaleza del cuerpo de agua receptor y deja de ser adecuado para sus diferentes usos. Por lo anterior, es importante conocer los efectos de la contaminación, así como las medidas de control disponibles para el manejo eficiente de los recursos hidráulicos. Los contaminantes que afectan la calidad del agua también se pueden clasificar de la siguiente forma: a) b) c) d) e) f) g)

Compuestos infecciosos y tóxicos. Materiales que afectan el balance de oxígeno en el agua. Compuestos orgánicos persistentes. Nutrientes. Materia suspendida. Temperatura. pH a) Compuestos infecciosos y tóxicos

Aquí se incluye una amplia variedad de sustancias que han demostrado tener impacto negativo en el ser humano al estar presentes en el agua potable a la cual utilizan como vehículo de transporte. Las bacterias son las representativas de los compuestos infecciosos relacionándolas con grandes epidemias, también se encuentran los virus, protozoarios, helmintos, gusanos y otros organismos patógenos. El arsénico, plomo, mercurio, cio, otros metales en su mayoría pesados, y algunos compuestos orgánicos pueden provenir de operaciones de acabado y cromado de metales, repelentes de polilla utilizados en la manufactura de textiles, herbicidas y plaguicidas, etc. El efecto que causan en el ser humano es tan importante que pueden llegar a modificar el material genético en las células de los seres vivos. b) Materiales que afectan el balance de oxígeno en el agua Algunos compuestos orgánicos son utilizados por los microorganismos presentes en la corriente como fuentes de energía y crecimiento. El proceso metabólico en estas transformaciones causa el rompimiento de los compuestos orgánicos generando estructuras más sencillas y residuos. De esta forma, las reacciones bioquímicas llevadas a cabo emplean el oxígeno disuelto en el agua, limitando la disponibilidad de éste en la corriente. El valor de la DBO depende del tipo y cantidad de compuestos orgánicos presentes, número y tipo de organismos en el agua, temperatura, pH, presencia de nutrientes y elementos traza necesarios para el crecimiento. La presencia en exceso de organismos y/o materiales puede causar el agotamiento del oxígeno disuelto y la muerte de los organismos superiores (peces). Además, la ausencia de oxígeno disuelto afecta el crecimiento de los microorganismos aerobios y favorece el predominio de los organismos anaerobios que generan subproductos causantes de olores desagradables.

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La reducción del oxígeno disuelto (OD) en la corrientes de agua, ha recibido especial atención en los estándares de calidad, por esta razón la prueba de la DBO es una medida para evaluar las características de las descargas de aguas residuales; este método es práctico y directo para medir el oxígeno consumido por los organismos durante la estabilización bioquímica de la materia orgánica. Otro tipo de sustancia que entorpece la transferencia de oxígeno a través de la interfase aire-agua son las grasas y aceites, ya que forman películas que no permiten la transferencia de oxígeno. c) Compuestos orgánicos persistentes Estos compuestos no se descomponen a través de la acción biológica, por lo que pueden permanecer durante largos periodos o indefinidamente. Se ha encontrado que los pesticidas y los hidrocarburos clorados, que son resistentes al ataque bioquímico, pueden generar problemas crónicos o agudos en la salud. d) Nutrientes Los microorganismos requieren de elementos que son necesarios para su crecimiento y reproducción. Estos elementos incluyen carbón, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo, azufre y algunos otros, presentes en cantidades traza, cuando alguno de ellos no existe, el crecimiento y reproducción se afectan. Un exceso de N y P debido a descargas residuales sin tratar pueden causar problemas de eutroficación en cuerpos de agua ya que favorecen el crecimiento excesivo de algas y malezas acuáticas, y ya que algunas algas pueden fijar el nitrógeno atmosférico, se acepta generalmente que el fósforo es el nutriente limitante en el agua. Los fosfatos se encuentran en el agua residual, debido en parte, a excretas humanas y al uso en los detergentes sintéticos. e) Materia suspendida La materia suspendida tiene un tamaño de partícula mayor que las moléculas disueltas y los iones, dividiéndose en partículas suspendidas y coloidales. La materia suspendida presenta efectos desagradables en la calidad del agua. Por ejemplo, el incremento de la turbiedad restringe los usos que se pueden obtener del agua tratada. Además, las partículas interfieren con la penetración de la luz, causando un impacto considerable a los organismos acuáticos que dependen de ella para crecer y reproducirse. Por lo que tienen una gran influencia sobre el balance ecológico de los cuerpos de agua. La materia suspendida está presente en las corrientes y lagos debido a que es arrastrada en el agua superficial de campos de cultivo y áreas urbanas, o por la descarga de residuos industriales o municipales. Por ejemplo, los compuestos de hierro presentes en los efluentes de las fábricas de acero o minas de carbón abandonadas reaccionan con la alcalinidad y el oxígeno presentes en la corriente formando precipitados que impactan en diferente forma el estado natural de la corriente.

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Por otro lado, la materia suspendida puede estar formada por los sólidos suspendidos y por los sedimentables. Los cuales sedimentan en el fondo de los ríos, lagos, lagunas, o estanques creados con ese fin. Cuando los sólidos sedimentados contienen gran cantidad de materia orgánica su descomposición crea problemas de olor, pero el efecto más importante es la reducción de la capacidad de los cuerpos de agua debido a la sedimentación, provocando así la destrucción de la vida acuática. f) Temperatura La temperatura es el principal ejemplo de la complejidad del agua ya que puede ser dañina o benéfica dependiendo de las circunstancias. El mayor impacto del incremento de la temperatura en las corrientes es que abate el valor de la fuente para sus usos posteriores. Asimismo, intensifica los problemas de sabor y olor en el agua potable. El valor de la DBO se incrementa sustancialmente con el aumento en la temperatura, por las siguientes razones: • •

la rapidez de la reacción bioquímica en la corriente se acelera con el incremento de la temperatura, lo cual reduce el oxígeno disuelto (OD) disponible del sistema. las altas temperaturas abaten el reabastecimiento del oxígeno consumido en las reacciones, al aumentar la temperatura de la corriente se acelera la muerte de algunas especies.

1.1.2 Vertido de aguas residuales En las corrientes de agua en estado natural, Bacterias existe un equilibrio entre la vida vegetal y Sustancias Algas animal, mediante una gran interacción entre naturales e las diversas formas de vida que aseguran el inorgánicas proceso de autodepuración (Figura 1.1). Las Agua residual aguas de buena calidad se caracterizan por Protozoarios una gran diversidad de especies sin predominio de unas o de otras. La materia orgánica vertida a un cauce es descompuesta por bacterias a nitrógeno amoniacal, nitratos, sulfatos, bióxido de carbono, etc., los cuales son utilizados por plantas y algas para producir carbohidratos y Hombre oxígeno. Las especies vegetales sirven de Peces alimento a animales microscópicos (rotífero, etc.), los cuales a su vez, sirven de alimentos a crustáceos, insectos, gusanos y peces. FUENTE: Noyola-Robles, A., et al, 2000 Algunos animales se alimentan de los residuos producidos por otros, ayudando de Figura 1.1 Ciclo de autopurificación esta manera a la degradación bacteriana. Si la concentración de materia orgánica vertida es grande, el crecimiento bacteriano será muy alto con una disminución del oxígeno disuelto (OD) lo cual afecta el equilibrio mencionado. 20

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Como se dijo, los efluentes líquidos son eliminados mediante su vertido a aguas superficiales, tanto directamente como a terrenos que drenen a las mismas; por descarga en aguas subterráneas, de forma directa mediante inyección en pozos profundos o indirecta por percolación, o por evaporación a la atmósfera. Cualquiera que sea la forma de eliminación final utilizada, los efluentes deben tratarse previamente hasta por lo menos, un nivel equivalente al del tratamiento secundario de manera que se cumpla con la legislación vigente y no altere negativamente el ecosistema donde se descarga. Cuando la descarga de agua residual se realiza en un cuerpo de agua pueden presentarse los siguientes fenómenos: dilución, dispersión, sedimentación, desinfección y temperatura. •

Dilución: la dilución con un gran volumen de agua que contenga una cantidad importante de OD ayuda a reducir la posibilidad de ocurrencia de efectos contaminantes. Por el contrario, los efluentes vertidos a corrientes de agua de poco caudal, necesitan de tratamiento intensivo si se quiere cumplir con las normas de calidad del agua.

•

Dispersión: las corrientes colaboran en la dispersión del agua residual en el agua, lo que disminuye la posibilidad de crear zonas con altas concentraciones de contaminantes. La existencia de remolinos y retrocesos de las aguas pueden dar lugar a la sedimentación de los sólidos suspendidos, provocando la formación de bancos de lodo y la producción de malos olores. Las corrientes rápidas favorecen la reaeración, a la vez que reduce el tiempo de recuperación; pero puede aumentar la longitud del tramo de la corriente afectado por el vertido.

•

Sedimentación: los sólidos suspendidos y los sedimentables elevan la demanda de oxígeno, estos pueden ser eliminados por sedimentación si la velocidad de la corriente es menor que la de arrastre de las partículas. Tal eliminación mejora la calidad del agua después de la zona de sedimentación, pero no cabe duda que es perjudicial en el punto donde los sólidos se acumulan.

•

Desinfección: la luz solar actúa como desinfectante y estimula el crecimiento de las algas. Estas producen oxígeno durante el día, pero lo consumen durante la noche. Las aguas que contienen grandes desarrollos de algas pueden llegar a sobresaturarse de OD durante las horas de sol y tornarse anaerobias durante la noche.

•

Temperatura: la temperatura afecta a la solubilidad de oxígeno en el agua, a la actividad de las bacterias y a la velocidad de reaeración. La condición crítica se alcanza en épocas de altas temperaturas en las que el consumo de oxígeno es elevado y su disponibilidad reducida.

1.1.3 Autodepuración de lagos La autodepuración de los lagos la efectúan los mismos agentes que actúan en las corrientes. Sin embargo, en los lagos las corrientes son menos pronunciadas y a menudo la sedimentación originará grandes acumulaciones de lodo en el fondo, algas muertas y otros tipos de vegetación. La inevitable descomposición que puede ser lenta debido a las bajas temperaturas del agua profunda, empleará todo el oxígeno de dichas capas más profundas. 21

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No es raro descubrir en los embalses y lagos, que las capas de aguas superiores contengan mucho OD, plancton y peces propios de aguas limpias, mientras que los estratos inferiores presentan las características de ausencia de oxígeno, bacterias anaerobias y olores desagradables. Un lago poco profundo presenta condiciones favorables para la rápida autodepuración: gran superficie de agua en comparación con el volumen y mucho o con las algas tanto en las masas flotantes como en las fijas sobre plantas acuáticas o en las orillas. El efecto de los vertidos de aguas residuales en lagos y estuarios puede estudiarse empleando modelos matemáticos y su aplicación queda fuera de los alcances de este curso.

1.1.4 Control de la contaminación Debido a la necesidad de conciliar las diferentes demandas de los recursos hidráulicos, la mayoría de los países tienen leyes para controlar la contaminación, conservar y, tal vez mejorar, la calidad del agua. En este contexto es útil citar la definición de la Comunidad Económica Europea (CEE): “La contaminación del agua es la descarga efectuada por el hombre de sustancias diversas al medio ambiente acuático, que pone en riesgo la salud humana, daña los recursos vivos y los ecosistemas acuáticos, impide su uso para fines recreativos o interfiere otros usos legítimos del agua”. Se concluye que para que una descarga se denomine contaminante, debe haber evidencia de deterioro o daño. Cuando se establecen métodos para el control de la contaminación del agua, los patrones se pueden basar ya sea en calidad del agua requerida por el cuerpo receptor (enfoque de objetivos de calidad del río) o bien pueden aplicarse directamente al afluente sin referencia a la calidad del agua del cuerpo receptor (enfoque de patrones de emisión). El método de objetivos de calidad resulta lógico pero puede ser causa de problemas cuando se agrega una nueva descarga al sistema, ya que todos los niveles de descarga existentes deben revisarse río abajo o la nueva descarga y se puede enfrentar un estándar de calidad para el agua muy alto, imposible de lograr. Podría ser desigual el grado de tratamiento requerido para aguas residuales similares que se descargan en diferentes tramos de un mismo río. Un efluente aguas abajo podría requerir más tratamiento debido a que el agua de dilución sería de una calidad inferior como resultado de la descarga aguas arriba. Desde el punto de vista istrativo, el concepto de patrones de emisión es conveniente en el sentido que el estándar se aplica a todas las descargas similares, pero tiene la desventaja que no se toman en cuenta las características de autopurificación del agua receptora ni de su uso aguas abajo. El compromiso de adoptar patrones de emisión basados en el uso del agua receptora tiene el mérito de ser más fácil de implantar que los patrones para agua receptora, pero no asegura por sí mismo la conservación de la calidad del agua en condiciones cambiantes de descarga del efluente.

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El control de la contaminación del agua en el Reino Unido está apoyando principalmente en el trabajo pionero de la Royal Commision on Sewage Disposal, que en su octavo informe (1992) propuso la adopción de normas para efluentes relacionados con la calidad y volumen del agua de dilución. Según estos estudios, la Comisión sugirió que una DBO de 4/mg/l en un curso de agua era un límite que, si era excedido, indicaría un grado significativo de contaminación. Un esquema de cobro alienta a los s industriales a tomar acciones para reducir el volumen y la concentración del agua residual por medio de un mejor control de los procesos y, si es posible, una modificación de los mismos. Si los desechos industriales se descargan al sistema de drenaje principal, es importante asegurarse que el agua residual no contenga material que dañe el alcantarillado, a los trabajadores del drenaje o a los procesos de tratamiento de agua residual. Por esto en algunos casos puede ser necesario dar un pretratamiento en la industria antes de hacer una descarga al alcantarillado. La política de “el que contamina paga”, algunas veces invocada para tratar las descargas de desecho industrial, puede ser no totalmente satisfactoria a no ser que las cuotas se fijen racionalmente. En algunas situaciones un industrial podría preferir considerar como gasto de operación y pagar el costo de causar contaminación en vez de invertir capital en una planta de tratamiento. Tal enfoque tendría efectos directamente perjudiciales en la calidad del agua del cuerpo receptor. Consideraciones similares a las descritas se aplican para el control de la contaminación del agua subterránea aunque aquí, debido a la dificultad de rectificar el daño causado al acuífero, se prefiere el empleo de factores de seguridad mayores que los usados para la descarga en agua superficial. Se debe tener un cuidado especial para proteger acuíferos importantes y en algunos casos la eliminación subterránea de los desechos líquidos y los tiraderos de desechos sólidos con problemas de lixiviación, sólo se permiten si sabe que el acuífero está completamente aislado de la fuente potencial de contaminación. En el caso de aguas de mar, las descargas se pueden reglamentar de acuerdo a los parámetros normales físicos y químicos que se usan para las descargas tierras adentro, con ajustes adecuados que tomen en cuenta la dilución disponible. Así, en situaciones con una dilución adecuada, la descarga de agua residual con desechos cribados o triturados puede ser aceptable. Cuando la principal preocupación es en relación con playas o banco de moluscos, es probable que los efectos bacteriológicos de la contaminación por agua residual sean de los más significativos. Aunque las implicaciones en la salud por contaminación bacteriológica de las aguas de mar son difíciles de cuantificar, las diferentes autoridades han fijado los patrones de calidad para el agua para bañarse de acuerdo con los recuentos de coliformes, que varían de 100/100 ml en California a 10 000 /100 ml en la CEE. De esta manera las normas locales, ajustadas a condiciones particulares climáticas y ambientales, son más apropiadas que los patrones universales.

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1.2 Parámetros de calidad del agua Aunque normalmente se considera el agua como una molécula formada por dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno, H2O, todas las aguas naturales contienen cantidades variables de otras sustancias disueltas en concentraciones que fluctúan de unos cuantos miligramos por litro en agua de lluvia a cerca de 35,000 mg/l en agua de mar. Por lo general, las aguas residuales contienen la mayoría de los constituyentes del agua de abastecimiento, más las Foto 1.1 El agua residual es el agua impurezas adicionales provenientes del proceso suministrada, más las impurezas adicionales productor de desechos (Foto 1.1). provenientes del proceso productor de desechos

El agua residual cruda promedio contiene alrededor de 1000 mg/l de sólidos en solución y suspensión, o sea que cerca del 99.9% es agua pura. Claro que medir simplemente el contenido total de sólidos de una muestra es insuficiente para especificar su condición ya que el agua subterránea, clara y brillante, puede tener el mismo contenido total de sólidos en solución que el agua residual cruda. Para obtener una imagen verdadera de la naturaleza de una muestra en particular, es necesario cuantificar diferentes propiedades mediante un análisis que determine sus características físicas, químicas y biológicas; sin embargo, no se investigan todas las características de una muestra dada. En la tabla 1.1 se relacionan los parámetros o características que con más frecuencia se miden en los diferentes tipos de muestras y según su procedencia. Tabla 1.1 Parámetros importantes para caracterizar el agua de diferentes muestras según su procedencia PARÁMETROS pH Temperatura Color Turbiedad Sabor Olor Sólidos totales Sólidos sedimentables Sólidos suspendidos Conductividad Radioactividad Alcalinidad Acidez Dureza OD DBO DQO o COT Nitrógeno orgánico Nitrógeno amoniacal Nitrógeno de nitritos Nitrógeno de nitratos 24

AGUA DE RÍO

AGUA POTABLE

X X X X

X X X X X X X

X X X X X X X X X X X X X

X X X X X X

X X

AGUA RESIDUAL CRUDA X X

EFLUENTE DE AGUA RESIDUAL TRATADA X X

X X X

X

X X

X X

X X X X X X

X X X X X X X

X

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PARÁMETROS

AGUA DE RÍO

Cloruros Fosfatos Detergente sintético Análisis bacteriológicos

AGUA POTABLE

X X X X

X

AGUA RESIDUAL CRUDA

EFLUENTE DE AGUA RESIDUAL TRATADA

X X X

X X X

1.2.1 Características físicas Las principales consideraciones para establecer a primera vista la calidad del agua se basan más en las características físicas que en las químicas y biológicas. De esta forma se desea un agua incolora, insípida e inodora. Las propiedades físicas más comúnmente empleadas para determina las impurezas en el agua residual se reportan en la tabla 1.2. La temperatura es un parámetro importante por su efecto en otras propiedades, por ejemplo, aceleración de reacciones químicas, reducción en la solubilidad de los gases, intensificación de sabores y olores. Los sólidos pueden clasificarse según su tamaño y estado en sedimentables, suspendidos, coloidales o disueltos. Los sólidos disueltos totales (SDT) se deben a materiales solubles, mientras que los sólidos en suspensión (SS) son partículas discretas que se miden al filtrar una muestra a través de un papel filtro de poro fino. Los sólidos sedimentables son aquellos removidos en un procedimiento estándar de sedimentación con el uso de un cono Imhoff después de ½ hora. Por sus características químicas, los sólidos, se clasifican como no volátiles (sólidos fijos) y volátiles. Los últimos se volatilizan a temperaturas de 550°C y son considerados como materiales orgánicos. Tabla 1.2 Análisis físicos empleados para determinar las impurezas en el agua y agua residual PRUEBA Turbiedad

ABREVIACIÓN UTN

USO Para asegurar la claridad del agua.

Sólidos Sólidos totales Sólidos totales volátiles

ST STV

Para asegurar el reúso potencial de un agua residual y para determinar los procesos empleados para su tratamiento.

Sólidos suspendidos Sólidos suspendidos volátiles Sólidos disueltos totales (ST-SS) Sólidos sedimentables

SS SSV SDT SSel

Para determinar los sólidos que pueden sedimentar en un tiempo específico; los valores de la prueba se usan para facilitar el diseño de los sedimentadores.

Color

Varios tonos de luz amarilla, luz café, gris, negra. Para determinar la presencia de agentes coloridos sintéticos y naturales en el agua. Define la condición del agua residual (fresca o séptica).

Olor

Determina si el nivel de olor puede ser un problema. LMCO*

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PRUEBA Temperatura

ABREVIACIÓN ºC

USO Para diseñar los procesos de tratamiento; determina la concentración de saturación de los gases. * LMCO = Límite Mínimo de la Concentración de Olor detectado.

La tabla 1.3 resume las formas en las que se encuentran los diferentes tipos de sólidos. Tabla 1.3 Tipos de sólidos presentes en las aguas residuales SÓLIDOS Totales Suspendidos Disueltos

FRACCIÓN TOTAL STT SST SDT

FRACCIÓN VOLÁTIL (MATERIA ORGÁNICA) STV SSV SDV

FRACCIÓN FIJA (MATERIA INORGÁNICA) STF SSF SDF

Como se puede ver si se suman la fracción volátil a la fija se obtiene el total. Por ejemplo; STF+STV=STT. Por otro lado, la diferencia entre los sólidos totales (ya sean STT, STV o STF) y los suspendidos (SST, SSV O SSF) es igual a los sólidos disueltos (SDT, SDV, SDF). Todos los sólidos se reportan en mg/l, excepto los sedimentables que se reportan en ml/l.

1.2.2 Características químicas Las características químicas tienden a ser más específicas que algunos de los parámetros físicos y por eso más útiles para evaluar las propiedades de una muestra. A continuación se describen algunas características químicas importantes del agua: 1. pH. La intensidad de acidez o alcalinidad de una muestra se mide en la escala de pH, que en realidad mide la concentración de iones de hidrógeno presentes en una solución. El pH tiene una escala de 0 a 14, por lo que, un valor de 7 es neutro. Por arriba o por debajo de 7.0 el pH es alcalino; o por debajo de 7 el pH es ácido. El pH controla muchas reacciones químicas y la actividad biológica normalmente se restringe a una escala de pH entre 6 y 8. Las aguas muy ácidas o muy alcalinas son indeseables debido a que son corrosivas o presentan dificultades en su tratamiento. 2. Potencial de óxido-reducción (Potencial REDOX). El potencial REDOX permite, de manera indirecta, mostrar hacia donde se desplaza el equilibrio en las reacciones de óxido-reducción que suceden en los cuerpos de agua ó en los reactores de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Valores positivos de REDOX muestran una oxidación de materia orgánica a dióxido de carbono (CO2) en un medio aerobio y valores negativos son originados por su reducción en un ambiente anaerobio. Es así que, las reacciones aerobias tienen valores mayores a +200 mV y las reacciones anaerobias ocurren a –300 mV.

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3. Alcalinidad. La capacidad para neutralizar ácidos. La alcalinidad es útil, tanto en el agua natural como en las aguas residuales, porque proporciona un amortiguamiento para resistir los cambios en el pH. Normalmente, se divide en alcalinidad cáustica, por encima del pH 8.2 y alcalinidad total, por encima del pH 4.5. La alcalinidad puede existir hasta un pH de 4.5 debido a que el [HCO3-] no se neutraliza completamente sino hasta que se alcanza este pH. La cantidad de alcalinidad presente se expresa en términos de mg/2 de CaCO3. 4. Acidez. Es la capacidad del agua para neutralizar compuestos básicos. La mayoría de las aguas naturales y el agua residual doméstica son amortiguadas por un sistema CO2 HCO3-. El ácido carbónico H2CO3 no se neutraliza totalmente hasta un pH de 8.2 y no disminuye el pH por debajo de 4.5. Así la acidez del CO2 ocurre dentro de un pH de 8.2 a 4.5, la acidez mineral (casi siempre debido a desechos industriales) se presenta por debajo de un pH de 4.5. La acidez se expresa en términos de CaCO3. 5. Demanda de oxígeno. Los compuestos orgánicos por lo regular son inestables y pueden oxidarse biológica o químicamente para obtener productos finales estables, relativamente inertes, tales como CO2 NO3, H2O. La indicación del contenido orgánico de un desecho se obtiene de medir la cantidad de oxígeno que se requiere para su estabilización. a) Demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Mide la cantidad de oxígeno que requieren los microorganismos en la descomposición de la materia orgánica. La determinación estandarizada tiene un período de duración de 5 días (DBO5) y puede haber interferencias por el crecimiento endógeno de los microorganismos. En condiciones anaerobias, la cantidad de sustrato que puede ser degradado biológicamente es con frecuencia mayor que el representado por la concentración de la DBO5 del agua residual. Por lo que en el diseño de los procesos anaerobios, se utiliza la demanda química de oxígeno (DQO) para caracterizar la descarga orgánica de una muestra. b) Demanda química de oxígeno (DQO). Es la cantidad de oxígeno que se consume, al oxidar la materia orgánica e inorgánica por medio de un oxidante fuerte (dicromato de potasio) en un medio ácido. La prueba, a diferencia de la DBO, es muy rápida pero también se oxidan compuestos inorgánicos elevando el valor de la DQO. Casi todas las sustancias orgánicas se oxidan en su totalidad. Otra manera para determinar el contenido de materia orgánica es por medio de la técnica del carbono orgánico total (TOC). En este caso se mide realmente el carbono orgánico ya sea biodegradable o no. El tiempo de determinación es mucho menor que para la DBO y la DQO, pero requiere de equipo muy especializado y costoso. 6. Nitrógeno. Es un elemento importante ya que las reacciones biológicas sólo pueden efectuarse en presencia de suficiente nitrógeno. Este se encuentra presente en las siguientes formas en el agua residual. a) Nitrógeno orgánico. Presente en proteínas, aminoácidos y urea. b) Nitrógeno amoniacal. Nitrógeno como sales de amoniaco; por ejemplo, carbonato de amonio (NH4)2CO3, o como amoniaco libre (NH3) o hidróxido de amonio. 27

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c) Nitrógeno de nitritos (NO2-). Una etapa intermedia de oxidación que normalmente no se presenta en grandes cantidades. d) Nitrógeno de nitratos (NO3-). Producto final de la oxidación del nitrógeno. La oxidación de los compuestos de nitrógeno llamada nitrificación, se expresa de la siguiente forma. −

N Org . + O2 → N − NH 3 + O2 → N − NO2 + O2 → N − NO3

−

La reducción del nitrógeno, que se llama desnitrificación, puede revertir el proceso:

NO3 → N 2O → N ↑ Las aguas residuales industriales tienen también otras características químicas específicas que se pueden evaluar, por ejemplo, la presencia de metales tóxicos, cianuro, fenoles, grasas y aceites, etc.

1.2.3 Características biológicas Casi todos los desechos orgánicos contienen grandes cantidades de microorganismos (patógenos y no patógenos); el agua residual contiene más de 106 células bacterianas /ml, pero los números reales presentes regularmente no se determinan. Después del tratamiento convencional del agua residual el efluente todavía contiene una gran cantidad de microorganismos, al igual que muchas aguas superficiales naturales, los microorganismos patógenos deben eliminarse.

1.3 Aspectos básicos de la microbiología del agua residual Las aguas naturales contienen una amplia variedad de microorganismos los cuales forman un sistema ecológico balanceado. Las características biológicas de éste se relacionan principalmente con la población residente en microorganismos y su impacto directo en la calidad del agua. Por esta razón, es necesario conocer los principios básicos de la microbiología y así comprender cómo participan los microorganismos en el proceso de la depuración del agua residual.

1.3.1 Tipos de metabolismo Para garantizar el crecimiento adecuado de un organismo, éste debe tener una fuente de carbono y de energía (nutrientes). De esta forma, elementos como nitrógeno, fósforo y elementos traza como azufre, potasio, calcio y magnesio deben estar disponibles en el agua. Las dos fuentes de carbón para la síntesis de tejido celular son el dióxido de carbón y el carbón presente en la materia orgánica. Si un organismo toma el carbón a partir del dióxido de carbono (carbón inorgánico), es llamado autótrofo, si usa carbón orgánico, es denominado heterótrofo. Los organismos autótrofos son capaces de sintetizar sus requerimientos orgánicos a partir de la materia inorgánica y pueden crecer independientemente de las substancias orgánicas externas. Emplean dos métodos para alcanzar este fin: 28

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1. Fotosíntesis: muchas plantas utilizan el carbón inorgánico y la radiación solar para producir materia orgánica y oxígeno. Luz 6CO2 + 6 H 2 O →  C 6 H 12 O6 + 6O2

2. Quimiosíntesis: se utiliza la energía química de los compuestos inorgánicos para suministrar la energía para la síntesis de substancias orgánicas.

2 NH 3 + 3O2 → 2 NHO2 + 2 H 2O + energía Por su parte, los organismos heterótrofos requieren una fuente externa de materia orgánica; los tres tipos principales son: 1. Los saprófobos, que obtienen la materia orgánica soluble directamente del ambiente circundante o por la ingestión extracelular de compuestos insolubles. Sus requerimientos de alimento pueden fluctuar desde un simple compuesto orgánico de carbono hasta varios compuestos complejos de carbono y nitrógeno, junto con factores adicionales de crecimiento. 2. Los fagótrofos, algunas veces llamados formas holozóicas, utilizan partículas orgánicas sólidas. 3. Los parátrofos obtienen la materia orgánica a partir de los tejidos de otros organismos vivos, por lo que se denominan parásitos. La tabla 1.4 muestra la clasificación de los microorganismos con base en sus requerimientos de carbón y energía. Tabla 1.4 Clasificación general de los microorganismos con base en sus fuentes de carbón y energía FUENTE DE ENERGÍA

FUENTE DE CARBÓN

Fotoautótrofos

Luz

CO2

ORGANISMOS REPRESENTATIVOS Algas, cianobacterias

Fotoheterótrofos

Luz

Materia orgánica

Bacterias fotosintéticas

Quimioautótrofos

Materia inorgánica

CO2

Algunas bacterias

Materia orgánica

Bacterias

CLASIFICACIÓN

Materia orgánica Quimioheterótrofos FUENTE: Tchobanoglous y Schroeder, 1987.

1.3.2 Tipos de microorganismos Por definición, los microorganismos son aquellos organismos muy pequeños que no pueden ser vistos a simple vista, quedando comprendidos en esta categoría un gran número de organismos acuáticos. Los principales grupos de microorganismos presentes en el agua se clasifican como monera y protistas; órganos superiores como, plantas y animales, y algunas veces también hongos (tabla 1.5). Comúnmente, los organismos listados en esta tabla son procariontes o eucariontes dependiendo de la complejidad de sus estructuras celulares. Los procariontes tienen su material nuclear disperso en el citoplasma y no poseen un núcleo verdadero. Los eucariontes poseen un núcleo. 29

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Los procariontes son estructuras celulares simples y pequeñas (< 5 µm) con núcleo primitivo de un solo cromosoma circular, sin membrana nuclear. Se incluyen en este grupo las bacterias, los actinomicetos y las cianobacterias. Los eucariotas son células más grandes (> 20 µm) con una estructura más compleja y un núcleo verdadero que contiene varios cromosomas con una membrana nuclear. En esta clase de microorganismos se incluyen los hongos, la mayoría de las algas y los protozoarios, animales y plantas. Tabla 1.5 Clasificación de los microorganismos de interés en el agua y agua residual REINO

REPRESENTATIVOS

CLASIFICACIÓN DE CÉLULAS

Crustáceos Lombrices Rotíferos

Animal*

Plantas acuáticas Plantas de semilla Helechos Musgo

Plantas* Protistas

Protozoarios, rotíferos Algas

Hongos

Hongos (mohos y levaduras)

Monera

Bacterias y cianobacterias

Células eucariontes (el núcleo posee una membrana celular bien definida).

Células procariontes (el núcleo posee una membrana celular bien definida).

* Multicelular con diferencias en el tejido.

Hay un grupo adicional de microorganismos: los virus, que no pueden ser clasificados en ninguna de las dos clases anteriores y, por tanto, se consideran por separado y no son considerados como células verdaderas.

1.3.2.1 Virus Los virus son la forma más simple de un organismo. Son parásitos obligados ya que no tienen la habilidad para sintetizar nuevos compuestos (no tiene metabolismo propio). Su tamaño varía entre 0.01 a 0.03µm y consisten de material genético – ácido desoxirribonucleico (ADN) o ribonucleico (ARN), dentro de una cubierta proteica. Son altamente específicos tanto en lo que concierne al organismo huésped como a la enfermedad que producen. 30

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1.3.2.2 Bacterias Las bacterias (Figura 1.2) son organismos unicelulares pertenecientes al reino monera que pueden vivir como autótrofos o como heterótrofos y aprovechar el alimento soluble. Algunas bacterias forman esporas resistentes que pueden permanecer latentes por periodos prolongados en condiciones ambientales adversas pero que pueden reactivarse al retornar las condiciones favorables. La mayoría de las bacterias se desarrollan en condiciones de pH neutras, aunque algunas especies pueden existir en un ambiente altamente ácido. Las bacterias desempeñan una función vital en los procesos naturales de estabilización y se utilizan ampliamente en el tratamiento de aguas residuales orgánicas. Se conocen alrededor de 1,500 especies que se clasifican en relación con criterios tales como:

• • • • •

Tamaño, forma y agrupamiento de células características de la colonia Reacción a la tinción Requerimientos de crecimiento Movilidad y reacciones químicas específicas Se encuentran en formas aerobias, anaerobias y facultativas

FUENTE: Tchobanoglous, George; Schroeder, Edward D.; Water Quality Figura 1.2 Tipos de bacterias

31

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1.3.2.3 Hongos Los hongos son células eucariontes aerobios, multicelulares, no fotosintéticos y heterótrofos. Algunos hongos son saprofitos, obteniendo su alimento de la materia orgánica muerta. Existen más de 100,000 especies de hongos y su estructura es una compleja masa ramificada de hifas que parecen hilos y cuyo conjunto constituye el núcleo (Figura 1.3). Al igual que las bacterias, los hongos principales organismos responsables de la descomposición del carbón en la biosfera. Son capaces de degradar compuestos orgánicos altamente complejos. Los hongos tienen gran importancia en la descomposición de la materia orgánica en medios acuáticos y terrestres.

FUENTE: Tchobanoglous, George; Schroeder, Edward D.; Water Quality Figura 1.3 Hongos presentes en el agua residual

1.3.2.4 Algas Las algas (Figura 1.4) son microorganismos eucariontes, autotróficas, fotosintéticas, contienen clorofila y actúan como las principales productoras de materia orgánica en un ambiente acuático.

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Los compuestos inorgánicos tales como el bióxido de carbono, el amoníaco, el nitrato y el fosfato proporcionan la fuente de alimento para sintetizar nuevas células de algas y para producir oxígeno. En ausencia de la luz solar, las algas viven en forma quimiosintética y consumen oxígeno, de modo que en el agua que tiene algas hay una variación diurna de los niveles de oxígeno disuelto (OD), teniendo lugar una sobresaturación de oxígeno durante el día y una disminución significativa durante la noche. En el agua dulce crece un gran número de algas, que se clasifican en varios tipos: verdes, cafés o amarillas, lo que depende de las proporciones de pigmentos particulares. Existen como células solas que pueden ser inmóviles o móviles, si tienen flagelos, o bien como formas filamentosas multicelulares.

FUENTE: Tchobanoglous, George; Schroeder, Edward D.; Water Quality Figura 1.4 Especies de algas presentes en el agua residual 33

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1.3.2.5 Protozoarios Los protozoarios son microorganismos eucariontes unicelulares de 10 a 100 µm de longitud que se reproducen por fisión binaria. Algunos protozoarios se encuentran libres en la naturaleza, mientras que otros son parásitos, viviendo dentro o fuera de un organismo. Los huéspedes varían de organismos primitivos como las algas a organismos complejos, incluyendo al ser humano. La mayoría son heterótrofos aerobios o anaerobios facultativos. Su fuente principal de alimento son las células bacterianas; sin embargo, no pueden sintetizar todos los factores necesarios para su crecimiento y dependen de las bacterias para que los suministren. Los protozoarios abundan en el suelo y en el agua y pueden tener una participación importante en los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales. La figura 1.5 muestra algunos protozoarios presentes en el agua residual.

FUENTE: Tchobanoglous, George; Schroeder, Edward D.; Water Quality Figura 1.5 Algunos protozoarios presentes en el agua residual 34

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1.3.2.6 Formas superiores de vida Así como microorganismos, hay en el agua natural organismos más complejos, muchos de ellos visibles a simple vista. Entre estos se incluyen los rotíferos, que son animales multicelulares con un cuerpo flexible y cilios en la cabeza para atrapar alimento y darles movilidad, y los crustáceos, que son animales multicelulares de concha dura. Ambos grupos son fuente importante de alimentos para los peces y solo se encuentran en aguas de buena calidad ya que son sensibles a muchos contaminantes y a niveles bajos de oxígeno disuelto. Los gusanos y las larvas de insectos viven en depósitos del fondo y en algunos procesos de tratamiento biológico; son capaces de metabolizar substancias orgánicas complejas que otros organismos no degradan rápidamente.

1.4 Procesos de tratamiento del agua residual A través de los años, se han desarrollado una gran variedad de métodos para el tratamiento del agua residual. En muchos casos, se combinan varios procesos dependiendo de la calidad del agua residual que se va a tratar y el grado que se debe alcanzar. Los principales contaminantes presentes en el agua residual y los procesos más comúnmente empleados para su remoción se resumen en la tabla 1.6. Tabla 1.6 Operaciones, procesos y sistemas de tratamientos para remover los principales contaminantes presentes en un agua residual municipal CONTAMINANTES Sólidos suspendidos

UNIDAD, PROCESO O SISTEMA DE TRATAMIENTO Cribado y desmenuzado Sedimentación Flotación Filtración Coagulación/sedimentación

Orgánicos biodegradables

Lodos activados Filtro percolador Discos biológicos rotatorios Lagunas aireadas Lagunas de oxidación Filtración en arena Físico/químico

Patógenos

Cloración Ozonación

Nutrientes

Nitrificación y desnitrificación con biomasa suspendida Nitrificación y desnitrificación con biomasa fija Arrastre con amoniaco Intercambio iónico Cloración en el punto de quiebre

B B Q/F Q Q

Coagulación/sedimentación con sales metálicas Coagulación/sedimentación con cal

Q/F Q/F

Nitrógeno

Fósforo

CLASIFICACIÓN F F F F Q/F B B B B F/B B/Q/F F/Q Q Q

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CONTAMINANTES

UNIDAD, PROCESO O SISTEMA DE TRATAMIENTO Remoción bioquímica

Orgánicos refractarios

Absorción con carbón activado Ozonación

F Q

Metales pesados

Precipitación química Intercambio iónico

Q Q

Intercambio iónico Ósmosis inversa Electrodiálisis Q = Químicos, F = Físicos y B = Biológicos Sólidos inorgánicos disueltos

CLASIFICACIÓN B/Q

Q F Q

Frecuentemente, la disposición del material eliminado del agua residual (incluyendo los materiales eliminados por el proceso), lodo, ha representado problemas en la implementación de algunos sistemas.

1.4.1 Clasificación de métodos de tratamiento El principal objetivo del tratamiento del agua residual es producir un efluente que puede ser descargado sin causar daños al medio ambiente. Los contaminantes del agua residual pueden ser eliminados por medios físicos, químicos y biológicos.

1.4.1.1 Procesos físicos Tratamiento en el que se llevan a cabo cambios a través de la aplicación de fuerzas físicas. Las unidades típicas incluyen cribado, regulación, sedimentación, flotación y filtración.

•

Cribado

El cribado es un método que elimina los contaminantes más voluminosos o material visible del agua residual. Los cribadores se clasifican en función del tamaño de la partícula removida, como finos o gruesos y se utilizan como parte del tratamiento primario. El cribado sirve como instrumento de protección del equipo electromecánico.

•

Regulación

El proceso de regulación se lleva a cabo en un tanque de homogenización y su función es eliminar las variaciones del flujo o caudal para lograr que este se mantenga constante. Esta técnica se aplica principalmente para la regulación de: a) Caudales en tiempo seco. b) Caudales en tiempo de lluvia, procedentes de redes de alcantarillado separadas. c) Caudales mixtos de aguas pluviales y residuales sanitarias e industriales. Las ventajas que se obtienen con la aplicación de este proceso son:

ο Aumenta las características de tratabilidad del agua residual. ο Mejora el tratamiento biológico por medio de la eliminación o disminución de los efectos causados por cargas orgánicas e hidráulicas bruscas, a través de la dilución de sustancias inhibidoras y de la estabilización del pH. 36

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ο Mejora la calidad del efluente y el rendimiento de los tanques de sedimentación secundario al trabajar a cargas de sólidos constantes. ο Mejora el control de la dosificación de reactivos. •

Sedimentación

Algunas de las impurezas del agua por su tamaño y mayor densidad pueden ser eliminadas por sedimentación, mediante la acción de la gravedad. Se le da el nombre de sedimentador, a la estructura que sirve para reducir la velocidad del las aguas negras para que puedan sedimentar los sólidos y se utiliza como tratamiento primario. Es importante tener presente que el tamaño del sedimentador es función del caudal y velocidades de decantación de las partículas. Sin embargo, el equipo disponible para la recolección y eliminación de lodos puede condicionar las dimensiones. Las proporciones longitud-anchura empleadas con mayor frecuencia oscilan entre 3:1 y 5:1. Las pendientes del fondo oscilan entre 1% para tanque rectangulares y 7 a 8% para tanques circulares, se utiliza como un tratamiento primario.

•

Flotación

La flotación es una operación unitaria utilizada para separar diferentes fases líquidas o sólidas de una fase líquida. La separación se lleva a cabo al introducir burbujas finas de gas (generalmente aire) en la fase líquida. Las burbujas se adhieren a las partículas, la fuerza ascendente del conjunto partícula-burbujas de gas es tal, que hace que suba a la superficie. De esta forma se logra el ascenso de las partículas de densidad mayor que el líquido. La elevación de las partículas con densidad menor que el líquido puede también verse facilitada (aceite en agua). Una vez que las partículas están flotando en la superficie, pueden recogerse mediante un desnatador. En el tratamiento de aguas residuales la flotación se utiliza para eliminar la materia suspendida y concentrar los lodos biológicos. La principal ventaja de la flotación sobre la sedimentación, es que las partículas muy pequeñas o ligeras se eliminan fácilmente en un menor tiempo.

•

Filtración

En el tratamiento del agua residual, la filtración se utiliza para eliminar el flóculo biológico del efluente secundario decantado o los precipitados de la remoción química del fósforo. El desecado de los subproductos (lodos) del tratamiento de aguas, es otra de las aplicaciones del proceso. En suma, la filtración se utiliza en los tres campos de tratamiento de agua: la potabilización, la depuración de aguas residuales y el tratamiento de lodos.

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El medio granular que se ha utilizado incluye arena, carbón de antracita machucada, tierra de diatomeas, carbón activado en polvo o granulado. El medio granular puede ser de un solo tipo o de una combinación de estos. Un filtro de doble lecho que se utiliza extensamente consiste de una capa de carbón sobre arena. Los filtros de medio múltiple consisten, por ejemplo, en carbón, arena sílice y arena de granate. El medio más comúnmente usado es el de arena de sílice. Los mecanismos implicados en la eliminación de materia en suspensión por un filtro son muy complejos. Muchos investigadores han discutido los diversos factores que pueden tener una influencia importante en el proceso. Los mecanismos dominantes dependen de las características físicas y químicas de la suspensión y del medio, velocidad de filtración y características químicas del agua.

1.4.1.2 Procesos químicos Operaciones en las cuales la remoción o tratamiento de los contaminantes se realiza mediante la adición de reactivos que llevan a cabo diferentes reacciones químicas.

•

Coagulación

El proceso de coagulación consiste en la aglomeración (coagulación) de partículas o con ayuda de un coagulante químico, para formar flóculos de mayor tamaño capaces de ser separados por procesos subsecuentes como la sedimentación o la filtración. El proceso de coagulación ha sido usado como pretratamiento incrementando la remoción de la materia suspendida y/o para reducir la carga biológica de las unidades de tratamiento secundario. El reactivo más utilizado, por su bajo costo, es el sulfato de aluminio al2(SO4)3. Este tratamiento se aplica en situaciones específicas, por ejemplo, cuando:

ο ο ο ο ο

El agua residual contiene gran cantidad de compuestos tóxicos. Los componentes del agua residual no son biodegradables. Los reactivos para el tratamiento se encuentran disponibles a bajo costo. Se desea garantizar la sedimentación de los sólidos. Como pretratamiento en un tren de tratamiento avanzado (es decir, después del tratamiento secundario) con el fin de aumentar la eficiencia de los procesos subsecuentes de remoción, por la eliminación del material coloidal.

También se cuenta con ayudas para la coagulación que son materiales usados en concentraciones relativamente pequeñas y que aceleran el fenómeno. Estos se clasifican en: a) oxidantes (cloro y el ozono), b) agentes ponderados (arcilla), c) sílice activado y d) polielectrolitos (Culp, 1977).

•

Precipitación química

La precipitación química es un proceso que consiste en la adición de reactivos con el propósito de que reaccionen con compuestos solubles específicos, en residuos líquidos, para formar compuestos químicos diferentes que cambian su estado físico y pueden separarse.

38

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La precipitación de los hidróxidos metálicos es función de la concentración del ion metálico y del pH. En general, a medida que el pH aumenta, la solubilidad del hidróxido metálico disminuye.

•

Oxidación química

El propósito de la oxidación en el tratamiento de aguas es convertir especies químicas no deseables en especies que no sean peligrosas ni deterioren la calidad del agua. El nivel de oxidación deseado es determinante desde el punto de vista económico, tanto por los reactivos oxidantes, como por el diseño de unidades con el tamaño adecuado para lograr el tiempo de reacción: a) adición de oxígeno, b) pérdida de hidrógeno y c) pérdida de electrones. La adición de químicos fuertes como el ozono, es por lo general caro, mientras que el uso de otros oxidantes más baratos, como el cloro, no pueden ser empleados indiscriminadamente debido a la formación de compuestos orgánicos clorados, como los trihalometanos.

•

Intercambio iónico

Las operaciones de intercambio iónico son básicamente reacciones químicas de sustitución entre un electrolito en solución y otro en estado insoluble. El mecanismo de estas reacciones y las técnicas utilizadas para lograrlas son tan parecidas en la absorción, que para la mayoría de los fines de ingeniería, el intercambio iónico puede considerarse simplemente como un caso especial de la absorción (Treybal, 1984). Los iones son retenidos por acción de fuerzas electrostáticas localizadas en grupos funcionales en la superficie de los sólidos. Los materiales de intercambio iónico son gránulos contenidos en lechos empacados (resinas) que pueden ser regenerados. Sin embargo, los principales problemas en el uso de intercambio iónico son la regeneración de la resina en forma eficiente, la disponibilidad o recuperación de la solución de lavado y el tiempo de vida de las resinas.

•

Desinfección

Es la destrucción de organismos potencialmente dañinos y comúnmente, constituye la etapa final de todo tratamiento del agua. En las plantas de tratamiento debe ponerse especial atención en la selección de esta etapa para evitar la formación de compuestos no deseados. La desinfección puede realizarse aplicando métodos físicos (elevación de la temperatura, luz ultravioleta) o químicos en los que se usan sustancias llamadas desinfectantes, como son el cloro, el ozono y los iónes metálicos. Un desinfectante ideal para el agua debe cumplir con las siguientes propiedades:

ο ο ο ο

Destruir todas las clases y cantidades de agentes patógenos. No tóxico para el hombre y los animales domésticos. No tener un sabor desagradable. De costo razonable. 39

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ο De manejo, transporte, almacenamiento y aplicación seguros y fáciles. ο Proporcionar protección residual contra la posible contaminación en las líneas de conducción y tanques de almacenamiento. ο No reaccionar con los compuestos presentes en el agua para producir sustancias tóxicas. El tiempo de o es comúnmente señalado como la variable más importante en la desinfección. Chick en 1908, estableció que existe una relación inversamente proporcional entre el número de microorganismos sobrevivientes a la acción de un desinfectante y el tiempo de o, Dependiendo del tipo de agente químico, se ha observado que su eficiencia es función de su concentración. El tipo de microorganismos también influye en la eficiencia de la desinfección, por ejemplo, las esporas de las bacterias son extremadamente resistentes, en contraste las bacterias en crecimiento son fácilmente eliminadas. La eficacia de desinfección de los agentes físicos es una función de la intensidad, análogo a la concentración de los agentes químicos. Por otra parte, un incremento en la temperatura acelera la tasa de muerte de microorganismos.

1.4.1.3 Procesos biológicos En los procesos biológicos la materia orgánica contaminante que se encuentra en forma coloidal o soluble es utilizada como alimento por los microorganismos presentes en los tanques o reactores. De esta forma pueden obtener la energía necesaria para reproducirse y llevar a cabo sus funciones vitales y la materia orgánica es transformada en nuevas células y otros productos que pueden ser más fácilmente separados del agua. La principal división entre los procesos biológicos para el tratamiento de las aguas residuales, se hace con base en la forma en que los microorganismos realizan sus procesos metabólicos en donde según el aceptor final de electrones se clasifican en procesos aerobios (requieren oxígeno molecular O2 como aceptor final de electrones) y los anaerobios que utilizan el CO2 como aceptor final de electrones. Esto se traduce en sistemas muy diferentes entre sí, tanto en su microbiología como en sus aplicaciones, su ingeniería y su control. Dado que los microorganismos son los responsables de llevar a cabo el proceso biológico, sus características metabólicas determinarán el tipo de aplicación, así como sus ventajas y desventajas. Las principales características, de los procesos aerobios y anaerobios, desde el punto de vista energético se esquematizan en la figura 1.6. En ésta se observa que la energía contenida en la materia orgánica contaminante, es utilizada por los microorganismos como demanda química de oxígeno (DQO) o como demanda bioquímica de oxígeno (DBO), es transformada en diversos productos dependiendo del metabolismo aerobio o anaerobio de la célula. En general, una bacteria anaerobia utilizará el 10% de la energía contenida en su alimento o sustrato para funciones de reproducción, lo que da origen a nuevas células y el 90% restante lo dirigirá a la producción de gas metano. Por su parte, una bacteria aerobia empleará, en presencia del oxígeno, de un 60 a 65% de la energía del sustrato en 40

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la síntesis de nuevas células, mientras que la fracción restante es disipada en forma de calor. TRATAMIENTO

CH4 + CO2 (Biogás)

(92%)

Células

(4%)

Anaerobio

100% (DQO)

C en el efluente 4% H2O + CO2

Materia orgánica en aguas residuales

(49%)

Aaerobio Células O2

(49%)

C en el efluente 2%

Figura 1.6 Esquema del flujo de energía en los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales

Sistemas aerobios La tecnología del tratamiento de aguas residuales por vía aerobia está bien desarrollada y es sin duda la más comúnmente aplicada. La experiencia acumulada y las altas eficiencias en la remoción de la materia orgánica son algunas de las razones de su aceptación. Existe un buen número de procesos aerobios, los que a su vez se subdividen en variantes. En general pueden agruparse (Figura 1.7) en procesos de tipo extensivo (lagunas), procesos de biomasa en suspensión (lodos activados en diversas formas) y proceso de biopelícula (filtros percoladores y biodiscos). Extensivos

PROCESOS BIOLÓGICOS

Lagunas de oxidación Lagunas aireadas

Lodos activados Biomasa suspendida

Completamente mezclados De flujo pistón

Aireación extendida Zanjas de oxidación

Película fija

Filtros percoladores Discos biológicos (biodiscos)

Figura 1.7 Variantes de los procesos aerobios

A continuación se hace una breve descripción de cada uno de éstos.

41

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Procesos extensivos

•

Lagunas de estabilización

Descripción del proceso Las lagunas de estabilización son cuerpos de agua creados artificialmente, normalmente construidos de tierra, presentan un bordo libre entre 0.5 y 1.0 metro dependiendo del área de la laguna. Un sistema lagunar en fase de llenado, conformado por dos lagunas de estabilización en serie, se muestra en la Foto1.2 indicándose en ella: las rejillas y desarenador (1), la caja de distribución (2), la estructura de entrada a la primera laguna (3), el centro de la laguna (4), taludes recubiertos de concreto (5), cunetas (6), salida de la primera laguna (7), segunda laguna (8), salida de la segunda laguna (9) y las compuertas de vaciado (10). De acuerdo con el propósito del tratamiento de las aguas residuales, las lagunas de estabilización se pueden clasificar en: lagunas anaerobias (remoción de sólidos y materia orgánica), lagunas facultativas (remoción de materia orgánica y microorganismos patógenos) y lagunas de maduración (remoción de patógenos).

Foto 1.2 Lagunas de estabilización

Las lagunas anaerobias son estanques profundos (2 –5 m), en los que se lleva a cabo la sedimentación de sólidos y la degradación de la materia orgánica. En este tipo de lagunas se pueden observar la presencia de algunas natas en su superficie, la generación de burbujas (formación del biogás), la coloración del agua gris oscura y con frecuencia es evidente el olor a huevo podrido, típico del sulfuro de hidrógeno que se emite a la atmósfera, (Foto 1.3). Las variables que se deben controlar en este proceso son pH, temperatura y carga orgánica. El efluente de una laguna anaerobia puede presentar una coloración que puede variar entre amarillo a café oscuro y gris oscuro. En algunas ocasiones las lagunas anaerobias, que inician su operación y/o reciben cargas orgánicas reducidas, no llegan a establecer condiciones anaerobias y pueden presentar una coloración rosada. Otro indicador a observar en ellas es el grado de asolvamiento (acumulación de lodos, Foto 1.4), principalmente por ausencia de mantenimiento.

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Una desventaja en éstas lagunas es el olor que puede generarse en el caso de recibir una carga orgánica, mayor a la de diseño y también si el influente presenta una concentración de sulfatos mayor a 500 mg/l. (CNA-IMTA, 1994). Posterior a esta laguna usted puede encontrar una laguna facultativa. Las lagunas facultativas se diseñan para tirantes entre 1.5 y 2 metros. En ellas el proceso de degradación se lleva a cabo en tres fases, en el fondo de la laguna existen condiciones anaerobias que generan biogás y que producen un ligero mezclado. La fase intermedia llamada facultativa la llevan a cabo microorganismos facultativos y presentan la etapa de transición entre las condiciones anaerobias y aerobias. En su superficie se lleva a cabo la fase aeróbica, la producción de oxígeno se realiza por medio de las algas que utilizan como fuente de energía la luz solar en el estanque, proveyéndole al agua una coloración verde oscuro brillante (alta concentración de O.D y pH) y la ausencia de malos olores. Algunas lagunas de estabilización presentan construcción de mamparas, como se muestra en la Foto 1.5 con el objeto de incrementar la eficiencia del proceso, dando un comportamiento de flujo pistón al fluido. La medición de la profundidad de lodos, consiste en introducir en forma vertical una varilla cubierta con una toalla blanca en la laguna (Foto 1.6).

Foto 1.3 Laguna anaerobia, coloración gris del agua

Foto 1.4 Laguna de estabilización (anaerobia)

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Foto 1.5 Laguna de estabilización con mamparas

Foto 1.6 Medición de tirante y profundidad de lodos en una laguna facultativa

Las lagunas de maduración también llamadas aerobias, son menos profundas que las anteriores (1-1.5 m) y en ellas deben predominar las condiciones aerobias, la concentración de oxígeno disuelto es superior a la de una facultativa, su objetivo es la remoción de microorganismos patógenos, ya que la remoción de carga orgánica es despreciable en ellas. El agua de las lagunas de maduración presenta una coloración verde y esta libre de olor, ver Fotos 1.7, 1.8 (foto izquierda). En la misma figura se presenta una estructura de salida (foto derecha). Generalmente las lagunas de maduración se encuentran después de una laguna facultativa.

Foto 1.7 Laguna de maduración 44

Foto 1.8 Estructura de salida

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Un esquema indicando la profundidad de las lagunas de estabilización se presenta en la Figura 1.8. Las lagunas de estabilización en función del lugar que ocupan, se pueden agrupar en primarias o de aguas residuales crudas, y secundarias si reciben efluentes de otros procesos. En relación con la secuencia de sus unidades pueden clasificarse en lagunas en serie o en paralelo, pudiendo existir combinaciones de varios tipos. Los arreglos de un sistema lagunar pueden comprender una única laguna facultativa (Figura 1.9); lagunas en serie que incluyen: anaerobia, facultativa y maduración (Figura 1.10). Además es deseable construir series del mismo tipo para permitir una operación en paralelo, (Figura 1.11). Las lagunas anaerobias pueden ser diseñadas para operar individualmente o en paralelo, (Figura 1.12). Otro posible arreglo se presenta en la Figura 1.13. Bordo libre (0.5 – 1.0 m)

2a5m

Laguna Anaerobia

1.5-2 m

Laguna Facultativa

1-1.5 m Laguna de Maduración

Figura 1.8 Esquema de la profundidad de las lagunas de estabilización

F

PT

Figura 1.9 Lagunas facultativas

PT

A

F

M

Figura 1.10 Lagunas en serie, anaerobia (A), facultativa (F), maduración (M)

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PT

A

F

M1

A

F

M1

A

F

M1

Nota: PT = Pretratamiento Figura 1.11 Sistema lagunares en paralelo

A PT

F A

Figura 1.12 Lagunas anaerobias (A) en paralelo previas a una laguna facultativa (F)

PT

A

F

M1

M2

Figura 1.13 Sistema lagunar constituido por laguna anaerobia, facultativa y dos de maduración

Los parámetros de control que principalmente se deben determinar se indican en la Tabla 1.7. Tabla 1.7 Parámetros de control en lagunas de estabilización (Rango normal) Parámetro Color Olor PH Temp. del agua Temp. ambiente Oxígeno disuelto

Anaerobia Café Sí 6.5 – 7.5 20-25º C 18 - 35º C 0

Facultativa Verde oscuro No 8 –9 20-25º C 18-35º C > 6 mg/l

Maduración Verde oscuro No 8 -9 20-25º C 18-35º C 6 - 35mg/l

Evaluación del proceso Se pueden llevar a cabo diferentes niveles de evaluación en lagunas de estabilización, los cuales pueden ser consultados en el Manual de evaluación de lagunas de estabilización elaborado por IMTA para CNA en 1998. Para cumplir con el propósito de este documento se describen las bases para realizar una evaluación visual y diagnosticar su funcionamiento.

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El observador para poder identificar el tipo de laguna, deberá revisar cuidadosamente las especificaciones de cada una de ellas y de preferencia realizar la medición de la profundidad de las mismas. Las lagunas de estabilización bien operadas no deberán presentar obstrucciones en las estructuras de entrada y salida para cada laguna, ni excavaciones en los taludes originadas por roedores o por alguna persona, ni crecimiento de malezas dentro y fuera de ellas (por ejemplo en taludes y caminos de ), acumulación de lodos en las lagunas, presencia de una gran cantidad de mosquitos. Indicadores del funcionamiento de una laguna Anaerobia Se considera buen funcionamiento de una laguna anaerobia, sí en el estanque se observa generación de biogás y una coloración gris; el efluente de ésta laguna debe presentar una coloración café oscuro o gris. Una laguna anaerobia no funciona en forma adecuada cuando recibe una carga orgánica insuficiente, observándose una coloración del agua roja o rosada (presencia de bacterias fotosintéticas). Lo anterior se debe a un error de diseño o a que recibe un caudal menor para la que fue proyectada. Por otra parte un indicador de que la laguna anaerobia se encuentra sobrecargada es un fuerte olor a huevo podrido. Facultativa El efluente de una laguna facultativa deberá presentar una coloración verde oscuro brillante y no se deberá detectar olor, en éste caso se debe considerar buen funcionamiento. Sí el efluente de ésta laguna presenta una coloración verde opaco o amarillo, se considera un funcionamiento regular, con disminución de pH y O.D. (predominio de algas azul-verdosas). Sí esta laguna presenta mal olor y coloración gris a negro se considera un mal funcionamiento. Maduración El efluente de una laguna de maduración deberá presentar una coloración verde, un pH alcalino (mayor a 8) y no se deberá detectar olor. La presencia de insectos o larvas de insectos en la laguna, indica un mantenimiento pobre y una mala circulación. Para llevar a cabo la evaluación de la planta se presenta el siguiente cuadro, él cual es aplicable para cada una de las lagunas que la conforman.

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Tabla 1.8 Laguna de estabilización Observación Si Las estructuras de entrada y salida a la laguna se encuentran obstruidas Hay presencia de materia flotante en la laguna La laguna se encuentra azolvada Se observan zonas muertas en la laguna Hay crecimiento de vegetación dentro de la laguna o alrededor de ella Existe evidencia de roedores en los diques (excavaciones) Hay una población excesiva de insectos Frecuencia con que se realiza el mantenimiento Olor Coloración del agua en la laguna

No

Observación

Diagnóstico El observador deberá comparar sus resultados con los datos especificados en la descripción del proceso y dar su diagnóstico. Cómo considera el estado general de la operación y mantenimiento en la laguna ( ) BUENA ( ) REGULAR ( ) MAL Para evaluar el funcionamiento del proceso, el observador deberá tomar dos vasos transparentes, de preferencia de plástico; comparar el color y olor con las especificaciones proporcionadas anteriormente en los indicadores del funcionamiento. Como considera el funcionamiento de la laguna ( ) BUENA ( ) REGULAR ( ) MAL

•

Lagunas aireadas

Descripción del proceso Una laguna aireada es una laguna a la cual se le han instalado aireadores mecánicos o difusores de aire que mediante burbujeo proporcionan la cantidad de oxígeno suficiente con el objeto de favorecer el crecimiento y reproducción de bacterias aerobias que llevan a cabo el proceso de depuración del agua. El proceso se asemeja al de lodos activados con un tanque de aireación sin recirculación de lodos. Una fotografía de una laguna aireada se presenta en la Foto 1.9.

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Foto 1.9 Laguna aireada

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Con frecuencia las lagunas aireadas están precedidas de cribado, desarenado y en ocasiones por sedimentador primario o laguna anaerobia, posteriormente a una laguna aireada puede presentarse una laguna de sedimentación que por su apariencia y funcionamiento parece una laguna facultativa. En algunas ocasiones este tipo de plantas de tratamiento carecen de desarenador y/o sedimentador primario. Una laguna aireada puede ser clasificada como una laguna completa o parcialmente mezclada de acuerdo a la cantidad de oxígeno disuelto que posee y el grado de mezclado. En las lagunas mezcladas el oxígeno suministrado es suficiente para mantener una misma concentración a lo largo de todo el tirante de la laguna y el grado de mezclado sostiene los sólidos biológicos en suspensión. Un diagrama de una laguna aireada completamente mezclada se presenta en la Figura 1.14.

Figura 1.14 Laguna aireada completamente mezclada

Si la laguna aireada corresponde a una laguna parcialmente mezclada, la zona oxigenada se localiza en la parte superior del tirante y el grado de mezclado es insuficiente para mantener todos los sólidos biológicos en suspensión. Un diagrama de una laguna aireada parcialmente mezclada se presenta en la Figura 1.15.

Figura 1.15 Laguna aireada parcialmente mezclada

Las lagunas aireadas se emplean en el tratamiento de las aguas de desechos tanto industriales como municipales para degradar biológicamente la materia orgánica debido a que ocupan una superficie menor que una laguna de estabilización y presentan costos de construcción, operación y mantenimiento menores que un proceso de lodos activados. Sin embargo requieren de una superficie de terreno apreciablemente mayor que dicho proceso.

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OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Las lagunas aireadas, al igual que las lagunas de estabilización, se forman por excavación en tierra, con formación de bordos producto de la excavación o con material de banco. Usualmente se construyen de una forma rectangular, excepto cuando por causas topográficas es posible aprovechar depresiones del terreno para ahorrar excavaciones y formación de bordos. De esta forma se tiene un estanque de 3 a 4 m de profundidad, donde el agua posee un tiempo de retención de 1 a 6 días, período durante el cual se oxigena el agua. Una fotografía de un sistema lagunar con lagunas aireadas se Foto 1.10 Sistema lagunar que presenta lagunas aireadas presenta en la Foto 1.10. Variaciones al sistema de aireación En las lagunas aireadas; la aireación se realiza por medio de aireadores de “succión”, los cuales arrojan el agua superficialmente formando un hongo o bien mediante aireadores de tubo de los llamados tipo “cañón”. Un esquema de aireador de “succión” se presenta en la Figura 1.16 y uno tipo “cañón” en la Foto 1.11.

Figura 1.16 Aireador de “succión” Foto 1.11 Aireador de tubo tipo “cañón”

En el sistema de aireación por difusión, el aire se suministra por medio de sopladores que lo conducen a través de tuberías hasta los difusores que se encuentran en el fondo de la laguna y permiten su salida mediante un burbujeo. En el mercado existen diferentes modelos de difusores de muy diversos precios y materiales que proporcionan desde burbujas finas emitidas a través de cuerpos porosos (platillos, boquillas, etc.), hasta burbujas grandes donde el aire se inyecta directamente por medio de tubos perforados. 50

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Evaluación del proceso Parámetros de control visual Los siguientes conceptos son importantes en la evaluación de un sistema lagunar basado en lagunas aireadas. En la Tabla 1.9, se muestran los indicadores del funcionamiento de una laguna aireada Tabla 1.9 Indicadores del funcionamiento de una laguna aireada Indicador LIMPIEZA 1) Basura y natas en las esquinas de las lagunas 2) Presencia de hierba en los bordos interiores 3) Presencia de maleza acuática 4) Indicios de asolvamiento 5) Presencia de espumas 6) Presencia de mojones de lodo flotando 7) Presencia de mosquitos 8) Presencia de malos olores AIREACIÓN MECÁNICA 9) Tipo de aireadores instalados 10) Número de aireadores instalados 11) ¿Funcionan todos los aireadores? 12) Número de aireadores funcionando AIREACIÓN POR DIFUSIÓN 13) Número de difusores instalados 14) ¿Funcionan todos los difusores? 15) Número de difusores funcionando

Verificación Si ( Si ( Si ( Si ( Si ( Si ( Si ( Si (

) ) ) ) ) ) ) )

No ( No ( No ( No ( No ( No ( No ( No (

) ) ) ) ) ) ) )

(

) cañon ( ) succión ( ) aireadores Si ( ) No ( ) ( ) aireadores ( Si (

) (

) difusores No ( ) difusores

)

Diagnóstico La laguna aireada opera bien si las respuestas del 1) al 8) son negativas, independientemente de las condiciones de aireación. La laguna aireada opera regular si tres de las respuestas del 1) al 8) son afirmativas, o el número de aireadores o difusores operando es menor que la mitad de los instalados. La laguna aireada opera mal si la respuesta 8) es afirmativa, independientemente de todos los demás indicadores.

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Procesos de biomasa en suspensión

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Lodos activados

Descripción del proceso El proceso de lodos activados es una forma de tratamiento donde el agua residual y el lodo biológico o activado -formado por una población heterogénea de microorganismos-, son mezclados y aireados en un tanque o reactor; para posteriormente ser separados mediante sedimentación y recircularlos dentro del sistema (Foto 1.12). Foto 1.12 Planta de lodos activados

Aspectos generales del proceso En el proceso de lodos activados, los microorganismos son completamente mezclados con la materia orgánica del agua residual, la que sirve de alimento para su propio crecimiento y reproducción. A medida que la población de microorganismos aumenta, se agrupa y forma flóculos para producir una masa activa llamada lodo activado. El lodo activado es de color café, cuando es sano huele a “tierra mojada”, presenta una estructura granular y sedimenta rápidamente. El agua residual que ingresa continuamente al tanque de aireación del sistema, se une con los lodos activados recirculados provenientes del sedimentador secundario, donde el aire es introducido para realizar una mezcla completa y proporcionar el oxígeno necesario para que los microorganismos remuevan la materia orgánica. La mezcla de lodo activado y agua residual que se produce en el tanque de aireación, se llama “licor mezclado”, el cual se envía a un tanque de sedimentación secundario o clarificador donde el agua se decanta para posteriormente ser desinfectada, y parte del lodo activado sedimentado se recircula, el sobrante se envía a tratamiento o disposición. El aire es introducido al tanque de aireación, ya sea mediante difusores (Fotos 1.13 y 1.14) que se colocan en el fondo o por aireadores mecánicos superficiales los que pueden ser fijos, ubicados sobre plataformas o flotantes (Fotos 1.15 y 1.16).

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Foto 1.13 Difusor

Foto 1.15 Aireador mecánico

Foto 1.14 Sistema de difusión

Foto 1.16 Aireador mecánico funcionando

Variantes del proceso Lodos activados convencional (Flujo pistón) El agua a tratar y el lodo activado recirculado entran en el tanque de aireación y se mezclan con aire disuelto o con agitadores mecánicos. El suministro del aire suele ser uniforme a lo largo de toda la longitud del canal. Durante el período de aireación, se produce la adsorción, floculación y oxidación de la materia orgánica. Los sólidos del lodo activado se separan en un sedimentador secundario, los tiempos de retención hidráulica varían entre 4 a 8 horas. Un diagrama de este proceso se muestra en la Figura 1.17.

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Figura 1.17 Sistemas de lodos activados convencional

Estabilización por o En esta variante, el agua residual entrante al proceso (efluente primario), es aireada durante un tiempo de 20 a 30 minutos en un tanque llamado “tanque de o” para que los microorganismos absorban los contaminantes orgánicos sin dar oportunidad de asimilar la materia orgánica. El lodo activado pasa a sedimentación y es conducido a un tanque llamado “tanque de estabilización” donde se airea de 1.5 a 3 horas para degradar la materia orgánica. Parte del lodo recirculado se desecha y el restante se envía al tanque de o. Tal como se muestra en la Figura 1.18.

Figura 1.18 Estabilización por o

Aireación decreciente (Tapered aereation) En tanques de aireación largos y angostos -relación largo/ancho mayor de 8- se presenta un flujo tipo pistón con una demanda mayor de oxígeno a la entrada, disminuyendo hasta la salida. La cantidad total de aire se obtiene como en un proceso de lodos activados convencional, pero su distribución se hace decrecer a lo largo del tanque colocando menos difusores o aireadores. Tal como se muestra en la Figura 1.19.

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Figura 1.19 Sistema de Aireación decreciente

Aireación por etapas o aireación por pasos (Step aereation) Esta variante consiste en introducir el agua residual en varios puntos a lo largo del tanque de aireación. En los sitios de alimentación se esparce la demanda de oxígeno, resultando una mayor eficiencia en la distribución del aire inyectado al sistema. Tal como se muestra en la Figura 1.20.

Figura 1.20 Aireación por etapas, también llamada Aireación por pasos

Aireación extendida Esta modificación consiste en aumentar el tiempo de retención hidráulica en el sistema de 12 a 36 horas en lugar de 6 a 8 horas que emplea el proceso convencional. Este periodo de aireación permite que el lodo sea parcialmente digerido dentro del tanque de aireación. Una variación del sistema de aireación extendida es la llamada “zanja de oxidación”, que consiste en un tanque de aireación formado por un canal cerrado donde un rotor o aireador mecánico generalmente del tipo cañón introduce el oxígeno suficiente al licor mezclado y mantiene la mezcla en movimiento. Tal como se muestra en la Figura 1.21.

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Figura 1.21 Aireación extendida -Zanja de oxidación

Mezcla completa Esta modificación consiste en uniformizar la aireación y la entrada del licor mezclado en el tanque de aireación y extraer los lodos de una forma igualitaria a lo largo del tanque. Con este sistema se logra que la demanda de oxígeno permanezca constante en todos los lugares del tanque de aireación siendo más eficiente la utilización del aire suministrado. Tal como se muestra en la Figura 1.22.

Figura 1.22 Sistema de Lodos activados en Mezcla Completa

Sistema de oxígeno puro Desde 1970, ha habido interés por los sistemas que utilizan oxígeno puro en lugar de aire, para eficientar los requerimientos de bacterias aerobias que realizan la depuración del agua. Los tanques de aireación en esta modalidad, se encuentran cubiertos y el oxígeno es recirculado a través de varias etapas que corresponden a diferentes compartimentos provistos por un agitador superficial que realiza la mezcla de agua y lodo permitiendo la inclusión del oxígeno. El sistema permite el uso eficiente del oxígeno proporcionado con bajos requerimientos de energía. El número de etapas depende de la concentración de carga orgánica del desecho, características del agua a tratar y calidad del efluente deseado. El oxígeno empleado se genera en el sitio de la planta, en donde si la planta es grande el aire se licua y destila en unidades criogénicas; mientras que en plantas pequeñas la separación del oxígeno se obtiene adsorbiendo el nitrógeno del aire. 56

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Un diagrama de un tanque de suministro de oxígeno puro en sistema de lodos activados con tres etapas, se presenta en la Figura 1.23. Una característica de este proceso es que el contenido de oxígeno disuelto en el licor mezclado del reactor presenta concentraciones de 6 a 12 mg/l, y los contenidos de sólidos sedimentables son altos.

Figura 1.23 Tanque para un sistema de oxígeno puro en etapas múltiples

El proceso de lodos activados puede convertir casi toda la materia orgánica del influente en sólidos. Dichos sólidos al ser removidos producen un efluente de alta calidad. Desafortunadamente la sedimentación de sólidos floculentos es una operación difícil de realizar, por lo que se requiere un control operacional cuidadoso del sistema. Dentro de las variantes presentadas al proceso de lodos activados, las más utilizadas en México son los sistemas convencionales y aireación extendida en la modalidad de zanjas de oxidación. Evaluación del proceso Los siguientes términos son importantes en la evaluación del proceso de lodos activados. Tabla 1.10 Indicadores del mal funcionamiento de un tanque de aireación de lodos activos Indicador (A) LIMPIEZA Basura y natas en las esquinas de los tanques rectangulares o cuadrados (B) Presencia de espuma café (C) Presencia de espuma blanca (D) AIREACIÓN MECÁNICA Número de aireadores instalados (E) ¿Funcionan todos los aireadores? (F) AIREACIÓN POR DIFUSIÓN ¿Todo el tanque está aireado o agitado? (G) ¿Se distribuye el aire uniformemente? (H) ¿Hay diferencia de color y transparencia entre el influente y efluente?

Verificación Si ( ) Si ( ) Si ( )

No ( ) No ( ) No ( )

( ) aireadores Si ( ) No ( ) Si ( ) Si ( ) Si ( )

No ( ) No ( ) No ( ) 57

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Tabla 1.11 Sedimentador secundario (rectangular o circular) Indicador AGUA DEL SEDIMENTADOR (I) Presencia de burbujas (J) Presencia de lodo flotando (K) Presencia de natas (L) ¿Hay diferencia de color y transparencia entre el influente y el efluente? MECANISMO (M) ¿Gira bien el sistema de rastras?

Verificación Si ( Si ( Si ( Si (

) ) ) )

No ( No ( No ( No (

) ) ) )

Si ( )

No ( )

Verificación Indique el color Si ( ) Si ( )

No ( ) No ( )

Calidad de los lodos Indicador (N) ¿Cuál es el color del lodo en el sedimentador? (O) ¿El lodo producido huele a “tierra mojada”? (P) ¿Sedimenta el lodo rápidamente?

Tomando con el vaso transparente agua del tanque de aireación, se puede dar uno cuenta de la velocidad de sedimentación de los lodos en el sedimentador secundario. Los lodos deben sedimentar en menos de 30 minutos dejando en la superficie un sobrenadante claro. Un lodo sano debe tener un color café, con apariencia granular, con olor a tierra mojada y sedimentación rápida. Diagnóstico Si H es afirmativa el proceso funciona aceptablemente independientemente de la presencia o ausencia de los demás indicadores. Si H es negativa el proceso funciona mal independientemente de la presencia o ausencia de los demás indicadores. Sedimentador secundario. Si I, J y K son afirmativas el sedimentador secundario funciona mal. Si solo 2 de los anteriores indicadores fueron afirmativos el sistema funciona regular. Si todos los indicadores resultaron negativos el sistema funciona bien. Sedimentador secundario El sedimentador secundario opera mal: Si la respuesta (M) es negativa o bien, si (I), (J) y (K) son afirmativas. Si la respuesta (N) es café oscuro o negro. Si sólo 2 de los indicadores (I), (J) y (K) fueron afirmativos el sedimentador secundario opera de una forma regular. Si 3 indicadores anteriores, fueron negativos y las respuestas (O) y (P) son positivos; el sedimentador secundario opera bien.

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OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Si la respuesta (L) es negativa el sistema funciona mal independientemente de todos los demás indicadores.

•

Zanjas de oxidación

Descripción del proceso Las zanjas de oxidación son una variante del proceso de lodos activados por aireación prolongada. El proceso se basa en suministrar el oxígeno por medio de rotores o aireadores mecánicos que hacen circular el agua en un canal cerrado, ésta actividad también se puede llevar acabo por difusores que se complementan con agitadores superficiales o sumergidos que le imprimen una velocidad horizontal al agua (licor mezclado) de 25 a 35 cm/s. El proceso se asemeja a la autopurificación de un río que mantiene condiciones aerobias en su recorrido, con una inoculación de microorganismos (lodos activados) en el lugar de la aplicación de las aguas residuales. Tal como se muestra en la Foto 1.17. Este tipo de proceso biológico, es una modificación del proceso de lodos activados con las siguientes características:

ο ο ο ο

Población a servir: Consumo de energía: Eficiencia de reducción de DBO: Oxígeno disuelto en el efluente:

Foto 1.17 Zanja de oxidación

De 1,000 a 100,000 habitantes De 1 a 3 kg de DBO/kwh De 90 a 98% Más de 1.5 mg/L

Variaciones al proceso En función de la población a servir, se recomiendan tres tipos de zanjas de oxidación: 1. Tipo canal simple, para poblaciones hasta de 1,000 habitantes. 2. Tipo canal doble para poblaciones entre 1,000 y 5,000 habitantes. 3. Tipo carrusel para poblaciones mayores de 5,000 habitantes. Tipo canal simple Este tipo de zanja consiste únicamente en un canal cerrado que posee una isleta divisoria, tal como se muestra en la Figura 1.24. El agua se mueve por medio de rotores (ver Foto 1.18) o aireadores de tubo, también llamados tipo “cañón” (ver Figura 1.27) que proporcionan aireación e impiden que se sedimenten en el fondo los sólidos suspendidos volátiles del licor mezclado. Dentro de la zanja se acostumbra construir una fosa que acumule los lodos y que parcialmente los digiera para posteriormente desalojarlos. 59

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Figura 1.24 Zanja de oxidación tipo canal simple

Tipo canal doble Este tipo de zanja consiste en dos zanjas tipo canal simple unidas tal como se muestra en la Figura 1.25. Al igual que en el caso anterior el agua se airea y mueve por medio de rotores o aireadores tipo cañón colocados al principio de la parte recta de los canales. En función del cálculo de los lodos producidos, el canal de interconexión de las zanjas puede tener o carecer de tolva de concentración de lodos. Tipo carrusel

Figura 1.25 Zanja de oxidación tipo canal doble

Este tipo de zanja consiste en un canal cerrado de gran desarrollo, tal como se muestra en la Figura 1.26. El agua de mueve por medio de aireadores mecánicos del tipo “trompo” que proporcionan aireación e impulsan el agua para mantener en suspensión los sólidos suspendidos volátiles del licor mezclado. Los lodos se separan por medio de un sedimentador secundario y parte de los cuales se retornan a la zanja.

Figura 1.26 Zanja de oxidación tipo carrusel

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Variaciones al sistema de aireación En las zanjas de oxidación tipo canal simple y canal doble, la aireación se realiza por medio de rotores (cepillos), o bien por medio de aireadores de tubo de los llamados tipo “cañón”. Un rotor típico tiene un diámetro aproximado de 30 in (76.20 cm), con una velocidad de 75 rpm, trabajando con una inmersión de 6 in (15.24 cm) para producir una velocidad del flujo en el canal no menor de 1ft/s (30.48 cm/s) y una capacidad de oxigenación del orden de 6 lb/h (2.72 kg/h) de oxígeno disuelto. Una fotografía de un rotor trabajando se presenta en la Foto 1.18 y un esquema de aireador tipo “cañón” se presenta en la Figura 1.27.

Foto 1.18 Rotor de aireación (cepillo)

Figura 1.27 Aireador de tubo tipo “cañón”

Figura 1.28 Aireador tipo “trompo”

En las zanjas tipo carrusel el movimiento y oxigenación del agua también se logra mediante aireadores del tipo “trompo”. Evaluación del proceso Parámetros de control visual. Los siguientes términos son importantes en la evaluación del proceso de zanjas de oxidación. 61

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Zanja de oxidación Indicador 1) Presencia de espuma café 2) Presencia de espuma blanca AIREACIÓN POR ROTORES 3) Número de rotores instalados 4) ¿Funcionan todos los rotores? 5) Número de rotores funcionando AIREACIÓN POR AIREADORES 6) Tipo de aireadores instalados 7) Número de aireadores instalados 8) ¿Funcionan todos los aireadores? 9) Número de aireadores funcionando 10) ¿Es suficiente la velocidad superficial del agua en la zanja para evitar la sedimentación de sólidos?

Verificación Si ( ) Si ( )

No ( ) No ( ) (

) rotores

(

) rotores

Si ( )

No ( )

( ) cañon

( ) trompo ) aireadores No ( ) ) aireadores

( Si ( ) ( Si ( )

No ( )

La velocidad superficial del agua dentro de la zanja –Pregunta 10)- deberá de ser mayor de 0.30 m/s. Para estimarla se puede arrojar algún objeto flotante en una parte recta y determinar el tiempo que tarda en recorrer una distancia conocida. El resultado que resulta de dividir la distancia conocida -medida en metros-, entre el tiempo empleado en recorrerla -medido en segundos-, proporciona dicha velocidad. Sedimentador secundario (rectangular o circular) Indicador AGUA DEL SEDIMENTADOR 11) Presencia de burbujas 12) Presencia de lodo flotando 13) Presencia de natas 14) ¿Hay diferencia de color y transparencia entre el influente y el efluente? MECANISMO 15) ¿Gira bien el sistema de rastras?

Verificación Si ( Si ( Si ( Si (

) ) ) )

Si ( )

No ( No ( No ( No (

) ) ) )

No ( )

Calidad de los lodos Indicador 16) ¿Cuál es el color del lodo en el sedimentador? 17) ¿El lodo producido huele a “tierra mojada”? 18) ¿Sedimenta el lodo rápidamente?

Verificación Indique el color Si ( ) No ( ) Si ( ) No ( )

Después de colectar el agua de la zanja de oxidación, mediante un vaso transparente, se puede dar uno cuenta de la velocidad de sedimentaciòn de los lodos en el sedimentador secundario. Los lodos deben sedimentar en menos de 30 minutos dejando en la superficie un sobrenadante claro. Un lodo sano debe tener un color café, con apariencia granular, con olor a tierra mojada y sedimentación rápida. Diagnóstico Zanja de oxidación La presencia de espumas representa una baja concentración de lodos en la zanja de oxidación –respuestas 1) y 2)-.

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Si la respuesta 10) es afirmativa, el proceso funciona aceptablemente independientemente de la presencia de los demás indicadores. Sedimentador secundario El sedimentador secundario opera mal: Si la respuesta 15) es negativa o bien, si 11), 12) y 13) son afirmativas. Si la respuesta 16) es café obscuro o negro. Si sólo 2 de los indicadores 11), 12) y 13) fueron afirmativos el sedimentador secundario opera de una forma regular. Si 3 indicadores anteriores, fueron negativos y las respuestas 17) y 18) son positivos; el sedimentador secundario opera bien. Si la respuesta 14) es negativa el sistema funciona mal independientemente de todos los demás indicadores. Procesos de película fija El concepto de biopelícula o película biológica fija introduce modificaciones sustanciales a los procesos de biomasa suspendida. La ventaja fundamental es lograr un aumento en el tiempo de retención celular, sin recurrir a la recirculación de la biomasa como es el caso de los lodos activados, obteniéndose lodos con una buena sedimentabilidad. Por otra parte, la concentración de biomasa dentro del reactor se incrementa de forma considerable. Los diferentes tipos de procesos de biopelícula aerobia, se clasifican de acuerdo al tipo de soporte inerte que se introduce a los reactores para que se adhieran los microorganismos. Se tiene así, el lecho fijo, filtros rociadores o biofiltros, y el lecho móvil, discos biológicos rotatorios y lecho fluidificado o expandido. Actualmente, son los filtros percoladores y los biodiscos, en este orden, los más utilizados.

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Sistemas de filtros percoladores

Descripción del proceso El sistema de filtro percolador o rociador consiste en un tanque de forma circular (Figura 1.29), conteniendo un lecho filtrante formado por un relleno de grava, carbón, pedacería de ladrillo, piedra triturada (6-9 cm de diámetro) o módulos de plástico de tipo laminar. La profundidad de los lechos puede tener de 1.5 a 2.5 m para empaques o rellenos de piedra y de 3 a 7 m para empaques plásticos de diversas formas. Un distintivo e importante elemento es el sistema de distribución del agua residual, siendo muy común el tipo rotatorio que se monta sobre un muelle o brazo central a la mitad del filtro. En la Figura 1.29 se muestra el corte transversal de un filtro percolador evidenciando la entrada del influente que se bombea hasta el sistema de distribución filtrándose a través del relleno (grava o piedra) y posteriormente se recolecta esta agua ya tratada (agua residual más limpia) a través de conductos de drenaje en el fondo del filtro por donde sale ya el efluente a un sedimentador secundario. 63

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FUENTE: Reynolds, 1982 Figura 1.29 Filtro percolador con un distribuidor rociador.

En la Foto 1.19 se muestra el relleno (grava) de un filtro percolador así como el muelle giratorio por el cual se distribuye el agua residual (note el chorro de agua que sale de los orificios del tubo distribuidor). El impulso del chorro de agua se aprovecha para hacer girar el muelle. El relleno de los filtros percoladores funciona como soporte sobre el que crecen bacterias (microorganismos pequeños no visibles al ojo humano). Conforme el agua residual pasa a través del lecho, las bacterias se nutren del material orgánico (materia fecal, residuos alimentarios etc.) presente en el agua residual y de oxígeno disuelto en éste. Como consecuencia del aumento poblacional de las bacterias se forma una especie de costra (biopelícula) sobre la superficie del empaque, presentando un aspecto gelatinoso, espesor uniforme y estratificada que con Foto 1.19 Acercamiento del material de relleno (grava) de frecuencia es de color gris a gris café, se un filtro percolador oscurece en algunos casos. La capa superficial de los microorganismos o bacterias consume rápidamente el oxígeno, por lo que frecuentemente se encuentran zonas anaerobias (zonas con ausencia de oxígeno) en el interior de la biopelícula. Cuando se desprende la biopelícula, esta es arrastrada por el agua tratada hasta el fondo del filtro llegando finalmente hasta el sedimentador secundario, donde los sólidos son separados por sedimentación mientras que el agua tratada se retira en la superficie a través de los vertederos.

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Fuente: Reynolds, 1982 Foto 1.20 Filtro percolador con varios distribuidores rotatorios.¡

Recirculación opcional LP

FP

Influente PT SP

SS

Efluente

Q

Lodo secundario, Qr ≈ 10% Q

Figura 1.30 Tren de tratamiento que incluye un filtro percolador. (caudal (Q); caudal de recirculación (Qr); pretratamiento (PT); sedimentador primario (SP); lodos primarios (LP); filtro percolador (FP); sedimentador secundario (SS))

En el diagrama de Flujo (Figura 1.30) se muestra el tren de tratamiento del agua residual que inicia con el pretratamiento, seguido de un sedimentador primario, el filtro percolador y finalmente un sedimentador secundario que tiene como función eliminar a los microorganismos acumulados y que periódicamente se desprende del filtro, recirculando un 10% de éstos hacía el sedimentador primario. En este último sedimenta tanto los sólidos de la biopelícula como los del agua bruta. Variantes de filtros biológicos de doble etapa Otro posible esquema de trabajo consiste en que el filtro percolador se opere en dos etapas (intervienen dos filtros percoladores operados en serie). Nótese también los arreglos de recirculación entre ambos filtros (Figura 1.31). 65

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R1

R2

Influente

Efluente SP

SS

Q

Figura 1.31 Diagrama de flujo de un sistema percolador operado en 2 etapas con recirculación (R1 y R2), sedimentador primario (SP) y sedimentador secundario (SS)

El material de construcción de los tanques de los filtros percoladores suele ser de concreto reforzado y de un diámetro muy variable entre 3 a 40 m. No se debe confundir un filtro percolador con un sedimentador, ya que ambos son circulares y tienen un brazo diametral giratorio. La gran diferencia entre ellos es que un filtro percolador tiene un brazo giratorio que rocía agua residual, el sedimentador no; el filtro rociador esta relleno de grava o piedras o incluso material plástico bien visibles a un espectador, mientras que un sedimentador no tiene material de relleno y un observador sólo vería un estanque de agua residual. Evaluación del proceso A continuación se invita al observador que evalúe el proceso de filtro percolador con base a la presencia o ausencia de una serie de indicadores de problemas de funcionamiento (Tabla 1.12). Tabla 1.12 Indicadores de inadecuada funcionalidad de una planta con tratamiento biológico de tipo filtro percolador Clasificación A B C D

Indicador Presencia de moscas Malos olores Falta de crecimiento de microorganismos sobre las piedras o grava No hay diferencia de color y turbidez entre el agua residual que entra y la que sale del sistema de filtro percolador

Positivo

Negativo

El más común de los problemas encontrados en los filtros percoladores es la presencia de mosquitos (Psychoda) que crecen sobre el material de relleno del filtro. Generalmente los mosquitos permanecen en las inmediaciones del filtro, sin embargo pueden llegar a molestar a los operadores. Un control efectivo contra esta plaga suele ser inundar el lecho un día del verano de esta forma las larvas del mosquito perecen. Otro problema es el de mal olor cuando se opera el filtro a bajas velocidades y el agua residual fermentada llega a la planta. Sin embargo es rara la presencia de mal olor en plantas que se operan a altas cargas con recirculación continua. 66

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Es obvio que los indicadores A-D son detectados mediante inspección visual, sin embargo, para determinar el indicador E el observador deberá obtener agua del influente (agua residual que entra al filtro biológico directamente) y del efluente (agua residual final). Colocar los 2 tipos de agua en vasos limpios y transparentes marcando los mismos para evitar confundir las aguas residuales y finalmente realizar la inspección visual. Diagnóstico Siguiendo la siguiente valoración el observador podrá realizar una evaluación primaria del funcionamiento del sistema biológico, en este caso concreto, filtro percolador. Si la observación D es positiva, el sistema de filtro percolador funciona mal, independientemente del estado de los demás indicadores. Si la observación D es negativa y cualquiera de los demás indicadores es positivo el sistema funciona regular. Si todos los indicadores fueron negativos el sistema funciona bien. ¿Cómo funciona el sistema de filtro percolador? (Bien) (Regular) (Mal)

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Sistema de discos biológicos rotatorios (Biodiscos)

Descripción del proceso Una unidad o etapa de biodiscos consiste en una serie de discos montados en un eje central horizontal rotatorio e instalados en un tanque de concreto. En la Figura 1.32 y Foto 1.21 se puede observar los componentes principales de una unidad de biodiscos (el rotor, el eje o flecha y los discos). Unidad de Biodiscos Cubierta

Discos Flecha

Motor Tanque Figura 1.32 Principales componentes de una unidad de Biodiscos

Foto 1.21 Unidades de Biodiscos en operación

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La flecha y discos se hacen girar por medio de un mecanismo motriz acoplado a la flecha, entre 1 y 2 r.p.m. El 40% de la superficie de los discos debe mantenerse dentro del agua residual. Inicialmente los discos se construyeron a base de madera, pero por su baja eficiencia se buscaron nuevos materiales. Actualmente los materiales de construcción son polietileno y poliestireno. La superficie de los biodiscos puede ser lisa o corrugada, siendo más eficiente esta última. Los biodiscos al unirse, forman una estructura rígida, con un espaciamiento entre capa y capa de 3.2 cm, formando unos canales radiales desde el centro del biodisco hacia la periferia, de esta forma se asegura que el agua residual, el aire y la biomasa que se desprende, pasen libremente dentro y fuera del medio (Figura 1.33).

FUENTE: Guerra Álvarez, 1982 Figura 1.33 Biodiscos con canaletas

En la Tabla 1.13 se detallan las dimensiones y materiales más comunes en la construcción de los biodiscos. Tabla 1.13 Dimensiones de los biodiscos Diámetro (m) Espesor (cm) Separación entre los Biodiscos (cm) Materiales utilizados Densidad superficial (m2/m3) Tamaño de población (habitantes)

Biodiscos lisos 2-3 0.13-1.3 3.4 Poliestireno, 121.4 10,000

Biodiscos con canaletas 3.6 3.2 Polietileno 122.7 -

Los biodiscos se sumergen en el agua residual justo por debajo del nivel del eje, en un tanque con un fondo de forma cilíndrica, cuyo tamaño es ligeramente mayor que el de los biodiscos. La forma cilíndrica del tanque no es obvia para un observador, ya que la forma externa del tanque es de apariencia rectangular como se puede observar en la Foto 1.22.

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Los biodiscos deben estar cubiertos para su protección de los rayos solares, evaporaciones y bajas temperaturas. En la Foto 1.22 se observa que los biodiscos se encuentran cubiertos por láminas formando un semicilindro. En este ejemplo en concreto una de las unidades se ha descubierto para realizar su limpieza. También es posible ver los sedimentadores secundarios del tren de tratamiento. Foto 1.22 Unidad de Biodiscos en la planta de depuración de aguas

Sobre cada biodisco crece una gran cantidad de organismos microscópicos (zooglea), pero su conjunto forma una capa visible entre 4 mm hasta varios centímetros. La apariencia de la capa es áspera con muchos filamentos (especie de hilos sobresalientes). La capa adherida al disco se alimenta del oxígeno disuelto y de la materia orgánica contenida en el agua residual (materia fecal, orina, desperdicios alimentarios etc.). El movimiento rotatorio provoca que la biomasa en exceso se desprenda y quede en el seno del licor de mezclado (lodo + agua residual tratada). El lodo que se va desprendiendo de los biodiscos se elimina mediante sedimentadores intermedios. Varias unidades o etapas de biodiscos pueden estar operando en paralelo o en serie como se puede observar en las Fotos 1.23 y Figura 1.34, respectivamente. En el primer ejemplo la operación se realiza en 5 etapas y en paralelo, mientras que en el segundo ejemplo las unidades de biodiscos tienen un arreglo en serie.

Foto 1.23 Sistema de Biodiscos de 5 etapas

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FUENTE: Guerra Álvarez, 1982 Figura 1.34 Sistema de biodiscos de 3 etapas, sin cubierta externa

En la Figura 1.35 se muestra un sistema de tratamiento de aguas residuales de biodiscos. Es necesario pretratar el agua cruda para que pueda entrar a las etapas de los biodiscos. Posteriormente el licor de mezcla que sale de los biodiscos es llevado hasta un sedimentador secundario donde los lodos se asientan en el fondo y el agua tratada se extrae por la superficie, colectándose en canales para su posterior desinfección. Sedimentador primario

Biodiscos

Sedimentador secundario

Agua tratada

Licor mixto

Disposición de lodos

Agua residual cruda Figura 1.35 Sistema de discos biológicos rotatorios en el tratamiento de aguas residuales

Evaluación del proceso A continuación se dan algunos indicadores del mal funcionamiento de un sistema de biodiscos de los cuales el observador podrá identificar mediante una inspección visual.

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Tabla 1.14 Indicadores de inadecuada funcionalidad de una planta con tratamiento biológico de biodiscos Clasificación Indicador A Desarrollo de una biopelícula blanca sobre el biodisco, dominando la superficie. B Desarrollo de una biopelícula negra sobre el biodisco, dominando la superficie. C Zonas del biodisco sin crecimiento de microbiano. D No hay diferencia de color y turbidez entre el agua residual que entra y la que sale del sistema de biodiscos.

Positivo

Negativo

Diagnóstico Si cualquiera de las observaciones anteriores (A-D) fueron positivas el sistema funciona mal. Si las observaciones A-B fueron positivas, el sistema funciona regular. Si las observaciones C-D fueron positivas, el sistema funciona mal. Si ninguna observación (A-D) fue positiva, el sistema funciona bien. ¿Cómo funciona el sistema de biodiscos? (Bien) (Regular) (Mal)

Sistemas anaerobios Para llevar a cabo la digestión anaerobia se han propuesto varios procesos con configuraciones diferentes que buscan optimizar el sistema. Estas configuraciones pueden agruparse por la forma en que se encuentra la biomasa en su interior, lo que origina dos grandes bloques: reactores con crecimiento celular en suspensión y reactores con biomasa fija. A continuación se describen brevemente los reactores anaerobios existentes. Se clasifican en tres generaciones (Figura 1.36), de acuerdo a la evolución tecnológica que presenten, la primera corresponde a aquellos procesos donde la biomasa se encuentra en suspensión; en la segunda generación, los microorganismos son retenidos en el reactor mediante un soporte o bien por sedimentación y; los de la tercera generación, donde los microorganismos están adheridos en un soporte que se expande o fluidifica.

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SISTEMAS ANAEROBIOS

Biomasa en suspensión (1ª generación)

Fosa séptica Tanque Imhoff Laguna anaerobia Digestor convencional Digestor completamente mezclado o anaerobio

Biomasa fija (2ª generación)

Filtro anaerobio Reactor tubular de película fija Reactor de lecho de lodos y flujo ascendente (UASB)

Lecho expandido (3ª generación)

Lecho expandido Lecho fluidificado

Figura 1.36 Generaciones de los reactores anaerobios

Reactores de primera generación Los primeros reactores de tipo anaerobio son, por un lado la fosa séptica y los digestores de tipo rural con una alimentación semicontinua, de los que se tienen referencia desde el siglo XIX. Estos digestores son utilizados para la producción de biogás a partir de desechos agrícolas y ganaderos, por lo que una descripción detallada cae fuera del tema de este texto. En la actualidad estos sistemas se han difundido considerablemente a nivel doméstico o de granja familiar, sobre todo en países subdesarrollados.

•

Fosa séptica

Descripción del proceso Las fosas o tanques sépticos son unidades que restablecen en parte la calidad del agua generada en las actividades domésticas de viviendas individuales o pequeños grupos de viviendas (de 10 a 100 habitantes) en zonas donde no hay drenaje. Su ubicación debe de encontrarse lo más lejos posible de la zona habitada (hasta 100 m) para evitar los malos olores producidos durante el tratamiento. Consisten básicamente de un tanque construido comúnmente con ladrillos, mortero y cemento, aplanados en su interior y con una profundidad entre uno y dos metros (ver Foto 1.24). Algunas veces tienen una trampa para separar las grasas. Su construcción generalmente es subterránea, como se muestra en la Foto 1.25 en la que únicamente se observan sus tapas.

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Foto 1.24 Fosa o tanque séptico externo

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a)

b) Foto 1.25 Fosas o tanques sépticos subterráneos

Pueden ser de uno o más compartimientos. En la Figura 1.37 se observan los principales componentes de un tanque séptico de un compartimiento y en la Figura 1.38 uno de dos compartimentos. La remoción de DBO y SS en una fosa o tanque séptico de un compartimiento es de 30 % y 60 %, respectivamente. Su tiempo de retención mínimo es de 12 horas y puede incrementarse hasta tres días, dependiendo de la calidad necesaria en el efluente y del número de compartimientos. La forma más común de estos sistemas es rectangular, aunque los hay de forma circular. En los tanques sépticos no se logra degradar la materia orgánica hasta su forma más oxidada, es decir hasta sus formas más sencillas. El efluente presenta concentraciones considerables de materia orgánica, por lo que es necesario complementar el tratamiento mediante un filtro de grava, un campo de infiltración o una cámara de oxidación, dependiendo del uso que se pretenda dar al agua tratada. Por lo tanto el tanque séptico funciona como un pretratamiento. Normalmente produce malos olores. Sus componentes principales son: zona de espumas, zona de sedimentación y zona de lodos. Esta última se subdivide en a) zona de digestión de lodos y corresponde a los lodos de la parte superior, b) zona de almacenamiento correspondiente a los lodos del fondo.

Figura 1.37 Fosa o tanque séptico de un compartimiento 73

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Figura 1.38 Fosa o tanque séptico de dos compartimientos

Los tubos de entrada y de salida deben de tener destapada la parte superior para permitir el paso de los gases, especialmente en la salida, para evitar que formen parte del efluente. Estos tubos funcionan como mamparas ya que reducen los cortocircuitos y facilitan la hidráulica del agua en el tanque séptico. La parte superior de los tubos deben encontrarse a una distancia de 15 a 20 cm por encima de la superficie del agua, sobrepasando el nivel de la espuma. La parte inferior de los tubos deben estar sumergidos entre un 30 a un 40 % de la profundidad del líquido en el tanque. Tratamiento del efluente del tanque séptico. 1.- Filtro de oxidación. El tratamiento del efluente de un tanque séptico puede realizarse mediante un filtro de oxidación de flujo ascendente instalado junto al efluente del tanque séptico como se indica en la Figura 1.39. El filtro puede ser de grava o gravilla y construirse de 50 cm de profundidad. El efluente de este filtro descarga por la parte superior y el agua llega por su base. Las bacterias se adhieren formando una capa en la superficie de la grava en donde se oxida la materia orgánica reduciéndola hasta en un 70 %. También se reducen los malos olores y la turbiedad. El filtro debe lavarse cada dos años de funcionamiento para recuperar su capacidad de tratamiento.

Figura 1.39 Fosa o tanque séptico de dos compartimientos y un filtro de flujo ascendente

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2.- Campos de infiltración. En este proceso se filtra y oxida el efluente de tanque séptico. Consiste de una red de tubos colocados por debajo de la superficie del suelo, el cual debe ser permeable. En el lecho se desarrollan microorganismos (bacterias, protozoarios) y otros seres como las algas y los anélidos, que de manera conjunta eliminan la materia orgánica (entre 80 y 90 %) y a microorganismos patógenos. En la Figura 1.40 se muestra la distribución de los tubos para un campo de infiltración en suelos permeables. En la Figura 1.41 se muestra un corte transversal del campo de infiltración en suelos poco permeables, que consiste de un lecho de rocas de diferente diámetro y varían de 0.5 a 1.5 m de profundidad. Estos campos de infiltración no deben de construirse en zonas donde el manto acuífero se encuentra Figura 1.40 Fosa o tanque séptico a una profundidad menor a 1.5 m de la superficie del y campo de infiltración Vista de planta terreno. El campo de infiltración no debe construirse sobre pendientes muy pronunciadas, ya que estas reducen la posibilidad de infiltración. El suelo impermeable no es apto para este proceso.

Figura 1.41 Corte transversal de un campo de infiltración

Cámara de oxidación. Consiste de un tanque con tapa, construido en mampostería y concreto como se muestra en la Figura 1.42, aunque el lecho de grava y piedra puede ser sustituido únicamente por piedra. El tubo puede ser de barro vitrificado, concreto o de PVC, contener perforaciones y ubicarse uno en la parte superior (influente) y uno en el fondo (efluente) con las pendientes que se indican en la Figura 1.42. El efluente del tanque séptico pasa por todas las superficies de roca, en donde los microorganismos oxidan (biodegradan) la materia orgánica.

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Figura 1.42 Cámara de oxidación

Pozo de absorción. Sirven para continuar el tratamiento del efluente de un tanque séptico por medio de infiltración en el suelo. Es alto el riesgo de contaminar el agua subterránea con el agua tratada con este método, especialmente en suelos muy permeables, por lo que no debe encontrarse de manera somera el manto freático, ni ubicarse cercano a un pozo de extracción de agua para suministro potable. Pueden construirse varios pozos de absorción cuando sea grande el caudal proveniente del tanque séptico (por ejemplo un pozo para cada 10 personas). En la Figura 1.43 se observan los componentes de un pozo de absorción. Evaluación del proceso Con apoyo de un recipiente transparente compare la apariencia que tienen el agua del influente y la del efluente. La del efluente debe de ser más transparente, aunque puede presentar poco mal olor, por la materia orgánica que persiste en el agua. El aspecto más importante a supervisar en el tanque séptico es la medición de la capa de lodos y el del grosor de las espumas. El objeto de esta medición es para obtener información que permita conocer cuando se deben de extraer los lodos ya que un exceso de lodos disminuye el volumen de tratamiento, aumenta la velocidad del caudal e incrementa la posibilidad de descargar sólidos en el efluente. De igual modo, un exceso de espuma incrementa el riesgo de la descarga de sólidos. Figura 1.43 Componentes de un pozo de abasorción 76

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La medición de los lodos se realiza utilizando enrollando una toalla blanca sobre un palo o sobre algún carrizo, posteriormente se remueve el tapón del influente, ya que aquí no hay espuma que pueda impregnar la toalla, se introduce lentamente el palo con la toalla hasta que toque el fondo, se extrae lentamente y se miden las marcas dejadas por las espumas y los lodos. El grosor de la capa de espumas puede medirse por la tapa del tanque séptico. Es importante cerciorarse que se están midiendo los lodos de un tanque séptico y no la profundidad de una cámara de oxidación. El grosor máximo de la capa de lodos debe de ser de un tercio de la profundidad del tanque séptico, desde la superficie del agua hasta el fondo de los lodos. La profundidad de la espuma no debe ser mayor a 10 cm de la parte más profunda del tubo del efluente. En la Foto 1.26 se observa el palo preparado con la toalla blanca para la medición de lodos (foto izquierda) y la marca que dejan los lodos sobre la toalla blanca (foto derecha). Foto 1.26 Palo con toalla para medición de lodos

Responda las siguientes preguntas: 1. ¿Llega el agua sin taponamientos hasta el tanque séptico? Si _____ No ______ Si contestó no determine la causa ____________________________________________. 2. Profundidad de lodos del tanque séptico. __________ cm. 3. ¿Cuándo se extrajeron los lodos por última vez? _________. 4. Profundidad de la espuma del tanque séptico. __________ cm. 5. ¿Qué tipo de tratamiento le sigue al tanque séptico? a) Ninguno ________ b) Campo de infiltración ________ c) Cámara de oxidación ________ d) Pozo de absorción ________ 6. Es somero el manto acuífero (agua subterránea). Profundidad ________ m 7. ¿Es la misma la cantidad de agua que entra y la que sale del tanque séptico? Si contestó no verifique si hay fracturas o fugas. 8. Distancia del tanque séptico a la casa más cercana ________.

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9 Estado general de las estructuras. Bueno ______ Regular _____ Malo _______ 10 En el caso de los pozos de absorción determine el tiempo que tarda el agua en bajar 2.5 cm. Puede variar entre dos y 30 minutos, dependiendo del grado de permeabilidad del suelo. Entre menor velocidad de infiltración se requiere más área para cada habitante. Tiempo ________ minutos. Diagnóstico Con base en las preguntas y respuestas anteriores su apreciación es de que el sistema funciona: Bien ________ Mal ________ Regular _______

•

Tanque Imhoff

Descripción del proceso En el tanque Imhoff se realiza la sedimentación de sólidos sedimentables y su digestión anaerobia es de manera similar a un tanque séptico, aunque con un tanque Imhoff se pueden tratar caudales mayores (para comunidades entre 500 y 5,000 habitantes) y en su interior se presentan por separado la sedimentación y la digestión de lodos, en compartimientos diferentes. Se construyen con concreto. Son de forma cuadrada o rectangular. Normalmente están abiertos en su superficie, por lo que se puede ver el agua. La relación largo/ancho-varía de 3:1 a 5:1. Su profundidad común varía entre 1.5 y 4 m, aunque si la excavación lo permite pueden construirse hasta de 7 m de altura. Están constituidos de cuatro zonas: Entrada, compartimiento de sedimentación, cámara de digestión y salida. El agua residual después del tubo de entrada es forzada a fluir hacia abajo, es decir hacia la zona de sedimentación mediante un deflector o mampara. Ver Figura 1.44a. En el compartimiento de sedimentación, el agua residual permanece entre dos a cuatro horas y los sólidos del agua residual caen hacia el fondo por escurrimiento a través de una abertura longitudinal hacia la cámara de digestión, donde los lodos formados se descomponen o digieren en un periodo de dos a tres meses, produciendo diversos gases como metano, ácido sulfhídrico, bióxido de carbono, etc. El almacenamiento de estos lodos varía entre cuatro y seis meses, después de este periodo el lodo debe presentar un color negro oscuro y no debe generar mal olor. La abertura mencionada en el párrafo anterior, está formada por una mampara, la que evita el ascenso de los gases formados durante la digestión, hacia el comportamiento de sedimentación. Los gases escapan a la atmósfera por las ventilas ubicadas a los lados de la zona de sedimentación (Figura 1.44b y 1.44c). Finalmente el agua tratada pasa por debajo del deflector de la zona de salida para evitar el escape de las natas.

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Figura 1.44 Tanque Imhoff con una cámara de sedimentación. a) Vista transversal, b) Vista en planta, c) Vista horizontal

En la Figura 1.45 se presenta un tanque Imhoff con doble cámara de sedimentación sobre una cámara de digestión.

CORTE TRANSVERSAL

VISTA EN PLANTA

Figura 1.45 Componentes del tanque Imhoff con doble cámara de sedimentación. Vistas transversal y en planta 79

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En la Foto 1.27 se muestra un tanque Imhoff el cual incluye los lechos de secado. En esta planta los lodos se extraen por la parte inferior del Tanque Imhoff y no a través de un tubo por la parte superior como sería el caso de los tanques de las Figuras 1.44 y 1.45. Evaluación del proceso Antes de evaluar el tanque Imhoff es necesario supervisar que el FUENTE: Metcalf & Eddy. 1991 pretratamiento (rejillas y desarenador), así como algún sistema de bombeo que Foto 1.27 Panorámica de un Tanque Imhoff y sus lechos de secado pudiera tenerse, estén siendo operados de manera correcta. La ausencia del pretratamiento, así como fallas en su operación pueden afectar de manera significativa el funcionamiento del tanque Imhoff, por ejemplo la falta del desarenador o fallas en su operación y limpieza propician el azolve rápido del compartimiento de digestión de lodos. Investigue con el operador con qué frecuencia se realiza la limpieza de las rejillas y del desarenador y qué cantidad de arena y basuras extraen por día o por semana. Conviene también averiguar cuál es el destino de estos residuos. Después de supervisar que el pretratamiento funciona de manera correcta, localice el tubo y el canal del influente. Verifique que el agua fluya sin dificultad. Enseguida levante alguna tapa del tanque y revise que se encuentra la capa de espumas en la superficie. La presencia de estas espumas y la generación de poco mal olor indican buen estado del sistema. Normalmente cuando los tanques Imhoff son bien diseñados y operados correctamente, los olores que se perciben no deben de ser muy fuertes. Mida la profundidad de los lodos introduciendo una sonda con una tela blanca enrollada sobre la cual quedará la marca de la profundidad de los lodos. Verifique que estos lodos no se encuentren cerca de la profundidad de la cámara de sedimentación. Pregunte al operador con qué frecuencia se realiza la extracción de lodos, qué cantidad estima se está extrayendo y en qué sitio son dispuestos, ya sea en los lechos de secado, en alguna zanja para lodos, o cual es su destino final. También investigue con qué frecuencia remueven las espumas y cuál es su destino final, de manera similar como se haría con los lodos. Las ventilas de gas no deben de contener natas o materiales flotantes. La tapa del tanque no debe contener objetos sobre ella. En alrededor no deben presentarse hierbas o arbustos. Con apoyo de un recipiente transparente compare la apariencia que tienen el agua del influente y la del efluente. La del efluente debe de ser más transparente, aunque puede presentar poco mal olor, por la materia orgánica que persiste en el agua. 80

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Además de las respuestas de las observaciones anteriores conteste las siguientes preguntas. Tiempo de inicio de operaciones del sistema _______________________________ años. ¿Existe pretratamiento?

Si _____ No______

Frecuencia de limpieza de rejillas y desarenador ________________________________. Sitio de disposición final de los residuos del pretratamiento. _______________________________________________________________________. ¿Existe capa de espumas?

Si _____ No ______

Frecuencia de extracción de espumas: ________ veces por día, cada _______ días, ________ veces por semana. Lugar de disposición de las espumas: Área de cultivo ________ Basurero ________ Lechos de secado ________ Otros (especifique)._______________________________________________. Frecuencia de extracción de lodos: ________ minutos por día, ________ minutos cada días, _______ minutos por semana. Lugar de disposición de los lodos: área de cultivo ______, basurero ______ lechos de secado ______ otros (especifique) __________________________________. Identifica grietas o fugas en el tanque Imhoff? Estado general del tanque:

•

Si _______ No _______

Bueno _______ Malo ______ Regular _______

Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (RAFA)

Descripción del proceso En el reactor anaerobio de flujo ascendente (RAFA), el agua residual a tratar es conducida desde la parte superior del reactor (tanque) hacia el fondo del mismo por medio de tubos. El influente fluye en sentido ascendente a través de un manto de lodos (microorganismos anaerobios) llevándose a cabo de esta forma el tratamiento (Figura 1.46a). El biogás producido en condiciones anaerobias (principalmente metano y dióxido de carbono) genera una circulación interior (mezclado). El biogás, el lodo y el líquido tratado ascienden a la parte superior del reactor, en donde entran en o con deflectores que permiten la separación del biogás y la sedimentación del lodo. El biogás es capturado en la campana de recolección que se encuentran en la parte superior del reactor. El líquido tratado (efluente) sale por la parte superior. Detalles de éste proceso se indican en la Figura 1.46a y b. 81

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Figura 1.46a Reactor anaerobio de flujo ascendente (RAFA) rectangular

Figura 1.46b Reactor anaerobio de flujo ascendente (RAFA) rectangular

El agua residual debe estar bien distribuida en forma uniforme cerca del fondo del reactor (10-20 cm), mediante una serie de tubos y donde cada uno cubre un área de 1 ó 2 m2 del fondo del tanque. Principalmente para agua residual doméstica es importante garantizar una distribución uniforme con un control individual en cada punto (tubo) de distribución del agua, por ejemplo, esto es posible por inyección del agua residual en el canal principal localizado en la parte superior del reactor, desde el cual los tubos pueden tomar el agua residual doméstica para cada punto de distribución. 82

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La geometría de un RAFA, corresponde a un tanque circular o rectangular que puede estar completamente tapado y por lo que en este caso sólo se podrá observar los tubos de recolección de gas. En otros casos se podrá observar en la zona superior del reactor, el sedimentador, los vertedores y el sistema de recolección del gas. El recolector de biogás puede encontrarse, ya sea entre dos unidades de sedimentación o sobre el borde del sedimentador. En cuanto al material de construcción, el reactor puede estar construido en concreto armado con el uso de un revestimiento anticorrosivo. La forma rectangular presenta facilidades para la distribución del influente en el fondo del reactor y la modulación del sistema. Algunos reactores presentan varias unidades de sedimentación, dependiendo de su tamaño. Estos reactores se diseñan para tiempos de retención hidráulica entre 4 y 8 horas, con eficiencias de remoción de materia orgánica del 60 a 80% y una remoción de patógenos que oscila del 60-80 %. Las principales condiciones que deben tomarse en cuenta en estos reactores son: Una efectiva separación de biogás; el lodo anaeróbico debe presentar buena capacidad de sedimentación (granular); el desagüe debe ser introducido en la parte inferior del reactor. Control del proceso Existen ciertos parámetros que contiene el agua residual que pueden afectar el buen funcionamiento de este proceso, como son compuestos tóxicos, la concentración de la materia orgánica, la temperatura, el pH y los nutrientes. El proceso ocurre en un rango aceptable entre 15 y 25 0C y a un rango relativamente alto de 30-40 0C. Los países con clima tropical presentan una temperatura ambiente ideal para su aplicación. Si el agua residual carece de nutrientes como Nitrógeno (N) y Fósforo (P), el tratamiento puede llevarse a cabo si se le adiciona al sistema los nutrientes en las siguientes relaciones: DQO/N <70 y DQO/P <350. El pH óptimo para la digestión anaerobia es alrededor de 7. Un valor pH fuera del rango de 6.5 a 7.5 puede ocasionar la muerte para la mayoría de las bacterias metanogénicas. El efluente del RAFA puede contener materia orgánica soluble, patógenos, sólidos suspendidos, nitrógeno y fósforo. La eliminación de patógenos en este proceso no es eficiente, necesitándose aplicar sistemas de desinfección, ejemplos: cloración, radiación ultravioleta, ozonización, filtros de arena, lagunas de estabilización, etc. La producción de lodos en este tipo de reactores es mínima comparada con un proceso aeróbico, por lo que no se requiere una purga constante. La remoción de lodos se deberá realizar, cuando éstos ocupen un volumen mayor a un tercio de la capacidad del reactor. Evaluación del proceso El RAFA es uno de los procesos biológicos que para su buen funcionamiento requiere del pretratamiento (rejillas, desarenador) y de que este funcione adecuadamente, ya que de lo contrario, podría presentarse obstrucciones a la entrada del agua residual a tratar, lo que ocasionaría un mal funcionamiento en el reactor.

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El reactor anaerobio de flujo ascendente es un proceso que requiere de una operación y mantenimiento adecuado, de la medición y control de los parámetros que influyen en el proceso, debido a esto su buen funcionamiento requiere de un operador, al cual le podrá usted realizar sus preguntas. Para realizar la evaluación del reactor es necesario utilizar dos recipientes o vasos transparentes, en los cuales usted deberá observar la coloración y la turbidez tanto del influente (agua que entra al RAFA) como del efluente (agua que sale del RAFA). El efluente del reactor anaerobio debe estar libre de sólidos sedimentables y ligeramente turbio. El reactor debe estar generando biogás, el cual generalmente es quemado. Sí sus observaciones coinciden con lo antes dicho, el reactor esta funcionando bien. Un indicador de mal funcionamiento de un RAFA es la presencia de lodos y un aspecto muy turbio en su efluente. En cuanto a la evaluación de la operación y mantenimiento, las estructuras de entrada y salida deben estar libres de obstrucción, las tuberías deberán estar en perfecto estado (sin rupturas u oxidadas). Evalúe este parámetro de acuerdo al estado general de las estructuras; como bueno, malo ó regular. Por otra parte en cuanto a evaluar el control del proceso, el operador deberá tener registros de medición de pH, temperatura, caudal, alcalinidad y determinaciones de DQO, SST, DBO. Diagnóstico El observador deberá comparar sus resultados con los datos especificados en la descripción del proceso y dar su diagnóstico. ¿Cómo considera el estado general de la operación y mantenimiento del RAFA? Bien _______ Mal ________ Regular _______ ¿Cómo considera el funcionamiento del RAFA? Bien _______ Mal ________ Regular _______

•

Digestor anaerobio convencional

Este sistema se ha aplicado principalmente para la estabilización de lodos de desecho que provienen del proceso de lodos activados. Consiste en un tanque cerrado sin agitación y sin calentamiento, en donde el desecho a tratar se estratifica en zonas definidas. La parte en donde se lleva a cabo la totalidad de la actividad microbiana representa alrededor del 30% del volumen total del digestor que aunado a la lentitud de la cinética de degradación bajo estas condiciones, se obtienen volúmenes de reactor considerables (tiempos de retención mayores a 30 días).

•

Digestor anaerobio completamente mezclado

En este tipo de reactor, se emplea una agitación vigorosa del medio de reacción, acompañada con frecuencia de un calentamiento del reactor, lo que se traduce en mayores eficiencias en la remoción de materia orgánica. Su principal aplicación es el tratamiento de 84

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lodos de desecho de grandes plantas de lodos activados. Los tiempos de retención van de 12 a 20 días.

•

Reactor de o anaerobio

Consiste básicamente en un reactor completamente mezclado acoplado a un sedimentador que separa la biomasa para que sea recirculada al reactor. Con la recirculación, la cantidad de microorganismos en el reactor aumenta al igual que su tiempo de permanencia dentro del sistema, sin que el tiempo de retención hidráulica se incremente. Esto resulta en volúmenes de reactor más pequeños y en una mayor estabilidad del proceso. Los tiempos de retención hidráulica son del orden de 5 días y el tiempo de retención celular varía entre 15 y 30 días. Este sistema se ha aplicado en el tratamiento de aguas residuales de industrias de alimentos. Reactores de segunda generación En estos sistemas se logran menores tiempos de retención hidráulica de 0.5 a 3 días, lo que da como resultado volúmenes de reactores menores, y en una mayor estabilidad y facilidad en su operación. Esto se logra al retener la biomasa anaerobia dentro del reactor mediante la formación de una película de microorganismos fijos sobre soporte, o bien por medio de la sedimentación de flóculos microbianos con muy buenas características de decantación.

•

Filtro anaerobio

Young and McCarty (1696), recomendaron el filtro anaerobio para aplicarse, inicialmente en sustratos solubles y medianamente concentrados en materia orgánica. Contiene como material de empaque soportes plásticos o piedras de 3 a 5 cm de diámetro promedio. El área específica no debe ser mayor a 100 m2/m3. Este tipo de reactor puede itir cargas hasta de 10 kg DQO/m3 d.

•

Reactor tubular de película fija

Van der Berg y Lentz (1979), en EUA, desarrollaron el reactor tubular de flujo ascendente o descendente. El soporte utilizado, consiste en tubos o placas dispuestas de tal forma que se crean canales verticales. Las relaciones área/volumen deben ser mayores a 150 m2/m3 y las cargas aplicadas pueden llegar hasta 30 kg DQO/m3 d.

•

Reactor anaerobio de lecho de lodos de flujo ascendente (UASB)

Este tipo de reactor fue desarrollado en Holanda por Lettinga et al. (1980); este sistema no requiere de soporte para retener la biomasa, lo que implica un ahorro importante en costos. Su funcionamiento se basa en la buena sedimentabilidad y actividad de la biomasa producida dentro del reactor (en forma de gránulos) y el flujo ascendente. Las cargas orgánicas alimentadas a este reactor pueden llegar hasta 40 kg DQO/m3 d.

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Reactores de tercera generación Estos reactores se encuentran aún a nivel piloto o semi–industrial. Son también de película fija pero el soporte utilizado es lo suficientemente pequeño y ligero para que pueda pasar fluidificados con la recirculación del efluente. Los dos tipos de reactores, lecho expandido y el de lecho fluidificado, son semejantes entre sí, se diferencian en el grado de fluidificación de soporte (20% para el lecho expandido y superior al 50% para el lecho fluidificado). Su avance consiste en tiempos de retención inferiores a 12 horas. Sin embargo, estos sistemas requieren energía para la recirculación y la fluidificación del lecho; además, su operación y arranque son en extremo delicados. Las cargas aplicadas pueden sobrepasar los 40 kg DQO/m3 d.

1.4.1.4 Ventajas y desventajas de los procesos aerobios anaerobios Una de las ventajas del tratamiento anaerobio es la baja producción de lodos (células), a diferencia de los procesos aerobios que generan casi diez veces más lodo, con sus consecuentes problemas de tratamiento y disposición. Asimismo, la energía contenida en el metano, obtenido por vía anaerobia, puede ser utilizada como energía calorífica directamente o transformada a mecánica o eléctrica según las necesidades existentes en el sitio. Otro punto es que el proceso aerobio requiere un suministro de oxígeno, lo que representa un costo energético importante. Es así, que mientras el proceso anaerobio es un productor neto de energía, el proceso aerobio la consume. Esta tendencia, se acentúa en los casos en que los lodos de purga de la planta aerobia son digeridos aerobiamente, lo que implica un costo energético adicional. En cuanto a los lodos producidos en el proceso anaerobio, estos están suficientemente estabilizados como para poder ser evacuados directamente, sin un tratamiento previo. Por tanto, se puede considerar la vía anaerobia como altamente eficiente en la conservación de energía, mientras que en la aerobia integral (agua y lodos), el dispendio energético es considerable. Las cargas orgánicas que pueden recibir los reactores anaerobios fluctúan entre 10 y 20 kg DQO/m3 d, mientras que en los aerobios son alrededor de 10 veces menores. Esto significa que para un agua con una elevada DQO (superior a 5 g/l), el volumen del reactor anaerobio será menor en esa misma proporción que el del reactor aerobio en esa misma proporción. La tabla 1.15 presenta en forma resumida las ventajas y desventajas de los procesos aerobio y anaerobio. Tabla 1.15 Ventajas y desventajas de los procesos de tratamiento aerobio y anaerobio PROCESO Aerobio • •

VENTAJAS Alta eficiencia en la remoción de materia orgánica. Son procesos relativamente estables

• • • •

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DESVENTAJAS Requiere aireación. Produce 10 veces más lodo biológico. Inadecuado para tratar residuos líquidos con altos contenidos de materia orgánica. No soporta periodos largos sin alimentación.

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PROCESO Anaerobio • • • • •

VENTAJAS Menor producción de lodo biológico. Posibilidad de tratar desechos con alto contenido de materia orgánica. Utilización del metano para producir energía. Periodos prolongados sin alimentación. El lodo biológico en el rango termofílico.

• • • • • • •

DESVENTAJAS Lentitud en el arranque. Adaptación lenta a variaciones en la alimentación. Dificultad en su control. Productos reducidos en el efluente (requiere un postratamiento). Complejidad en el sistema de distribución. Dificultad en la construcción si son profundos. El agua resultante tiene una alta cantidad de amonio.

La aplicación de los procesos anaerobios en el tratamiento de las aguas residuales muy diluidas, como es el caso del agua residual doméstica, presenta comparativamente menos ventajas. En este sentido, los reactores anaerobios avanzados (de alta tasa) producen un efluente de menor calidad que el proveniente de un proceso aerobio bien operado. Es así que los efluentes tratados por vía anaerobia pueden requerir un postratamiento, ya que conservan aún cierto contenido de materia orgánica. Una de las desventajas de los procesos anaerobios con relación a los aerobios, es la necesidad de dar un postratamiento a los efluentes. La necesidad de realizar el postratamiento, estará determinada por las condiciones particulares de descarga que le hayan sido fijadas a la empresa. En la mayoría de los casos, el postratamiento será aerobio, por lo que resulta un proceso combinado altamente eficiente en la remoción de contaminantes, autosuficiente energéticamente y con costos de inversión, operación y mantenimiento sensiblemente menores que los de un proceso totalmente aerobio. Una estimación comparativa de los costos de inversión, de operación y de mantenimiento para tres tipos de sistemas: totalmente aerobio, anaerobio + aerobio y totalmente anaerobio, en función de la concentración de la materia orgánica en el influente, se presenta en las figuras 1.47, 1.48 y 1.49 (Eckenfelder et al. 1988). En ellas se reportan los valores relativos al tomar como la unidad (valor relativo de 1.0) el punto donde los costos de las opciones aerobia, anaerobia – aerobia son los mismos. Es necesario hacer notar que las estimaciones de costos, se relacionan con procesos que logran la misma calidad del agua tratada en el caso del aerobio y la unión anaerobia - aerobia; el proceso totalmente anaerobio alcanza una calidad de agua inferior a los anteriores. La figura 1.47 muestra que el costo de inversión relativo se incrementa prácticamente en forma lineal con la concentración en el influente, a diferencia de la opción anaerobia que es poco sensible a esta variable. En la figura 1.48 los costos relativos de operación y de mantenimiento se elevan rápidamente con la concentración para el caso del proceso aerobio, mientras que el anaerobio permanece prácticamente constante. En este sentido, es de esperarse que para concentraciones de materia orgánica mayores a la de la figura 1.48, el valor económico de la elevada producción de biogás pueda cubrir los costos de operación y mantenimiento, obteniéndose así un beneficio neto.

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3.5 Tratamiento aerobio

COSTO DE INVERSIÓN RELATIVO

3.0

Tratamiento anaerobio Tratamiento anaerobio-aerobio

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0 0.0

1000

2000

3000

4000

5000

4000

5000

Concentración de agua residual mg DBO5/L

Figura 1.47 Comparación de costos de inversión

COSTO RELATIVO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

3.5

3.0

Tratamiento aerobio Tratamiento anaerobio

2.5

Tratamiento anaerobio-aerobio

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0 0.0

1000

2000

3000

Concentración de agua residual mg DBO5/L

FUENTE: Eckenfelder et al. 1988

Figura 1.48 Comparación de costos de operación y mantenimiento

Finalmente, la figura 1.49, resume los costos totales expresados como valor presente neto relativo para los tres sistemas; lógicamente, se pueden observar las mismas tendencias. 88

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De la información anterior, se desprende que el proceso anaerobio o inclusive el anaerobio –aerobio, pueden generar ingresos netos mediante la recuperación del biogás producido, cuando el agua residual tiene una alta concentración en materia orgánica. Sin duda, este es el único proceso que puede, eventualmente, convertir el tratamiento de aguas residuales, no en una carga, sino en una fuente de ahorro para la industria.

COSTO TOTAL RELATIVO (VALOR PRESENTE NETO)

3.5

3.0

Tratamiento aerobio Tratamiento anaerobio

2.5

Tratamiento anaerobio-aerobio

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0 0.0

1000

2000

3000

4000

5000

Concentración de agua residual mg DBO5/L

FUENTE: Eckenfelder et al. 1988 Figura 1.49 Comparación de costos totales, como valor presente neto

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AUTOEVALUACIÓN DE L CAPÍTULO 1 Instrucciones: a continuación se presentan varias preguntas que pretenden reforzar los conocimientos adquiridos, por favor conteste de manera breve. 1. De los contaminantes que afectan la calidad del agua ¿mencione tres de ellos? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. Mencione cuatro de los fenómenos que se presentan cuando se descarga agua residual en un cuerpo de agua _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. Mencione seis de los parámetros que con más frecuencia se miden en los diferentes tipos de muestra según su procedencia. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. ¿En qué escala se mide la intensidad de acidez o alcalinidad de una muestra? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. ¿Cuál es el principal objetivo del tratamiento de agua residual? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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6. Mencione los cinco procesos físicos que se utilizan en el tratamiento de agua residual _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7. Los procesos químicos empleados en la remoción o tratamiento de contaminantes son: Coagulación, precipitación química, _____________________, ____________________ y desinfección. 8. ¿Con base en qué se hace la división de los procesos biológicos para el tratamiento de aguas residuales? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 9. De acuerdo con el propósito del tratamiento de las aguas residuales, ¿las lagunas de estabilización se clasifican en? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 10. ¿Qué características tiene el proceso anaerobio? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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2

INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS AUTOR: Gabriela Moeller Chávez

Objetivo particular: El participante conocerá, de manera breve, los antecedentes históricos sobre el proceso de lodos activados.

El marco general de los procesos de tratamiento de aguas residuales es muy amplio; existen diversas clasificaciones, sin embargo, la más común es la que divide el tratamiento de las aguas residuales en:

• • • •

Pretratamiento Tratamiento Primario Tratamiento Secundario Tratamiento Terciario o Avanzado

El desglose de esta clasificación es muy amplio, pues solamente en tratamiento secundario hay una gran variedad de procesos, como:

• • • • •

Lodos Activados y sus variantes Filtros Rociadores Biodiscos Sistemas Lagunares Sistemas Anaerobios

La descripción de las alternativas de tratamiento, y de análisis detallado de esta clasificación quedan fuera del alcance del curso-taller, siendo motivo de otros cursos. Como se observó, el proceso de Iodos activados es un proceso biológico de tratamiento ubicado en lo que se conoce como Tratamiento Secundario; las unidades anteriores y posteriores a lo que es básicamente el proceso de Iodos activados no serán vistas en este curso (pretratamiento, tratamiento primario, desinfección, tratamiento de Iodos, tratamiento avanzado). La figura 2.1 es un diagrama de flujo de una planta de tratamiento de aguas residuales completa, mediante Iodos activados. La figura 2.2 es solamente el proceso de lodos activados.

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Figura 2.1 Planta de tratamiento de lodos activados

Figura 2.2 Proceso de lodos activados

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2.1 Historia del proceso de lodos activados El proceso de Iodos activados como tratamiento de aguas residuales fue desarrollado inicialmente en Manchester, Inglaterra, por Fowler, Ardern, Munford y Lockett, en 1914. Ya para 1920 varias instalaciones iniciaban su operación en Estados Unidos de Norteamérica, sin embargo el uso extensivo de este sistema se dio hasta 1940. Los primeros investigadores notaron que la cantidad de materia biodegradable que entraba al sistema afectaba la tasa del metabolismo. Los diseños en esa época fueron totalmente empíricos y el tiempo de retención del tanque de aeración fue uno de los primeros parámetros de diseño. Generalmente se seleccionaban cortos tiempos de retención para cargas orgánicas bajas y altos tiempos de retención para cargas orgánicas altas. Posteriormente surgieron criterios relacionados con la carga orgánica microorganismos del sistema, llegando a la relación conocida como F/M.

y

los

Hace 40 años se desarrollaron las ecuaciones derivadas de los conceptos de crecimiento cinético y los balances de masas; en años recientes se han diseñado modelos sofisticados por computadora. La solución de ecuaciones de diseño y los modelos computarizados requieren el conocimiento de la cinética y metabolismo microbianos. A pesar de ser uno de los procesos biológicos de tratamiento de mayor costo de inversión en operación y mantenimiento, los Iodos activados no pierden adeptos, ya que es un proceso altamente estable y sus eficiencias de remoción son de las mayores comparadas con otros procesos. Las modificaciones al proceso convencional son muy atractivas por su flexibilidad sobre todo en la aceptación de cargas orgánicas variables, en especial para tratamiento de aguas residuales municipales.

2.2 Lodos activados en México El sistema de Iodos activados en México se inició en los años cincuenta; las plantas de tratamiento de aguas residuales de esa época eran concebidas para el reúso de las aguas tratadas para riego de áreas verdes, llenado de lagos y enfriamiento en la industria. Así fue como se construyeron las primeras plantas de este tipo en Monterrey, N.L., y en la Cd. de México. El proceso de Iodos activados como tratamiento de aguas residuales en México es muy antiguo y sigue vigente; según cifras de la Comisión Nacional del Agua el 20 % de las plantas del país son de Iodos activados, Tabla 2.1 y figura 2.3.

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Tabla 2.1 Plantas de tratamiento de aguas residuales municipales por región istrativa No. Total de No. de plantas Capacidad Caudal tratado plantas en operación instalada (L/s) (L/s) I Península de Baja California 29 28 5434 4651.7 II Noroeste 84 70 3841.8 2568.6 III Pacífico Norte 102 94 6178.7 4426.7 IV Balsas 106 73 4858 2398.1 V Pacífico Sur 49 39 3210.5 1886.7 VI Río Bravo 119 107 20994.7 15237.6 VII Cuencas Centrales del Norte 36 31 1307.9 474.8 VIII Lerma-Santiago-Pacífico 329 289 16063.9 10374.3 IX Golfo Norte 60 40 1116 653.2 X Golfo Centro 75 59 3873.2 788.9 XI Frontera Sur 48 21 1928.6 474.7 XII Península de Yucatán 40 37 1858.5 1204.3 XIII Valle de México 55 50 9956.4 5670.2 Total 1132 938 80622.2 50809.8 FUENTE: Estadísticas de agua en México, SEMARNAT, CNA, edición 2003 Región istrativa

Filtros biológicos, 3%

Otros, 20% Lagunas de estabilización, 47%

Tanque séptico, 5%

Tanques Imhoff, 5% Proceso de lodos activados, 20%

FUENTE: Estadísticas de agua en México, SEMARNAT, CNA, edición 2003 Figura 2.3 Principales procesos de tratamiento de aguas residuales

Tabla 2.2 Plantas de tratamiento de aguas residuales municipales por entidad federativa (diciembre de 2001) Entidad Federativa Aguascalientes Baja California Baja California Sur Campeche Coahuila Colima Chiapas Chihuahua Distrito Federal Durango Guanajuato Guerrero Hidalgo 96

No. Total de plantas 90 13 16 13 15 33 16 53 21 67 20 24 10

No. de plantas en operación 83 13 15 12 6 29 5 51 21 63 16 23 10

Capacidad instalada (L/s) 2724.8 4432 1002 135 1563.5 545 797.6 5124 6278 3311.9 3978 2836 87.4

Caudal tratado (L/s) 2219.1 3893.2 758.5 40.5 1022 436.5 110.7 3760.6 3208 1918.2 1666 1636.7 57.9

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No. Total de No. de plantas Capacidad Caudal tratado plantas en operación instalada (L/s) (L/s) Jalisco 87 74 2855.4 2259.5 México 45 41 6599.8 4245.6 Michoacán 18 9 1911 524 Morelos 30 18 1628.9 1057.5 Nayarit 56 49 1787.4 1111.6 Nuevo León 53 53 12187 8472.3 Oaxaca 34 25 594.5 366 Puebla 25 21 1009.2 556.9 Querétaro 47 42 912 660.9 Quintana Roo 17 15 1579 1024.3 San Luis Potosí 12 3 926 280 Sinaloa 43 42 2885.9 2586.9 Sonora 76 62 3786.8 2519.2 Tabasco 32 16 1131 364 Tamaulipas 22 15 2671 2365.2 Tlaxcala 45 29 1019.8 585.3 Veracruz 77 57 3997 812.7 Yucatán 10 10 144.5 139.5 Zacatecas 12 10 180.8 150.6 Total 1132 938 80622.2 50809.9 FUENTE: Estadísticas de agua en México, SEMARNAT, CNA, edición 2003 Entidad Federativa

La alta eficiencia del proceso, así como la posibilidad de ampliar la planta de Iodos activados ya sea para la remoción de nutrientes o para remover mayor cantidad de sólidos mediante tratamiento avanzado, hacen de este proceso un atractivo para descargas que requieren bajas concentraciones de nutrientes o para reúso. La capacitación de personal involucrado con plantas de tratamiento a base de Iodos activados es una necesidad en el país; muchas de las plantas existentes requieren un mejor control del proceso, y programas de mantenimiento funcionales y adecuados. En las tablas 2.3 y 2.4 se incluye el inventario de plantas de tratamiento de aguas residuales industriales por región istrativa y por entidad federativa. Tabla 2.3 Plantas de tratamiento de aguas residuales industriales por región istrativa (diciembre de 2001) Región istrativa I Península de Baja California II Noroeste III Pacífico Norte IV Balsas V Pacífico Sur VI Río Bravo VII Cuencas Centrales del Norte VIII Lerma-Santiago-Pacífico IX Golfo Norte X Golfo Centro

No. Total de plantas 191 19 25 226 16 100 86 338 65 182

No. de plantas en operación 164 19 20 106 15 98 85 333 64 178

Capacidad instalada (L/s) 1189.8 303.6 550.1 2991.2 293.8 4874.5 1472.9 3135.5 2135.5 21971.4

Caudal tratado (L/s) 1102.1 103.4 400.2 2058 225.1 3419.3 1029.9 2159.9 1445.6 11180.5 97

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No. Total de No. de plantas Capacidad Caudal tratado plantas en operación instalada (L/s) (L/s) XI Frontera Sur 79 77 1116.6 1070.5 XII Península de Yucatán 116 104 200.5 103.4 XIII Valle de México 42 42 1665.5 1054.8 Total 1485 1305 41900.9 25352.7 FUENTE: Estadísticas de agua en México, SEMARNAT, CNA, edición 2003 Región istrativa

Tabla 2.4 Plantas de tratamiento de aguas residuales industriales por entidad federativa (diciembre de 2001) No. Total de No. de plantas Capacidad Caudal tratado plantas en operación instalada (L/s) (L/s) Aguascalientes 24 22 197.7 69.9 Baja California 181 155 1000.1 912.4 Baja California Sur 10 9 189.7 189.7 Campeche 46 44 66.2 17.9 Coahuila 53 51 1027 794.4 Colima 10 10 467 314.5 Chiapas 13 11 687.1 687.1 Chihuahua 22 21 663.3 287.2 Distrito Federal 1 1 23.1 23.2 Durango 18 18 451.6 281.3 Guanajuato 56 56 535.2 235.2 Guerrero 8 7 47.1 37.4 Hidalgo 43 43 1622.9 1000.2 Jalisco 54 54 371.1 371.1 México 110 108 446.4 379.5 Michoacán 35 33 2178.5 1239 Morelos 67 56 850.6 746.8 Nayarit 4 4 162.9 162.9 Nuevo León 21 21 3254.7 2383.5 Oaxaca 13 13 1094.6 585.8 Puebla 106 96 601.3 410.4 Querétaro 90 90 1323.7 513.6 Quintana Roo 2 2 10.5 5 San Luis Potosí 58 57 854.9 711.5 Sinaloa 20 15 341.4 310.6 Sonora 18 18 303.1 102.8 Tabasco 66 66 429.5 383.4 Tamaulipas 39 39 1152.2 1044.8 Tlaxcala 70 70 275.9 275.9 Veracruz 151 149 20990 10748.6 Yucatán 68 58 123.8 80.5 Zacatecas 8 8 157.8 46.6 Total 1485 1405 41900.9 25352.7 FUENTE: Estadísticas de agua en México, SEMARNAT, CNA, edición 2003 Entidad Federativa

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AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 2 Instrucciones: a continuación se presentan varias preguntas que pretenden reforzar los conocimientos adquiridos, por favor conteste de manera breve. 1. ¿Cómo pueden clasificarse los sistemas de tratamiento para aguas residuales? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. Describe tres procesos biológicos de tratamiento. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. ¿Por qué a pesar de que el proceso de lodos activados es caro se sigue utilizando con mucha frecuencia? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. De acuerdo a las estadísticas sobre plantas de tratamiento de aguas residuales en nuestro país, ¿cuáles son los dos procesos más utilizados? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. ¿En qué porcentaje está el proceso de lodos activados? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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MICROORGANISMOS Y FACTORES AMBIENTALES AUTOR:

Gabriela Moeller Chávez Ana Cecilia Tomasini Ortiz

Objetivos particulares: Al término del tema, el participante: • Conocerá los diferentes tipos de microorganismos existentes en los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales. • Comprenderá la dinámica de la población microbiana en un reactor de lodos activados. • Aplicará los conocimientos adquiridos en la observación de diferentes microorganismos.

Con excepción de ciertos desechos industriales y de servicios, las aguas residuales son un medio de cultivo ideal para el crecimiento de un gran número de microorganismos, los cuales juegan un papel importante en todas las etapas del tratamiento biológico de las aguas residuales. Ningún organismo simple es capaz de utilizar la amplia variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos encontrados en las aguas residuales; consecuentemente, se desarrollará un ecosistema que se alimenta directamente con el agua residual que entra al proceso, y con la predación de organismos que se reproducen en el sistema. La composición exacta de esta comunidad depende del resultado de la competencia por el alimento, limitado o variado. Por la influencia de factores ambientales, tales como el pH y la temperatura. El propósito del diseño y operación de una planta de tratamiento de aguas residuales por Iodos activados es crear condiciones favorables, de tal manera que los microorganismos proliferen y efectúen el proceso de tratamiento. Los organismos vivos fueron clasificados originalmente en dos reinos: plantas y animales; esta clasificación tan simple no podía sostenerse. Los microorganismos incluyen ciertos grupos que tienen propiedades como las plantas (algas) y algunos como los animales (protozoarios) y algunos más con otras características (hongos). De esta manera, se reconoció otro reino, el Protista, el cual no cae naturalmente en ninguno de los reinos mencionados; este es el de mayor interés para la ingeniería sanitaria, ya que contiene a las bacterias, protozoarios y algas que son los microorganismos más importantes involucrados en el tratamiento de las aguas residuales. La clasificación de Whittaker, divide a los seres vivos en cinco reinos: Monera, Protista, Hongos, Vegetales y Animales; se basa en la complejidad celular y la forma de nutrición. En este capitulo interesa la célula bacteriana, ésta contiene sólo citoplasma, limitado por una membrana semipermeable llamada citoplasma, cubierto por una pared celular porosa (Figura 3.1). 101

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El citoplasma contiene el material nuclear. Además no existen membranas internas que aislen estructuras organizadas. Los organismos que poseen estas características son conocidos como procarióticos.

3.1 Tipos de microorganismos Virus Los virus no intervienen en los procesos de tratamiento, su importancia es solamente sanitaria.

Figura 3.1 Una típica célula bacteriana

Los Enterovirus son encontrados comúnmente en los influentes y efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales. Dentro de los virus que causan enfermedades y pueden ser transmitidos por el agua están los siguientes: El Poliovirus es asociado con la poliomielitis y afecta el sistema nervioso central; es uno de los virus más estables y puede ser capaz de causar enfermedad por relativamente largos periodos en agua y alimento contaminados. La principal forma de transmisión es la ingestión de agua contaminada; las moscas son mecanismos vectores de esta enfermedad. La vacuna contra este virus ha reducido la incidencia de la poliomielitis y el repone de casos ha disminuido. Las epidemias ocurren solo en sectores de población donde no se ha aplicado la inmunización. El virus causante del resfriado común, meningitis aséptica y conjuntivitis es el Coxsackie A, mientras que el Coxsackie B provoca diferentes enfermedades, incluyendo algunas del corazón. El principal modo de transmisión es la inhalación e ingestión de fuentes contaminadas. El adenovirus se asocia con enfermedades del tracto respiratorio y conjuntivitis. Los virus de este tipo que han podido ser aislados de las aguas residuales y Iodos, son causantes de fiebre relacionada con enfermedades de la faringe y ojos (conjuntivitis). Los adenovirus entéricos causan diarrea aguda y son asociados a excresiones fecales de infantes con gastroenteritis viral. El causante común de gastroenteritis aguda viral, en todos los grupos de edades, normalmente es el Rotavirus. Las epidemias de estas enfermedades han sido asociadas con fuentes de agua contaminada: En agua cruda y en los efluentes de agua clorada de plantas de tratamiento de Iodos activados se han encontrado altas concentraciones de este virus. El agente causal de la hepatitis infecciosa es el virus de Hepatitis A; enfermedad sistémica que afecta al hígado; se transmite en forma oral a través de aguas residuales contaminadas y posee la habilidad de sobrevivir a bajos niveles de cloro residual. Las 102

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epidemias han surgido de abastecimientos municipales contaminados. El personal de plantas de tratamiento de aguas residuales tiene una incidencia alta de exposición a este virus debido a su o diario con aguas residuales.

Bacterias Las bacterias son el mayor componente de la comunidad microbiana en todos los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales. Normalmente se encuentran valores de 106 bacterias/ml o mayores en aguas crudas. Debido a su gran número y tamaño pequeño, se han desarrollado técnicas especializadas que permiten estudiar estos organismos en su habitat natural, para inferir información que pueda ser utilizada por los ingenieros involucrados en el diseño y operación de plantas. Debido al tamaño de las bacterias, entre 0.2 y 1.5 µm, su identificación es imposible por medios visuales simples. Utilizando un microscopio de alta resolución es factible observar sus diferentes formas y tamaños, así como utilizar técnicas específicas para la observación de sus finos apéndices y algunos organelos internos. Este hecho facilita reconocer la morfología de las bacterias, siendo un paso importante en la identificación bacteriana.

Morfología bacteriana Las bacterias se limitan a cuatro formas básicas: de esfera, bastón recto, bastón curvo, espiral y algunas formas filamentosas.

•

Las bacterias esféricas son conocidas como cocos y sus diámetros son de 0.2 a 4 µm. Los cocos pueden ser agrupados de acuerdo con su arreglo espacial, el cual se determina por sumado de división. El coco se divide por fisión; cuando la bacteria se incrementa en tamaño, se contrae y finalmente se parte en dos. Si un organismo no se parte en dos después de la fisión y permanece como un par, se conoce como diplococo. Si se continúa dividiendo a lo largo del mismo plano sin separarse formando una cadena toma el nombre de estreptococo; un indicador bacterial estreptococo fecal es de este tipo. Finalmente, si la división toma lugar en tres dimensiones, formando un cubo de ocho cocos se le conoce como sarcina.

•

Los bastones rectos representan la morfología más común de las bacterias tanto en el ambiente natural como en las aguas residuales de plantas de tratamiento. Esto incluye muchas de las bacterias encontradas comúnmente, tales como las Pseudomonas, Zooglea, Escherichia y Salmonella.

•

Los bastones curvos forman una simple curva parecida a la letra C; son conocidos como Vibriones; en este grupo se incluyen la bacteria causante del cólera, el Vibrio cholera y un organismo capaz de reducir sulfatos a sulfuros, conocido como Desulfovibrio.

•

De tornillo o espiral conocidas como Spirillum. Estas bacterias se observan casi exclusivamente en muestras de agua y rutinariamente en muestras tomadas de digestores anaerobios.

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Para hacer que las bacterias sean visibles bajo la luz del microscopio, se emplea una variedad de técnicas de teñido para colorear la bacteria por entero la estructura interna o la externa. Una de estas técnicas fue desarrollada por Christian Gram en 1884. Después de teñir una población mezclada de bacterias y examinarlas bajo el microscopio, las bacterias que aparecen moradas se llaman Gram positivos y las que aparecen rojas Gram negativos. Un flagelo es una estructura en forma de látigo que sirve de medio de locomoción o movilidad a las bacterias. La presencia o ausencia de flagelo, el número y la distribución espacial alrededor de la bacteria son características de la especie. La mayoría de las bacterias flageladas son de forma de bastón; se distinguen tres formas de flagelo, un simple, situado en uno o en ambos extremos de la bacteria, un copete de flagelos en uno o en ambos extremos y un gran número de ellos alrededor de toda la bacteria. Además del flagelo, muchas bacterias Gram negativos tienen una fina cubierta de pelos conos que pueden observarse en el microscopio electrónico. Estos pelos, menores de 1 µm de largo y 0.01 µm de diámetro, son conocidos como fibrinas o pili. Este pelo confiere a la bacteria la habilidad de adherirse una con otra, siendo muy importante para la formación de lodo activado floculante. Algunas bacterias están rodeadas de una cubierta denominada material extracelular o cápsula, predominantemente compuesta por polisacáridos. La presencia de bacterias con esta característica es importante en el proceso de Iodos activados; este material polisacárido se involucra en el mecanismo de floculación del proceso. El polisacárido actúa como una red que envuelve a otros microorganismos. Este tipo de bacterias tienen ventajas de sobrevivencia, como es la resistencia a la desecación y al ataque de bacteriófagos. También en periodos de depredación, son capaces de degradar su propio material. Tales ventajas son utilizadas en los sistemas de tratamiento de aguas, donde las condiciones de depredación de nutrientes son comunes por ejemplo, en el sedimentador secundario del proceso de Iodos activados. Las bacterias poseen algunas estructuras intracelulares, que sirven de indicador de su estado nutricional, dando información de la composición del influente a la planta o de condiciones de operación de la misma. La estructura intracelular comúnmente encontrada en bacterias de aguas residuales está compuesta de material de reserva. Como resultado de cambios en las condiciones ambientales, tales como depredación de nutrientes (carbono, nitrógeno y fósforo principalmente) o desecación, muchas bacterias son capaces de iniciar cambios fisiológicos y morfológicos formando estructuras en estado latente. Una de estas estructuras es conocida como espora y es una adaptación para sobrevivir por tiempos prolongados bajo condiciones adversas como calor, congelamiento, tóxicos químicos y radiaciones. Las esporas se forman en el centro o en un extremo de la bacteria y son altamente refráctiles, generalmente tiñen con dificultad, por lo que requieren tintes poderosos. La célula madre donde se origina la espora, conocida como esporangio, desaparece una vez que se forma la espora; las preparaciones de teñido muestran diferentes etapas del proceso de esporulación. 104

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Otra estructura latente similar a la espora es el quiste; la diferencia radica en que la bacteria se envuelve a sí misma con una capa protectora.

Protozoarios Los protozoarios son organismos eucarióticos, con amplia variedad en forma y modo de vida. Generalmente son unicelulares, móviles y se clasifican de acuerdo con su morfología, particularmente por su modo de locomoción. Muchos protozoarios requieren de un huésped para poder vivir y completar su ciclo de vida. No todos los protozoarios se asocian con procesos de tratamiento de aguas residuales. Debido a su gran tamaño, los protozoarios se identifican fácilmente por observación en un microscopio con luz. Se definen tres grupos importantes en lo que se refiere a procesos de tratamiento de aguas residuales.

• • •

Flagelados Sarcodina Ciliados

Protozoarios flagelados Poseen uno o más flagelos, que son utilizados para locomoción y alimentación.

Sarcodina Posee seudópodos que utiliza para moverse y para alimentarse por medio de flujo protoplasmático. Tienen una gran diversidad: algunas carecen de estructura esquelética (amibas), mientras que otras han desarrollado conchas formadas con materiales de proteínas, sílice y carbonato de calcio.

Ciliados Son los mayores en términos de número de especies con más de 7000. Por esto dan gran diversidad a los Iodos activados. Se caracterizan por Ios cilios que aparecen sobre la superficie de la célula que les sirven de locomoción. Además, los cilios se distribuyen el alimento alrededor de lo equivalente a una boca llamada citosoma. De este modo se autoayudan formando corrientes con los flagelos para introducir el alimento por el citosoma. Se dividen en cuatro grandes grupos:

• • • •

Ciliados libres (ciliados uniformes de nado libre) Ciliados reptantes (cuerpo aplanado, cilios locomotores) Ciliados fijos (ciliados fijos en forma de campana) Suctoria (ciliados a temprana edad)

Los primeros se refieren a protozoarios de nado libre, los cuales poseen cilios uniformes en sus cuerpos (paramecium).

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Los segundos tienen un cuerpo aplanado con cilios locomotores encontrados por debajo del cuerpo; el cilio también les sirve para alimentarse, provocando corrientes hacia el citosoma. El tercer grupo se reconoce inmediatamente por su cuerpo en forma de campana invertida que está montado en un tallo. El otro extremo del tallo se fija a un material particulado, tal como un flóculo de Iodos, y sirve para anclar al protozoario. En ciertas especies este tallo es contráctil. El amplio final de la campana sirve como una apertura oral donde se tienen cilios que ayudan a atrapar alimento. Los ejemplos típicos de este grupo son el Vorticella y el Opercularia, ampliamente conocidos en el proceso de Iodos activados. Finalmente el cuarto grupo se refiere a protozoarios que solo son ciliados a temprana edad donde los cilios sirven para dispersarse de sus congéneres. Poco después se pierden los cilios y se desarrollan un tallo y tentáculos para alimentarse. El tallo no es contráctil y atrapa materia particulada, mientras que los tentáculos son capaces de capturar el alimento, desmenuzándolo y succionándolo para formar vacuolas. Las figuras 3.2 a 3.6 muestran protozoarios y la figura 3.7 una forma de alimentación de los protozoarios.

Figura 3.2 Principales formas de protozoarios en procesos de tratamiento de aguas residuales

Figuras 3.3 Ciliados comunes en procesos aerobios de tratamiento

Figuras 3.4 Ciliados “peritrichia” en procesos aerobios de tratamiento

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Figuras 3.5 Microfotografías de ciliados (Vorticella y Suctoria)

Figura 3.6 Microfotografía de ciliados fijos

Figura 3.7 Alimentación de protozoarios (Fagocitosis)

Rotíferos Realizan importantes funciones benéficas en la estabilización de desechos orgánicos. Estimulan la actividad y descomposición de la microflora ayudan a la penetración de oxígeno y a la recirculación de nutrientes minerales. Son diferentes a los protozoarios; se encuentran, pocas veces en gran número en procesos de tratamiento de agua. Solamente en sistemas de aeración extendida son la forma animal predominante. Los rotíferos usan mayores cantidades de flóculos de Iodos activados que los protozoarios y pueden sobrevivir aun después de que las bacterias de nado libre han sido depredadas por los protozoarios. Se encuentran en todos los habitats acuáticos y son la forma más simple y más pequeña de los macro invertebrados. Son un pequeño grupo de organismos con cerca de 2000 especies identificadas. La vibración de sus cilios semejan ruedas que giran, de ahí su nombre, rotíferos. Se dividen en dos clases; los que poseen una gónoda son monogónodos, y los que tienen dos, los digónodos (figura 3.8); su tamaño varía de 40 a 500 µm; su vida promedio es de 6 a 45 días. La mayor parte de los rotíferos son incoloros aunque cuando ingieren alimento dan la impresión de tener color. Poseen tres distintas regiones del cuerpo: la cabeza, el tronco y los pies. 107

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Algunos rotíferos se alimentan de bacterias, detritus y protozoarios; otros de fitoplancton o algas. Las variaciones en concentración y características del agua cruda se reflejan en el número y tipo de rotíferos en el proceso de tratamiento de aguas residuales. La mayoría de los digónodos nadan por la acción de las corrientes creadas por los cilios; los más antiguos se desplazan lentamente, esto es observado frecuentemente en sistemas de Iodos activados. En este proceso, consumen grandes cantidades de bacterias, ayudando a esta población a mantenerse saludable y activa. Además, ayudan a disminuir la turbidez del efluente al alimentarse de bacterias que no forman flóculos.

Figura 3.8 Rotíferos típicos Monogónada y Digónada

Los rotíferos ayudan a la formación de flóculos, mediante su forma de alimentarse, pues dejan huecos por donde puede existir mejor transferencia de oxígeno; además en procesos aerobios, el gran consumo de bacterias y sólidos ayuda a disminuir la DBO. También viven en las paredes de los tanques de aeración, evitando el excesivo crecimiento de la película biológica que se forma en las paredes. Una planta de Iodos activados bien operada normalmente tiene predominio de uno de los tipos de rotíferos. Cada modificación al proceso también tendrá su propio grupo de rotíferos, así el operador posee un medio rápido de saber si la operación es correcta; esto se logra mediante la práctica en la observación microscópica. Los rotíferos son estrictamente aerobios y se encuentran normalmente en ambientes con poca contaminación y con al menos 2 mg/l de oxígeno; algunos rotíferos como el género Brachionus puede encontrarse solamente en ambientes de agua limpia; otros toleran ambientes semi/limpios y pocos toleran alta contaminación. La figura 3.9 muestra algunos rotíferos.

Playtias spp

Brachionus spp

Euchlanis spp

Figura 3.9 Rotíferos comunes en tratamiento de aguas residuales

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Lepadella spp

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Monostyla spp

Playtias spp

Epiphanes spp

Keratella spp

Figura 3.9 Rotíferos comunes en tratamiento de aguas residuales

Nemátodos Los nemátodos de vida libre son macroinvertebrados terrestres (animales sin columna vertebral ni huesos), son capaces de vivir en habitats de agua limpia. Debido a que los suelos están infestados con nemátodos, estos macroinvertebrados pueden introducirse fácilmente a las plantas de tratamiento de aguas residuales y estar presentes en procesos aerobios en gran número y con alta diversidad. Incluyen una gran variedad de gusanos; son microscópicos y su tamaño varía de 0.5 a 3.00 mm de longitud, por 0.02 a 0.05 mm de ancho. La mayoría de las especies son similares en apariencia. Los nemátodos son gusanos no segmentados, aunque aparentemente poseen segmentos debido al espesor de la cutícula de la epidermis. Tienen cuerpo cilíndrico que se adelgaza en los extremos; la boca y labios se localizan en el extremo anterior y poseen esófago y tracto digestivo, así como sistemas muscular, nervioso y reproductivo. La presencia de nemátodos en aguas o aguas residuales se origina en las corrientes superficiales que llegan a los cuerpos de agua y alcantarillados. Viven en ambientes aerobios donde existe abundancia de alimento. Su dieta se integra de algas, plantas acuáticas, bacterias, materia orgánica en descomposición, protozoarios, rotíferos y otros nemátodos. La boca es, capaz de morder, triturar, rasgar y despedazar las partículas de alimento. Los nemátodos encontrados en plantas de tratamiento de aguas residuales se clasifican en dos grandes familias: Diplogasteroidea y Rhabditoidea; las diferencias físicas que se pueden observar en la figura 3.10 son: básicamente la forma de la boca, esófago y labios, así como los extremos (grueso o delgado).

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Rhabdiasoidea. Rhabdias. A-E. Rhabdias bufonia (after Metchnikoff. 1865). A. Parasitic female. B. Rhabdiform young. C. Filariform young. D. Free-living female. E. Free-living male. F. Écheme of the anterior end (after Chu. 1936). (A should be twice as large relative to the others) 1. buccal capsule; 2.pharyns; 3. nerve ring; 4. end bulb; 5. renette cell; 6. intestine; 7. ovary; 8. uterus; 9. vulva; 10. anus; 11. anal glands; 12. primordium of reproductive system; 13. excretory duet; 14. embryos in uteri; 15. testis; 16. sperm duet; 17. spicules; 18. genital papillae; gubernaculums; 20 mouth; 21. lips; 22. amphids; 23. external circlet of papillae.

Figura 3.10 Estructura de nemátodos y diferencia entre las dos familias principales de nemátodos

La identificación de nemátodos se basa en reconocer sus características anatómicas, como la forma de la boca, labios, cutícula y extremos; la identificación se hace por medio de comparaciones con ilustraciones en libros especializados. Los efluentes de las plantas muestran una gran cantidad de nemátodos, particularmente los de proceso de Iodos activados debido a su movilidad y resistencia a la cloración; generalmente el número de nemátodos encontrado en Iodos activados es mucho menor comparado con el de filtros rociadores. Los nemátodos encontrados en Iodos activados, generalmente están adheridos al flóculo; su número es pequeño, el ambiente turbulento del proceso de Iodos activados no da facilidades para la reproducción sexual; también el ciclo de vida de la mayoría de los nemátodos de vida libre es mayor que la edad de Iodos de casi todos los procesos de Iodos activados; esto impide en muchos casos que las hembras desoven para que los huevecillos puedan ser recirculados. Los factores que afectan la población de nemátodos incluyen: concentración de oxígeno disuelto, temperatura, concentración de DBO, hongos, etc. La figura 3.11 muestra la similitud de huevos de helmintos.

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Ascaris lumbricoides fertile

Ascaris lumbricoides infertile

Dibothriocephalus latus

Enterobius vermicularis

Fasciola hepatica

Heterophyes heterophyes

Hymenolepis diminuta

Hymenolepis nana

Metagonimus yokogawai

Necator americanus

Opisthorchis sinensis

Paragominus westermani

Schistosoma haematobium

Schistosoma japonicum

Schistosoma mansoni

Taenia sp

Trichuris trichura Figura 3.11 Huevecillos de helmintos

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Hongos Tienen poca importancia en los procesos de tratamiento de aguas residuales por Iodos activados, sin embargo son causantes de enfermedades, por lo que su interés es sanitario. La mayor parte de los hongos aislados de las aguas residuales son asociados con enfermedades de personas con baja resistencia a las infecciones. Poco menos de 50 especies de todos los hongos son capaces de causar enfermedades al hombre. La mayor parte de los hongos patógenos afectan solamente la piel, pelo y uñas (superficialmente); algunos pueden infectar cualquier parte del cuerpo (micosis sistémica). La aspergilosis la causa el Aspergillus fumigatus; afecta al oído, conductos nasales, pulmones y piel; la infección puede clínicamente referirse como tuberculosis. El composteo de Iodos es la mayor fuente de infección potencial para el personal de aguas residuales. La Candida albicans, una levadura, produce infecciones pulmonares, bronquitis, vaginitis, uretritis e infecciones superficiales de la piel y uñas. También, involucra las infecciones de membranas mucosas de la boca. La adecuada higiene personal reduce el riesgo de adquirir este patógeno.

3.2 Dinámica de la población El contenido de un reactor de Iodos activados se integra de una masa o flóculos aereados, rodeada del agua residual influente o licor mezclado. Los flóculos de Iodos activados están formados por microorganismos, materia coloidal orgánica e inorgánica, y partículas mayores, que se mantienen juntas en una masa orgánica compleja. Un gran número de protozoarios se fija al flóculo con sus tallos; los ciliados libres y flagelados se encuentran en el licor mezclado o en la masa orgánica. Algunos hongos son observados ocasionalmente y son de poca importancia en el proceso de tratamiento. Los bacteriófagos se identifican en grandes cantidades (tan altas como 2 x 104 mI -1) Y comúnmente su único papel es la remoción de bacterias, incluyendo un gran número de especies patógenas. La población microbiana en un reactor de Iodos activados es altamente especializada con baja diversidad de especies, de los cuales las bacterias dominantes son bacilos Gramnegativo. Todas ellas son organismos heterótrofos con la excepción de las bacterias autótrofas del nitrógeno. Los organismos heterótrofos son aquellos que requieren para su crecimiento un aporte continuo de compuestos orgánicos para la mayoría de las reacciones biosintéticas. Por otro lado, los autótrofos son capaces de obtener el carbono que requieren para las reacciones biosintéticas a partir de dióxido de carbono. El objetivo principal de una planta de Iodos activados de operación convencional es la remoción de DBO; esto lo realizan, casi exclusivamente las bacterias heterótrofas, sin embargo, muchos protozoarios son, capaces de alimentarse saprófitamente. Las comunidades de población protozoaria reducida muestran remoción baja de DBO. Tabla 3.1. 112

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Tabla 3.1 Eficiencias de tratamiento con o sin ciliados (protozoarios) PARÁMETRO ANALIZADO DBO5/ mg/l DQO mg/l NITRÓGENO ORGÁNICO mg/l SS mg/l CUENTA DE BACTERIAS VIABLES 106/ml

SIN CILIADOS 53 – 70 198 – 250 14 – 21 86 – 118

CON CILIADOS 7 – 24 124 – 142 7 – 10 26 – 34

106 – 160

1–9

Las bacterias heterótrofas y los protozoarios saprófitos forman el nivel trófico inferior de la cadena alimenticia; y son fuente de alimento, de otros protozoarios y rotíferos. El papel más importante de los protozoarios es que actúan como agente limpiador al alimentarse de bacterias de nado libre. Esta acción da como resultado un efluente con baja DBO y sólidos suspendidos; también ayudan a remover patógenos. Como el diámetro del flóculo biológico varía de 50 a 500 µm, existe un gradiente de concentración de DBO y de oxígeno del exterior del flóculo donde serán mayores, al interior del flóculo, donde tal vez no exista DBO residual ni oxígeno (figura 3.12).

Figura 3.12 Gradiente de oxígeno en flóculos de lodos activados

Consecuentemente a medida que las bacterias se acercan al centro del flóculo, son depredadas como fuente de nutrientes. Además de su papel para remover la DBO, los flóculos juegan otro importante papel al promover la sedimentación en los tanques de sedimentación secundaria. Bajo las condiciones de tranquilidad del sedimentador, se forman grandes y compactos flóculos que sedimentan rápidamente y permiten alta concentración de sólidos en el fondo. Es importante purgar el sistema para reducir el manto de Iodos en el sedimentador y permitir la recirculación con alta concentración. El por qué floculan los microorganismos y el mecanismo exacto de este fenómeno es desconocido; muchos modelos de diferente complejidad han sido propuestos; uno de los más atractivos es el modelo del esqueleto de filamentos, el cual supone que en el reactor, las bacterias filamentos forman una red o esqueleto al que se fijan las bacterias que forman flóculos. 113

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Los protozoarios se fijan y colonizan el flóculo; existen evidencias que también ellos excretan una mucosa pegajosa que ayuda a formar un flóculo más fuerte. La operación de plantas de Iodos activados involucra la recirculación del lodo sedimentado; los microorganismos que sedimentan rápido y bien en el sedimentador, son regresados al aerador, permitiendo el rompimiento relativo del flóculo. Los que no sedimentan bien son devorados por los protozoarios o descargados en el efluente de la planta. Esto significa que existe una presión selectiva para las bacterias floculantes; las bacterias de nado libre requieren tasas de crecimiento muy altas para que su población permanezca estable. La figura 3.13 muestra la diversidad de especies en un proceso de Iodos activados y su relación con el funcionamiento del sistema.

Figura 3.13 Diversidad de especies y parámetros en lodos activados

3.3 Uso del microscopio El microscopio se usa rutinariamente para identificar y enumerar diferentes tipos de microorganismos presentes en las aguas residuales. Generalmente se emplean dos tipos de microscopios: el de alta capacidad de ampliación, compuesto de un sistema simple de lentes y el estereoscópico binocular con un sistema de lentes doble para alcanzar una imagen con capacidad de ampliación bastante menor (figura 3.14).

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El término microscopio compuesto, se aplica a microscopios con alta capacidad de ampliación cuyos valores son de 40x a l000x. Tradicionalmente tiene un lente ocular llamado monocular. Actualmente se fabrican microscopios binoculares, o sea de dos lentes oculares, que ayudan a mejorar la visión, pero no son estereoscópicos. El estereoscopio binocular da una baja capacidad de ampliación, de 8x a 40x. Debido a que se componen de dos sistemas de lentes, permiten que el realmente tenga visión estereoscópica.

Microscopio compuesto Todos los microscopios compuestos funcionan con un sistema de lentes que consiste en un lente objetivo reproductor de imagen, usualmente ampliada del objeto observado y un lente ocular que amplifica la imagen.

Figura 3.14 Tipos de microscopios

Los lentes objetivo y ocular se sitúan en los extremos opuestos del cuerpo del microscopio. La ampliación total del sistema es el producto de la capacidad del lente ocular (generalmente 10x) y la capacidad del lente objetivo (que puede variar). El número de lentes objetivos de un microscopio va desde uno hasta cuatro, colocados en un sistema giratorio que permite cambiarlos según las necesidades. Una combinación típica de ampliación con cuatro lentes objetivos incluye 4x, 10x, 40x y 100x. Los valores están anotados a un costado del propio lente. La tabla 3.2 muestra los tamaños de microorganismos y los lentes recomendados para su observación.

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Tabla 3.2 Tamaños de microorganismos y lentes recomendados para su observación MEDIDAS

BACTERIAS

40x PROTOZOARIOS 40x

CÉLULAS HEMATICAS BACTERIAS VIRUS MACROMOLÉCULAS MOLÉCULAS ATOMOS

40 – 100x 40 – 100x 40 – 100x

MICROSCOPIOS

UV

MICROSCOPIO ELECTRÓNICO

ROTÍFERO NEMÁTODO STYLONCHIA SP TRACHELOCERCA SP TOKOPHRYA SP EPISTYLIS SP EUPLOTES SP VOLVOX SP OPERCULARIA SP PANDORINA SP ASPIDISCA SP OIKOMONAS SP

GRUPOS TAXONÓMICOS Y LENTES ELEMENTOS CONSTITUTIVOS ROTÍFEROS 10 – 20x NEMÁTODOS 10 – 20x

MICROSCOPIO DE LUZ

500 400 300 200 170 160 150 75 65 50 40 20 10 1 100 a 1 nm 1Å

ORGANISMOS

Las imágenes son enfocadas moviendo el sistema de lentes (el cuerpo del microscopio) con respecto a la muestra, aunque en algunos sistemas lo que se mueve es la platina, y los lentes son fijos. Después de hacer un enfoque rápido, se tiene una perilla de ajuste fino que mueve lentamente el sistema. La figura 3.15 presenta microorganismos observados al microscopio.

Brachionus, 100x

Philodina, 100X YR

Nemátodo de vida libre

Nemátodo fertilizado

Huevo de nematodo

Microthrix parvicella, 1000x

Type 021N, 1000x

Nocardia sp., 1000x

Sphaerotilus natans, 1000x

Figura 3.15 Microorganismos vistos al microscopio

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Thiothrix I, 1000x

Thiothrix II, 1000x

Microthrix parvicella, 1000x

Beggiatoa sp., 1000x

Hongos, 1000x

Euplotes, 100x

Figura 3.15 Microorganismos vistos al microscopio

Procedimientos para el uso del microscopio Estos procedimientos son generales para microscopios compuestos; para un microscopio en particular habrá que consultar los manuales correspondientes. 1. Limpie el ocular, los objetivos y el espejo; use papel o trapo adecuado; otros materiales de limpieza pueden dañar los lentes o dejar fibras que obstruyan la visión. 2. Gire el sistema para seleccionar el objetivo de menor capacidad (4x o 10x) y dejarlo en posición de uso; coloque el portaobjetos. 3. Si el microscopio tiene condensador, súbalo lo más posible. 4. Abra el diafragma totalmente y encienda la lámpara del microscopio. Si el microscopio tiene espejo y lámpara auxiliar, ajuste la lámpara y el espejo usando el lado plano hasta que se obtenga la iluminación deseada. 5. Ajuste el diafragma de disco o de iris al mayor tamaño. 6. Utilice la perilla de ajuste grueso para enfocar el objeto, bajando lo más cerca posible el lente al portaobjetos; observe por el ocular, y enfoque alejando el lente; una vez que aparece el espécimen utilice la perilla de ajuste fino. 7. Para una mejor imagen, ajuste la iluminación con la lámpara y el espejo, o con el sistema integrado de iluminación. 8. Algunas veces los objetos aparecen invertidos; mueva el portaobjetos de derecha a izquierda; estas inversiones son causadas por la óptica del microscopio. 9. Para observar mayores detalles cambie a un objeto de mayor capacidad de ampliación, pero siempre utilice el de menor capacidad primero. Después de encontrar y enfocar los objetos de interés, cambie al objetivo de mayor capacidad. 117

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10. Para cambiar de objetivo, gire el disco de objetivo para seleccionar el que se desea, colocándolo en posición de uso; esto se hace sin observar por el ocular. No es necesario la distancia entre el nuevo lente y el portaobjetos, ya que la mayoría de los microscopios tienen lentes parafocales, así la imagen enfocada con el objetivo de baja capacidad permanece enfocada al cambiar de lente, requiriendo solo un ajuste fino. 11. Incremente la intensidad de la luz cuando cambie a objetivos de mayor capacidad.

Recomendaciones para su manejo Algunos laboratoristas utilizan el microscopio durante largo tiempo; se recomienda colocar ambos ojos abiertos en el ocular (aún cuando se tenga un microscopio monocular), abiertos y fijos mientras se observe el espécimen. Para un adecuado uso del microscopio se deben seguir las siguientes recomendaciones: a) Limpie los lentes del microscopio antes de usarlo. b) Coloque la muestra evitando que toque los lentes objetivos. Enfoque siempre de abajo hacia arriba para evitar el o. c) Siempre vea el microscopio (no el ocular) cuando cambie de objetivo. Si no existe suficiente espacio, no fuerce el objetivo; suba el brazo (o baje la platina); entonces coloque el objetivo en su lugar; con esto evitará el daño al microscopio. d) Desarrolle el hábito de variar los niveles de iluminación para encontrar el nivel necesario en cada caso. Esto es importante para una mejor definición de los especímenes. e) Asegúrese de mantener la platina y los portaobjetos siempre secos y limpios. Cuando termine, regrese el objetivo de menor capacidad a posición de uso, baje el brazo totalmente y guárdelo en su estuche para colocarlo en su lugar. f) Cuando mueva el microscopio (antes de meterlo en su estuche), sosténgalo siempre en posición vertical; use siempre ambas manos, una sosteniendo la base y otra el cuerpo del microscopio.

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AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 3 Instrucciones: a continuación se presentan varias preguntas que pretenden reforzar los conocimientos adquiridos, por favor conteste de manera breve. 1. ¿Cuáles son los microorganismos más importantes involucrados en el tratamiento de las aguas residuales? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. Mencione las cuatro formas básicas de las bacterias. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. ¿Qué microorganismo vive en las paredes de los tanques de aeración y evita el crecimiento excesivo de película biológica que se forma en las paredes? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. ¿Qué papel juegan los protozoarios en el proceso de lodos activados? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. En un reactor de lodos activados ¿Cuáles son las bacterias dominantes? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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6. ¿Cuál es el papel más importante de los protozoarios? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7. En una planta de tratamiento ¿para qué se utiliza de manera rutinaria un microscopio? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 8. En un microscopio compuesto ¿Cuál es la función del lente ocular? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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CONCEPTOS BÁSICOS Y VARIANTES AL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS AUTOR: Luciano Sandoval Yoval

Objetivos particulares: Al término del tema, el participante: • Conocerá los componentes, características y variantes de operación del proceso de lodos activados. • Comprenderá los factores que ha de considerar para la correcta operación de una planta de lodos activados.

4.1 Descripción del proceso Este sistema de tratamiento biológico se desarrolla en un ambiente rico en oxígeno (aerobio), con microorganismos vivos y materia orgánica. Es similar al proceso biológico natural que se observa en las capas superiores del suelo que contiene gran variedad de microorganismos; la diferencia consiste en que el proceso de lodos activados es un proceso controlado que mantiene a los microorganismos en un ambiente líquido. El mecanismo básico del sistema se representa de una manera simplista con la siguiente reacción biológica: Materia orgánica + microorganismos + O2 → Biomasa + CO2 + H 2 O + Energía

Los primeros microorganismos dirigen una parte de la materia orgánica absorbiéndola a través de su pared celular, produciendo ciertos productos de desecho, los que se utilizan como alimento por otros microorganismos. Este proceso de degradación acumulativa continúa hasta que la materia orgánica compleja original ha sido degradada y asimilada por la población biológica.

Componentes del sistema de lodos activados El proceso básico de lodos activados (figura 4.1) se integra de varios componentes que se interrelacionan entre sí: 1. Tanque de aeración (uno o varios) diseñado para un mezclado completo o trabajar como flujo pistón. 2. Fuente de aeración que permita transferir el oxígeno y proporcione la mezcla que requiere el sistema. La fuente puede ser un soplador con difusores, aeración mecánica o a través de la inyección o de oxígeno puro. 3. Sedimentador (uno o varios) para separar los sólidos biológicos (lodos activados) del agua tratada. 4. Un mecanismo para recolectar los sólidos biológicos del sedimentador y recircular la mayor parte de ellos al reactor biológico o tanque de aeración, en lo que se conoce como recirculación de lodos activados. 121

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5. Un mecanismo para desechar el exceso de sólidos biológicos del sistema, lo que se conoce como purga de lodos. En una planta municipal típica, un proceso de lodos activados bien diseñado y operado puede alcanzar efluentes con 20 mg/L de DBO5 y 20 mg/L de sólidos suspendidos. El proceso tiene capacidad para mayores eficiencias hasta de 10 mg/L de DBO y 15 mg/L se SS. Para alcanzar valores menores a estos últimos, se requiere tratamiento avanzado. EFLUENTE DEL SEDIMENTADOR

INFLUENTE AGUA CRUDA O SEDIMENTADA

FUENTE DE AERACIÓN

SEDIMENTADOR A DESINFECCIÓN

RECIRCULACIÓN DE LODOS ACTIVADOS

EXCESO DE LODOS ACTIVADOS A TRATAMIENTO (PURGA)

Figura 4.1 Proceso básico de lodos activados

4.2 Variantes al proceso de lodos activados Existen numerosas modificaciones al proceso de lodos activados. Hay varias maneras de tratar el agua residual biológicamente; el proceso de lodos activados es uno de los más comunes y eficientes. Existen también algunas modificaciones al proceso convencional de lodos activados que son usadas a menudo al diseñar estos sistemas. Las modificaciones se describirán de manera sencilla a continuación.

Flujo pistón Las aguas residuales pasan a través del tanque de aeración como un flujo pistón. En el modelo de flujo pistón, el agua residual es conducida a través de una serie de canales construidos en el tanque de aeración. La figura 4.2 muestra un diagrama del esquema de flujo pistón. En el diagrama se observa que las aguas residuales fluyen a través del tanque de aeración como un pistón, y son tratadas al serpentear en el tanque. La concentración de materia orgánica (DBO) se reduce conforme el flujo avanza en el tanque.

INFLUENTE

FUENTE DE AERACIÓN

CUERPO RECEPTOR

SEDIMENTADOR EFLUENTE DEL SEDIMENTADOR

RECIRCULACIÓN DE LODOS

EXCESO DE LODOS ACTIVADOS A TRATAMIENTO Y DISPOSICIÓN

Figura 4.2 Diagrama de flujo pistón del proceso de lodos activados 122

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Completamente mezclado Las aguas residuales están en mezclado completo en cualquier sitio dentro del tanque de aeración. En el modelo completamente mezclado (idealmente), toda el agua influente al tanque de aeración se mezcla instantáneamente con el oxígeno (abastecido con aire) y las bacterias (lodos activados) dentro del agua contenida en el tanque de aeración. Un diagrama de flujo para este esquema se presenta en la figura 4.3.

INFLUENTE

CUERPO RECEPTOR

SEDIMENTADOR TANQUE DE AERACIÓN

RECIRCULACIÓN DE LODOS

EFLUENTE DEL SEDIMENTADOR

EXCESO DE LODOS ACTIVADOS A TRATAMIENTO Y DISPOSICIÓN

Figura 4.3 Diagrama de flujo para mezcla completa del proceso de lodos activados (proceso convencional)

Una vez que el agua cruda está en mezclado completo con el oxígeno y las bacterias, la concentración de sólidos suspendidos volátiles y la demanda de oxígeno son homogéneos en todo el tanque. Este es el esquema más común del proceso de lodos activados.

Estabilización – o Otro esquema poco común en México del proceso de lodos activados, es la estabilizacióno, la figura 4.4 muestra una planta con este proceso y la figura 4.5 un diagrama de flujo de esta modificación.

Figura. 4.4 Planta paquete con la modificación estabilización-o de lodos activados 123

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

INFLUENTE

TANQUE DE O

CUERPO RECEPTOR

SEDIMENTADOR EFLUENTE DEL SEDIMENTADOR

FUENTE DE AERACIÓN

EXCESO DE LODOS ACTIVADOS A TRATAMIENTO Y DISPOSICIÓN

TANQUE DE ESTABILIZACIÓN RECIRCULACIÓN DE LODOS

Figura 4.5 Diagrama de flujo para la modalidad estabilización-o

Bajo este modelo de operación, el agua cruda se introduce a un tanque de o donde es aerada y mezclada con las bacterias; en este tanque los microorganismos entran en o con la materia orgánica soluble e insoluble, la que pasa a través de la membrana celular de las bacterias, y la materia orgánica sólida es adaptada por los microorganismos. Los sólidos biológicos son sedimentados posteriormente en el clarificador secundario, y después desechados del sistema o conducidos al tanque de estabilización donde los microorganismos son aerados sin recibir influentes de agua cruda (digestión aerobia). En el tanque de estabilización, las bacterias digieren (estabilizan) la materia orgánica que han asimilado en el tanque de o. Una vez que han digerido esta materia y requieren alimento adicional, son recirculadas al tanque de o. Debido a que tienen que usar el alimento almacenado en su cuerpo durante el tiempo que permanecen en el tanque de estabilización al pasar al de o asimilan rápidamente la materia orgánica proveniente del agua cruda, por esta razón el tiempo de retención requerido se minimiza y consecuentemente, el tamaño del tanque de o es mucho menor que el de los tanques requeridos en otras opciones del proceso. Además, esto hace que en algunos sistemas, que cuentan con esta modificación, omitan el sedimentador primario. El volumen para el tanque de estabilización es menor a los tanques de aeración convencionales, ya que solo recibe los lodos activados del sedimentador secundario y ningún influente de agua cruda.

Aeración extendida La aeración extendida es usada para tratar aguas residuales industriales. La modificación al sistema de lodos activados denominada Aeración Extendida es usada comúnmente para tratar aguas residuales de origen industrial que contienen principalmente materia orgánica soluble y las bacterias necesitan amplios tiempos de retención para desdoblar las sustancia complejas de este tipo de residuos. La figura 4.6 muestra un diagrama de flujo.

124

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

INFLUENTE SEDIMENTADOR

ALTO TIEMPO DE RETENCIÓN

AGUA CRUDA

EFLUENTE DEL SEDIMENTADOR

FUENTE DE AERACIÓN

RECIRCULACIÓN DE LODOS ACTIVADOS

EXCESO DE LODOS ACTIVADOS

Figura 4.6 Aeración extendida

El modelo de esta modificación es similar al completamente mezclado, con la característica de tener altos tiempos de aeración (aeración extendida). Una ventaja de este proceso es que el largo tiempo de retención en el tanque de aeración proporciona una mayor homogeneización del agua cruda, aceptando el proceso cambios bruscos en cargas hidráulicas y orgánicas. Una segunda ventaja es que se producen menos lodos de desecho pues algunas bacterias son digeridas en el tanque de aeración. Ambas ventajas hacen de este sistema uno de los más simples de operación en el marco de los lodos activados.

Zanjas de oxidación Normalmente se usa un tanque de aeración circular. Las zanjas de oxidación son similares al modelo de flujo pistón, con la característica que el tanque de aeración es circular o elipsoidal (llamado zanja de oxidación). En estos sistemas es común utilizar “cepillos” rotatorios para transferir el oxígeno requerido al reactor, colocados a lo ancho del mismo, aunque en los últimos diseños se han llegado a colocar aeradores superficiales. El diagrama de la modificación se muestra en la figura 4.7.

CUERPO RECEPTOR

SEDIMENTADOR

INFLUENTE

EFLUENTE DEL SEDIMENTADOR

ROTOR

ZANJA DE OXIDACIÓN

EXCESO O PURGA DE LODOS A TRATAMIENTO

RECIRCULACIÓN DE LODOS

Figura 4.7 Diagrama de flujo para la modalidad zanja de oxidación

Alimentación escalonada (a pasos) La modificación al proceso de lodos activados denominada alimentación escalonada, se refiere a la conexión del influente al reactor (del tipo de flujo pistón) en múltiples puntos a lo largo del tanque, en lugar de tener el influente en un solo punto, normalmente en un extremo del tanque como es el caso del proceso convencional. Un diagrama de flujo simplificado se observa en la figura 4.8. 125

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

TANQUE DE AERACIÓN CUERPO RECEPTOR

SEDIMENTADOR EFLUENTE DEL SEDIMENTADOR INFLUENTE

PURGA O EXCESO DE LODOS ACTIVADOS A TRATAMIENTO

RECIRCULACIÓN DE LODOS

Figura 4.8 Diagrama de flujo para la modalidad de alimentación escalonada del proceso de lodos activados

En esta modalidad, la materia orgánica se distribuye a lo largo del tanque de acuerdo con la dirección del flujo; esto permite que las bacterias digieran y asimilen los materiales orgánicos a su paso por el tanque de aeración del tipo flujo pistón. Este esquema de alimentación ayuda a mantener un balance adecuado entre el alimento y los microorganismos a todo lo largo del tanque de aeración.

Aeración reducida Esta modificación utiliza el esquema de flujo pistón; el influente entra por un extremo del tanque; en este punto, la cantidad de materia orgánica es muy alta y consecuentemente la demanda de oxígeno por las bacterias. Conforme el agua se mueve a través del tanque de aeración, la materia orgánica es removida gradualmente; como la cantidad de alimento disminuye, la demanda de oxígeno también; de esta manera, el resultado es que se abastece mayor cantidad de aire a la entrada del tanque donde la demanda por los microorganismos es mayor y se va reduciendo la cantidad de aire a lo largo del tanque, del mismo modo que el alimento y los microorganismos. El diagrama de flujo del esquema se presenta en la figura 4.9. AIRE CUERPO RECEPTOR

SEDIMENTADOR INFLUENTE

EFLUENTE DEL SEDIMENTADOR

AIRE PURGA O EXCESO DE LODOS ACTIVADOS A TRATAMIENTO RECIRCULACIÓN DE LODOS

Figura 4.9 Diagrama de flujo para la modalidad de aeración reducida en el proceso de lodos activados

Oxígeno puro La modificación al proceso de lodos activados utilizados oxígeno de alta pureza, normalmente se realiza en tanques cerrados configurados en serie. Las aguas residuales, la recirculación y el oxígeno como gas, se introducen en la primera etapa del sistema y fluyen a través de los tanques. Los tanques son cubiertos para retener el oxígeno y permitir que se utilice la mayor parte de éste. 126

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

La disolución del oxígeno y la mezcla se realiza con aeradores superficiales o con sistemas de turbinas sumergidas. La figura 4.10 muestra un diagrama del sistema. Un aspecto importante es la fuente para obtener el oxígeno de alta pureza, siendo las posibles fuentes: oxígeno líquido almacenado y la generación in situ. El oxígeno líquido almacenado puede utilizarse en pequeñas plantas de hasta 175 l/s. OXÍGENO DE ALTA PUREZA

INFLUENTE SEDIMENTADOR EFLUENTE DEL SEDIMENTADOR

RECIRCULACIÓN DE LODOS EXCESO DE LODOS ACTIVADOS

Figura 4.10 Oxígeno puro

Proceso Graus Otra modificación al proceso de Iodos activados es el esquema conocido como Proceso Kraus. El diagrama de flujo respectivo se muestra en la figura 4.11. El Iodo anaeróbiamente digerido y el sobrenadante del digestor se añaden a los Iodos de recircuIación. Esta modificación utiliza Iodos digeridos anaeróbiamente y el sobrenadante del digestor para ayudar a mejorar las propiedades de sedimentación de los Iodos activados o flóculos biológicos. Como se observa en la figura 4.11, una parte del lodo de recirculación del sedimentador secundario es mezclado con Iodos anaeróbicamente digeridos y con el sobrenadante del digestor en un tanque de reaeración. El lodo dirigido anaeróbiamente es muy denso y sedimenta rápidamente, mientras que el lodo activado es más ligero; la mezcla agrega peso a estos últimos, favoreciendo la sedimentación.

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OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS FUENTE DE AEREACIÓN

INFLUENTE

CUERPO RECEPTOR

SEDIMENTADOR

TANQUE DE AERACIÓN

EFLUENTE DEL SEDIMENTADOR RECIRCULACIÓN DE LODOS

EXCESO DE LODOS A TRATAMIENTO

TANQUE DE REAERACIÓN

SOBRENADANTE DEL DIGESTOR ANAEROBIO LODOS DEL DIGESTOR ANAEROBIO

Figura 4.11 Diagrama de flujo para la modalidad Kraus del proceso de lodos activados

4.3 Factores relacionados con el proceso Existen diversas condiciones para el correcto funcionamiento de las plantas; a continuación se mencionan los principales factores que afectan la operación de plantas de lodos activados.

Concentración del agua cruda Variaciones en el influente afectan el proceso Cualquier cambio significativo en las características del agua cruda afectará el desarrollo de los microorganismos del sistema de tratamiento; si la carga de DBO5 se incrementa significativamente, habrá demasiado alimento para los microorganismos del sistema. Este exceso podrá incrementar la tasa de reproducción y producir un lodo activado joven caracterizado por un crecimiento disperso de la población, lo que se traduce en una sedimentación secundaria pobre. Además no toda la DBO5 (alimento) es utilizada por los microorganismos, y una parte pasará directamente al sedimentador secundario y al efluente de la planta. Si por el contrario, la carga orgánica (DBO5) decrece, no habrá suficiente alimento para los microorganismos y disminuirán su tasa de crecimiento, por lo que la población microbiológica del sistema se reducirá; el efecto será un efluente con incremento en la concentración de sólidos suspendidos al formarse un flóculo de rápida sedimentación que no ayuda al arrastre de partículas finas y coloidales. Se debe llegar a un balance adecuado entre la cantidad de alimento y la de microorganismos en el sistema, esto se discutirá en otro capítulo.

128

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Nutrientes Los nutrientes presentes en aguas residuales de tipo doméstico, normalmente están en cantidad suficiente para los microorganismos; sin embargo, habrá influentes como algunos de origen industrial, que requieren la adición de nutrientes para su tratamiento por medios biológicos. Cuando no se tiene suficiente nitrógeno se desarrolla una población dispersa o filamentosa que sedimenta pobremente, además que de la falta de nitrógeno inhibe la producción de nuevas células. Al agregar nutrientes al agua cruda, se debe pensar en dejar un remanente o nutrientes residuales en el efluente de la planta.

Oxígeno disuelto (OD) Para mantener viva la población aerobia, se debe agregar oxígeno al tanque de aeración. La variación temporal de la demanda de oxígeno en el sistema hace que se tenga también una variación en la cantidad de oxígeno que se debe proporcionar, y mantener así la concentración en los valores deseados. En lugares con climas extremos (norte del país) en el verano la actividad bacteriana aumenta y se requiere mayor cantidad de oxígeno; además, como la temperatura del agua residual se incrementa, el valor de saturación del oxígeno en el agua disminuye (esto es la cantidad de oxígeno que puede ser disuelto en el agua se reduce). Ambos fenómenos pueden dar como resultado que se requiera mayor cantidad de oxígeno en el sistema durante el verano para mantener la misma concentración de oxígeno disuelto. Durante el invierno, las temperaturas bajas pueden causar una disminución de la actividad bacteriana y un aumento en el valor de saturación. Lo que da como resultado que en los meses más fríos se reduzcan los requisitos de aire en el sistema.

Tiempo de retención Los microorganismos deben tener suficiente tiempo para proporcionar el tratamiento. El tiempo de retención hidráulica del tanque de aeración o la cantidad de tiempo que las bacterias están en o con el alimento de las aguas crudas, es un importante factor de operación. Se debe dar el tiempo suficiente para permitir que las bacterias asimilen la materia orgánica presente en el agua residual. Si el tiempo de retención en el tanque de aeración es muy pequeño, no toda la materia orgánica será removida y el efluente tendrá valores altos de DBO5. También es importante este concepto de tiempo de retención para los tanques sedimentadores; en ellos se debe permitir que los flóculos de Iodos activados se sedimenten en tiempo razonable. El tiempo de retención es un parámetro donde el operador tiene poco control.

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pH

ACTIVIDAD BIOLÓGICA RELATIVA

Se debe vigilar que el pH se mantenga en ciertos límites dentro de las unidades de proceso de la planta principalmente en el tanque de aeración, para mantener a los microorganismos saludables y activos en el sistema. En la figura 4.12 se observa la actividad biológica de acuerdo con los valores de pH en el tanque de aeración. Las bacterias pueden sobrevivir en el rango de pH entre 5.0 y 10.0 y reproducirse entre los valores de pH de 6.5 y 8.5. Abajo de 6.5, los hongos predominan sobre las bacterias y se tendrá una baja remoción de DBO5 y una pobre sedimentación.

0 4

5

6

7

8

9

10

11

12

pH

Figura 4.12 Niveles de pH y actividad biológica

A valores altos de pH, los nutrientes como el fósforo empiezan a precipitar, y ya no puede ser utilizado por las bacterias; esto da como resultado una baja remoción de DBO5. En condiciones extremas por arriba o por abajo del rango mencionado (5.0-10.0), la población biológica de la planta morirá.

Toxicidad La toxicidad normalmente es atribuida a altas concentraciones de metales pesados, tales como cobre, plomo, zinc, u otro tipo de compuestos orgánicos. Se pueden presentar dos tipos de toxicidad: crónica o aguda. La toxicidad aguda puede presentarse rápidamente; en cuestión de horas, la población biológica del tanque de aeración puede morir, lo que hace que este tipo de toxicidad sea detectada rápidamente, mientras que la toxicidad crónica se presenta lentamente haciendo difícil su identificación. La toxicidad aguda se muestra con altas concentraciones de sustancias tóxicas, tales como cianuro o arsénico que son descargados al sistema de alcantarillado de la planta. 130

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La toxicidad crónica se presenta cuando un elemento, por ejemplo, cobre, aumenta gradualmente dentro de las bacterias, donde las bacterias son recirculadas una y otra vez en el sistema. Como la concentración del elemento tóxico se incrementa dentro de los microorganismos, el nivel tóxico es alcanzado disminuyendo su actividad celular hasta que mueren. El análisis de concentración de metales presentes en los lodos del sedimentador secundario de la planta puede detectar problemas potenciales por toxicidad crónica.

Temperatura Dentro de ciertos límites: a mayor temperatura aumenta la actividad bacteriana y viceversa.

ACTIVIDAD BIOLÓGICA

Un importante factor de operación, aunque el operador tiene control sobre él, es la temperatura del agua residual. La temperatura afecta directamente el nivel actividad de las bacterias en los sistemas de lados activados. Las relaciones entre temperatura y actividad biológica se pueden observar en la figura 4.13.

0

20

38

60

TEMPERATURA ºC

Figura 4.13 Temperatura y actividad biológica

El rango óptimo de temperatura para la actividad bacteriana aerobia es entre 25 y 32 °C. Generalmente por cada cambio en la temperatura de 10 oC, la actividad bacterial varía con un factor de 2. A altas temperaturas las bacterias se vuelven más activas, inversamente a menor temperatura menor actividad bacteriana. Para compensar los cambios de temperatura en las diferentes estaciones del año, se deben incrementar los SSVLM en invierno y disminuirlos en verano. Durante los meses de invierno la actividad biológica baja y los sólidos suspendidos volátiles en el tanque de aeración necesitan incrementarse y en el verano por condiciones inversas; los SSVLM deben reducirse, ya que cada bacteria asimilará más de materia orgánica por su mayor actividad. 131

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

La temperatura también afecta las características de sedimentación. Durante el invierno, el agua es más densa y la sedimentación será más lenta y en el verano sucede lo contrario.

Mezcla Es deseable un tanque de aeración completamente mezclado para evitar que las bacterias sedimenten, también es importante mantenerlas en movimiento para que entren en o con la materia orgánica de las aguas residuales (para ser utilizada como alimento), además al estar en o entre sÍ, las bacterias formarán un flóculo que sedimentará en la unidad subsecuente del sistema. El tanque de aeración con mezclado completo evita los cortocircuitos que podrían formarse. Existen varios indicadores de mezclado. Uno es la formación de depósitos de sólidos en las esquinas del tanque de aeración. Cualquier acumulación significante en las esquinas puede detectarse con un palo, largo o mediante equipo para sacar muestras del fondo. Un segundo indicador es la detección de zonas con concentraciones de cero oxígeno disuelto en el tanque de aeración, mediante un oxímetro portátil. Un tercer indicador es la detección de zonas con diferencia significativa en concentración, ya sea de OD o de SS. Un tanque de aeración bien mezclado presentará uniformidad de concentraciones en todo el tanque.

Gasto El gasto de entrada afecta la operación de una planta de tratamiento y se relaciona directamente con otros factores. El incremento de gasto por arriba de los valores de diseño disminuirá el tiempo de retención y por tanto, la capacidad de tratamiento reduciendo las eficiencias de operación. El gasto de entrada es un factor donde el operador tiene poco o nulo control, por lo que es recomendable contar con un sistema de “by ” cuando se presenten caudales mayores al de diseño.

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AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 4 Instrucciones: a continuación se presentan varias preguntas que pretenden reforzar los conocimientos adquiridos, por favor conteste de manera breve. 1. ¿Cómo se llama el componente del sistema de lodos activados que separa los sólidos biológicos (lodos activados) del agua tratada? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. ¿En dónde las bacterias digieren (estabilizan) la materia orgánica que han asimilado? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. Escriba cuando menos tres modificaciones al proceso de lodos activados que se le han hecho, poco menos comunes. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. ¿Qué puede ocurrir si la carga de DBO5 se incrementa de manera significativa? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. ¿Cuál es el rango óptimo de temperatura para la actividad bacteriana aerobia? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROCESO AUTOR: Luciano Sandoval Yoval

Objetivos particulares: Al término del tema, el participante: • Conocerá las principales características de los equipos que se utilizan en los sedimentadores primarios y secundarios. • Comprenderá la importancia, las características y las formas de operación de los sistemas de aereación que se utilizan en las de lodos activados.

5.1 Equipos en sedimentadores Sedimentadores primarios y secundarios Los sedimentadores realizan la función de remover sólidos suspendidos; si la unidad de proceso está antes del tratamiento secundario, se denominan sedimentadores primarios; si son parte del proceso de tratamiento biológico, se conocen como sedimentadores secundarios. Los sedimentadores se clasifican por su forma en: circulares, cuadrados, rectangulares, hexagonales y octagonales. Los más comunes son los circulares y los rectangulares.

Sedimentadores circulares Los sedimentadores circulares (figuras 5.1. 5.2 y 5.3) se caracterizan por modelos de flujo radiales ya sea de entrada o salida. Son seleccionados y diseñados para tratamiento primario y secundario. Sus diámetros varían desde pocos metros (tres) hasta grandes tanques de cien metros. El lado recto para tanques primarios varía de 2.5 a 4 m, y para secundarios de 3 a 5 m o más. Existen diversos tipos de configuraciones; se clasifican por su alimentación, en central o periférica.

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Figura 5.1 Sedimentador circular con recolección mecánica de lodos

Figura 5.2 Sedimentador circular con recolección de lodos por gravedad

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Figura 5.3 Típico sedimentador circular

Los equipos principales en estos tanques son las rastras giratorias con puente fijo o móvil. La función principal de las rastras es empujar el lodo del fondo del sedimentador de manera concéntrica hasta alcanzar una tolva ubicada en el centro del tanque (a un lado de la columna central), de donde son extraídos en forma hidráulica o por bombeo. La operación es muy sencilla, generalmente son automáticos; se debe tener cuidado en el arranque del sedimentador, pues si hay Iodos acumulados puede presentarse una rotura de la armadura. El desnatador trabaja con un mecanismo automático, se debe verificar que el motorreductor esté funcionando normalmente y que el desnatador no se atore. Realmente la operación importante de los sedimentadores es el control de la extracción o purga de Iodos para evitar problemas de sépticos y crecimiento o desaparición del manto de Iodos. Este tipo de rastra colectora de Iodos de tipo giratorio se considera como un excelente mecanismo para remover Iodos primarios, secundarios y para remoción de cal u otros químicos en tratamientos terciarios. Ofrece la ventaja de ser un mecanismo simple en funcionamiento, y muy fácil en cuanto a operación y mantenimiento.

Sedimentadores rectangulares Los sedimentadores rectangulares se usan más en plantas de tratamiento de aguas residuales grandes. Muchos ingenieros proyectistas los consideran económicos por sus paredes comunes a otros tanques y por la conveniencia de tener una galería de bombeo en un extremo del tanque. Los detalles de diseño incluyen: profundidad, orificios de entrada, mamparas, desnatadores, rastras, canaletas, andadores, etc. Este número de variables hace que exista una gran variedad en el diseño de los tanques. 137

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La mayor parte de estos tanques tienen una profundidad de 2m, pero para Iodos activados esta profundidad es mayor. La relación largo a ancho generalmente está entre 1.5 1 y 15: 1. Para prevenir cortocircuitos se tienen anchos mínimos de 3m, y relación largo-ancho mínima de 3:1. La alimentación se hace en un extremo, y la recolección de agua sedimentada en el extremo opuesto. El lodo que se deposita en el fondo del sedimentador, es acarreado por medio de rastra a un extremo donde se han construido tolvas y se extrae por medios mecánicos o hidráulicos. Los mecanismos colectores de Iodos para tanques rectangulares pueden ser de dos tipos: rastras de cadenas o puentes viajeros.

Rastra de cadenas Las rastras de cadenas (figuras 5.4 y 5.5) constan de una serie de rastras cuyos extremos se fijan a dos cadenas paralelas que se mueven mediante un sistema de catarinas por medio de un motorreductor. Este movimiento es lento, evitando la turbulencia del lodo depositado en el fondo al ser arrastrado a las tolvas colocadas en un extremo del sedimentador. En sedimentadores primarios y en algunos secundarios, las rastras también sirven, al regresar, como desnatadores, llevando en su viaje, al extremo opuesto de las tolvas, las natas que son colectadas generalmente en una media caña de operación manual y retiradas del sedimentador. Una desventaja es su difícil mantenimiento; cuando es requerido se debe vaciar el sedimentador. Comparando con otros sistemas, el mantenimiento de rastras, cadenas, catarinas, motorreductores, flechas y baleros es más serio y, por tanto, de mayor duración y tal vez también desfavorable en costos.

Figura 5.4 Sedimentador rectangular con rastras y cadenas con recolección de natas

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Figura 5.5 Sedimentador rectangular con rastras cadenas sin remoción de natas

Puentes viajeros Los puentes viajeros están equipados con una sola rastra que puede ser nivelada. El puente se mueve hacia adelante y hacia atrás sobre rieles colocados en ambos lados del sedimentador. El mecanismo funciona de ida para extraer Iodos del fondo y de vuelta como desnatador. El puente viajero con rastra o con mecanismo de succión fue desarrollado para resolver problemas de mantenimiento, como los mencionados para rastras con cadenas. No requieren que el sedimentador se vacíe para su mantenimiento o reparación. Los puentes viajeros con rastra, raras veces se utilizan en plantas de Iodos activados; los puentes viajeros con sistema de succión son más comunes.

5.2 Sistemas de aeración Se consideran el corazón de las plantas de Iodos activados. Los microorganismos aerobios no pueden vivir sin la transferencia de oxígeno en el tanque de aeración. La simulación de lo que sucede en las corrientes, donde en forma natural el agua se oxigena con la velocidad y cambios de dirección del río y otros factores, se logra artificialmente con dos tipos de sistemas, uno con base en aeradores mecánicos, y el otro mediante aeración por difusión.

Aeradores mecánicos La aplicación más usual de aeradores mecánicos incluye varias modificaciones al proceso de Iodos activados, zanjas de oxidación, unidades de forma oval o de anillo, lagunas aeradas, etc. Los aeradores mecánicos también son usados en otras unidades de proceso, como en sistemas de preaeración, tanque de homogeneización. 139

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Los principales requisitos para aceptar equipos de aeración mecánica son los siguientes: 1. Se debe tener suficiente transferencia de oxígeno a un costo razonable. 2. La capacidad de mezclado debe ser suficiente. 3. Los aerosoles y rocío causado por la aeración no deben contaminar el aire; esto es importante en plantas cercanas a zonas residenciales. 4. Los aeradores requieren bajo mantenimiento, flexibilidad de operación y control del equipo. Los aeradores mecánicos dan una combinación de aeración y mezcla del líquido. Algunos producen la interfase gas-líquido tomando aire de la atmósfera y dispersándolo en burbujas; otros dispersan el líquido en el aire en forma de gotas; algunos producen películas delgadas de agua que entran en o con el aire, y otros generan gotas de agua y burbujas de aire. Un grupo específico de aeradores mecánicos usan la difusión inyectando el aire de la superficie al líquido; se llaman aeradores mecánicos combinados. La tabla 5.1 muestra la diversidad de aeradores mecánicos, divididos en dos grandes grupos, los de eje vertical y los de eje horizontal. Las figuras 5.6 a 5.12 muestran diagramas de aeradores mecánicos. La eficiencia de transferencia de oxígeno se puede consultar en la tabla 5.2. Tabla 5.1 Diversidad de aeradores mecánicos

CON EJE HORIZONTAL

SUMERGIDOS SUPERFICIALES

TIPO PALETAS TIPO CANASTA COMBINADOS TIPO ASPAS TIPOS DISCO POROSOS

SUMERGIDOS

IMPULSOR TURBINA

CON EJE VERTICAL SUPERFICIALES

DISCOS POROSOS CON AIRE FORZADO SUCCIÓN DE AIRE AIRE FORZADO CON TIRO MECÁNICO DE AIRE AIRE FORZADO

TURBINA ABIERTA FLUJO DESCENDENTE TURBINA CERRADA AIRE FORZADO CENTRÍFUGOS FLUJO ASCENDENTE RADIAL – AXIAL AXIAL

Tabla 5.2 Rangos de eficiencia de aeración para diversos aeradores mecánicos TIPO DE AERADOR Superficiales centrífugos de baja velocidad Superficiales centrífugos con tubo de succión Superficiales axiales de alta velocidad Flujo descendente con turbina abierta Flujo descendente con turbina cerrada Turbina sumergida Impulsor sumergido Rotor superficial 140

EFICIENCIA DE AERACIÓN kg O2/kw-h ESTÁNDAR CAMPO 1.2 – 3.0 0.7 – 1.4 1.2 – 2.8 0.7 – 1.3 1.2 – 2.2 0.7 – 1.2 1.2 – 2.4 0.6 – 1.2 1.2 – 2.4 0.7 – 1.3 1.2 – 2.0 0.7 – 1.1 1.2 – 2.4 0.7 – 1.1 0.9 – 2.2 0.5 – 1.1

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Figura 5.6 Aerador mecánico de eje vertical y baja velocidad

MOTOR ELECTRICO

EJE COPLE

SEPARADOR DEFLECTOR

FLOTADOR

HELICE

Figura 5.7 Aerador superficial flotante de eje vertical y alta velocidad, con impulsor

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OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Figura 5.8 Aerador mecánico de eje vertical tipo aspas

Figura 5.9 Aerador mecánico eje vertical de turbina flujo ascendente

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Figura 5.10 Aerador mecánico eje vertical impulsor de flujo descendente

Figura 5.11 Aerador mecánico sumergido de baja velocidad

Figura 5.12 Aerador mecánico axial con aspas abiertas

Consideraciones en la operación y mantenimiento La operación efectiva del equipo de aeración mecánica debe minimizar el consumo de energía y maximizar su funcionamiento. La operación y mantenimiento se enfocará al control de la concentración de oxígeno disuelto en el líquido aerado; proporcionar la mezcla mínima requerida en el sistema y proporcionar el servicio e inspección necesaria sin interrumpir la operación. Generalmente la concentración de oxígeno disuelto se establece entre 1 y 2 mg/L, a temperaturas cercanas a los 20 °C; el consumo de energía para proporcionar 4 mg/L de oxígeno en lugar de 2 mg/L puede aumentar entre un 5 y 40%. Debido a que el consumo de energía en aeración es uno de los mayores costos de operación de la planta no se debe sobreoxigenar el licor mezclad. Las técnicas de control dependen totalmente del equipo de aeración, y se muestran en la tabla 5.3.

143

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Tabla 5.3 Técnicas de control de la concentración de oxígeno con aeradores mecánicos TÉCNICA TIPO DE AERADOR Superficiales centrífugos de baja velocidad Superficiales axiales de alta velocidad Flujo descendente turbina abierta Flujo descendente turbina cerrada Flujo descendente turbina cerrada con aire forzado Turbina sumergida Impulsor sumergido Rotor superficial y disco Eje horizontal aeración mecánica

SUMERGENCIA

VELOCIDAD

AIRE

SI NO POSIBLE POSIBLE NO NO NO SI NO

SI NO POSIBLE POSIBLE NO NO NO SI NO

NO NO NO NO SI SI NO NO SI

ENCENDIDO APAGADO SI SI SI SI SI NO SI SI SI

El mantenimiento de aeradores mecánicos involucra lo siguiente: 1. Mantenimiento preventivo periódico, tal como engrasado y aceitado de engranes y baleros, revisión de cables eléctricos y mecanismos de fijación, revisión del desgaste de bandas, etc. 2. Registro de datos de uso de energía, sumergencia de aeradores, gasto de aeradores, gasto de aire (si aplica). 3. Registro de datos de tiempos de uso, tiempos de reparación. 4. Análisis de la falla de equipos, interrupciones de la operación, mantenimiento de sopladores y tubería con equipos combinados.

Aeración por difusión La aeración por difusión ha sido empleada en tratamiento de aguas residuales desde principios de siglo. Los primeros sistemas introducían aire a través de tubos abiertos o tuberías perforadas colocadas en el fondo del aerador. El deseo de mejorar la eficiencia llevó al desarrollo de difusores de placa porosa que producen pequeñas burbujas y se obtienen altas eficiencias en la transferencia de oxígeno. La aeración por difusión es definida como la inyección de gas (aire u oxígeno) a presión bajo la superficie líquida. Todos los equipos que se describirán alcanzan esta definición. La industria del tratamiento de aguas residuales ha introducido una gran variedad de equipos de difusión de aire. La clasificación tradicional mencionaba los difusores de burbuja gruesa, y los de burbuja fina. Esta clasificación aparentemente da idea de la eficiencia de transferencia de oxígeno; sin embargo, no existe un valor para diferenciar si una burbuja es gruesa o fina. Por esta razón, la clasificación actual se hace por las características físicas de los difusores, dividiéndolos en tres categorías: Difusores porosos, Difusores no porosos y otros mecanismos de difusión.

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Difusores porosos Su uso les ha ganado renovada popularidad debido a la relativamente alta eficiencia de transferencia de oxígeno mostrada (figura 5.13). Se han utilizado numerosos materiales para fabricar este tipo de difusores: rígidos de cerámica o plástico y flexibles de plástico o tela. De acuerdo con su forma se pueden encontrar difusores porosos de placa, domos, discos y tubos. (a)

(b)

(c)

Figura 5.13 Difusores porosos: a) disco, b) domo, c) disco perforado

Difusores no porosos Difieren de los porosos por tener grandes orificios (comparados con los poros) o agujeros que no se obstruyen fácilmente. Se encuentran en una amplia variedad de materiales y formas. Los difusores de orificio fijo varían desde simples huecos taladrados hasta ranuras especialmente configuradas en tuberías metálicas o plásticas. Los difusores con orificio y válvula caen también en esta categoría, así como los difusores estáticos y las mangueras perforadas. Figura 5.14.

Figura 5.14 Difusores no porosos

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Otros sistemas de difusión Dentro de la clasificación se separaron los mecanismos híbridos como los sistemas de Jet, mecanismos aspirantes como las bombas aspiradoras de propela, y la aeración en tubos U; se pueden observar en las figuras 5.15 a 5.18.

Figura 5.15 Aerador tipo Jet Direccional

Figura 5.16 Mecanismo aspirante de propela (tipo cañón)

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Figura 5.17 Aerador de turbina con aire forzado (rociador)

Figura 5.18 Aeración en tubo "U"

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Los factores que afectan el funcionamiento de los difusores son: tamaño de la burbuja y características del medio, uniformidad de la distribución del aire, tamaño y forma del difusor, gasto por difusor, profundidad de colocación del difusor, geometría del tanque, arreglo de difusores, etc. Las figuras 5.19 y 5.20 muestran arreglos de difusores.

Figura 5.19 Diferentes arreglos de difusores "modelo de flujo"

Figura 5.20 Arreglo típico de difusores

Sopladores Un soplador es un mecanismo de una o varias etapas diseñado para producir grandes volúmenes de aire o gas a una presión cercana a la atmosférica. Un compresor se clasifica como un mecanismo diseñado para producir pequeños volúmenes de aire a altas presiones. Ambas máquinas realizan la misma función; la aplicación y rangos de presión son la diferencia entre soplador y compresor.

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Los sopladores son la mayor fuente de consumo de energía en plantas de Iodos activados. Cualquier intento por minimizar el consumo de energía incide directamente en los costos directos de la planta. La adecuada operación de un soplador y el sistema de aeración pueden llevar a altas eficiencias en el uso de los equipos. Existen dos tipos de sopladores comúnmente utilizados en plantas de tratamiento, los de desplazamiento positivo y los dinámicos. Los de desplazamiento positivo funcionan comprimiendo un volumen fijo de aire (gas) y encerrándolo para elevar la presión. Los dinámicos funcionan con impulsores que imparten velocidad y presión continua al aire (gas). Las figuras 5.21 a 5.23 muestran diferentes sistemas y sopladores. Figura 5.21 Sistema de sopladores y difusores

Figura 5.22 Típico sistema de aeración por difusión

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El operador debe aplicar algún método para regular la capacidad del soplador. Estos métodos son: 1. Control de la válvula de alivio o by ; este método no ahorra energía y es para pequeñas instalaciones. 2. Control de válvula de entrada de aire; este método es para sopladores dinámicos; es el método más eficiente y económico para regular la capacidad del soplador. No debe usarse en sopladores de desplazamiento positivo porque si se cierra la válvula de entrada, el mecanismo se daña al trabajar en seco. Este simple método de control consiste en colocar una válvula mariposa a la entrada del soplador, reduciendo hasta un 45% la capacidad de operación normal.

Figura 5.23 Sistema de sopladores y difusores con filtro de aire exterior

3. Difusores ajustables en la descarga de compresores radiales con impulsores, pueden dar cierta capacidad de regulación sin reducir la presión de descarga. Este mecanismo también da un 45% de reducción de la capacidad nominal del soplador. 4. El uso de motores de velocidad variable es un método eficiente de regulación para sopladores de desplazamiento positivo. Un pequeño cambio de velocidad de rotación puede producir un cambio relativamente grande en la presión de descarga del soplador. Debido a que operan en un pequeño rango de presiones, el uso de motores de velocidad variable no es económico. 5. En plantas pequeñas de aguas residuales, un solo soplador en funciones y otro en espera son suficientes. En plantas grandes es común encontrar una serie de sopladores funcionando a la vez, con uno de reserva. El control de sopladores en serie requiere un análisis de funcionamiento de acuerdo con las curvas características del sistema.

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AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 5 Instrucciones: a continuación se presentan varias preguntas que pretenden reforzar los conocimientos adquiridos, por favor conteste de manera breve. 1. ¿Cuál es la función de los sedimentadores? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. ¿Cómo se clasifican los sedimentadotes? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. ¿Cuál es la operación más importante de los sedimentadores? y ¿por qué? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. ¿Por qué son importantes los sistemas de aereación en las plantas de lodos activados? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. ¿En qué consiste el mantenimiento preventivo periódico de aeradores mecánicos? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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6. ¿Como se define la aereación por difusión? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7. ¿Cuáles son los difusores que han mostrado alta eficiencia de transferencia de oxígeno? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 8. En una planta de lodos activados ¿qué equipo es el que consume mayor energía? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 9. Escriba como funcionan los sopladores de desplazamiento positivo _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 10. ¿Cuántos sopladores se requieren en plantas pequeñas de aguas residuales? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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FUNDAMENTOS Y CONTROL DE LA OPERACIÓN AUTOR: Luciano Sandoval Yoval

Objetivos particulares: Al término del tema, el participante: • Comprenderá los métodos que se deben utilizar para un adecuado monitoreo del proceso biológico de tratamiento. • Comprenderá las diferentes técnicas que le permitan un adecuado control del proceso de tratamiento.

El estudio realizado por la CNA sobre el inventario de plantas de tratamiento arroja datos significativos: más del 50 % de las plantas inventariadas no operan o requieren rehabilitación, y del 50 % que están en operación seguramente un alto porcentaje se encuentra en malas condiciones de operación y mantenimiento, por lo que no cumplen con los parámetros fijados por las autoridades para sus efluentes. De aquí se ve la necesidad contar con programas de mantenimiento y operadores bien capacitados para mejorar la eficiencia de las plantas. Una planta de aguas residuales es tan eficiente como lo son sus operadores. La eficiencia de una planta de tratamiento de aguas residuales es tan buena como hábil es su personal de operación, pero para que esto sea totalmente válido se requieren apoyos de otras áreas, principalmente recursos económicos.

6.1 Monitoreo del proceso Para conocer realmente el proceso, su problemática y soluciones, es necesario que la planta sea monitoreada adecuadamente. El monitoreo del proceso representa la diferencia entre una planta por donde solo corre el agua, y otra en donde se trata el agua. Cualquiera puede abrir o cerrar una válvula, arrancar o parar una bomba, pero solo un operador capacitado sabrá CUANDO abrir o cerrar una válvula o CUANDO arrancar o parar una bomba, y CUANDO y CUANTO se debe recircular y purgar. Es necesario monitorear adecuadamente cualquier proceso biológico de tratamiento; el de Iodos activados requiere también del monitoreo continuo para conocer las posibles causas de un mal funcionamiento de la planta, para determinar los parámetros de operación y conocer las eficiencias del proceso o de cada unidad que lo compone. Se presentan a continuación dos métodos de monitoreo: el visual y el analítico; ambos son usados para operar con mayor eficacia una planta de tratamiento de Iodos activados.

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Indicadores visuales Un operador puede usar indicadores y visuales para conocer las condiciones de funcionamiento de su planta de tratamiento y proceder a su adecuada operación. Los indicadores visuales más comunes en sistemas de lodos activados son (tabla 6.1): Tabla 6.1 Indicadores visuales • • • • • •

INDICADORES VISUALES Color • Burbujeos Olor • Material flotante Espumas • Acumulación de sólidos Algas • Trayectoria de flujos Rocío en aeradores • Turbulencias Claridad del efluente • Tacto

Color El color puede ser indicativo de un lodo viejo o de uno saludable; un lodo activado aerado en buenas condiciones presenta un color café achocolatado. Un Iodo oscuro o negro podrá indicar que no se transfiere el suficiente oxígeno al tanque de aeración y que el lodo es anaerobio. Un color poco usual que se observe en el tanque de aeración puede indicar alguna sustancia extraña descargada en el sistema de alcantarillado (por ejemplo, colorantes de la industria textil o sangre de un rastro).

Olor El licor mezclado tiene un olor característico como a humedad. El olor puede indicar si la planta está trabajando bien; una planta bien operada no debe generar olores objetables. Una muestra de Iodos activados saludables del tanque de aeración tiene un ligero olor; si el Iodo se vuelve séptico, su color cambia a oscuro y el olor irá aumentando hasta ser similar al del huevo podrido (ácido sulfhídrico gaseoso).

Espuma La espuma indica que los niveles de sólidos no son adecuados, o bien que el Iodo no tiene la edad requerida. La espuma también es indicio de las condiciones de operación de la planta. La formación de espuma blanca en el efluente de la planta indica alta concentración de sólidos, y la formación de grandes cantidades de espuma en el tanque de aeración, signo de que el Iodo activado es demasiado joven, y que se debe disminuir la purga de Iodos; por el contrario, la formación de espuma espesa y oscura indica un lodo viejo, por lo que la purga debe aumentarse. La presencia de espuma puede deberse en algunas ocasiones a sustancias químicas descargadas al alcantarillado.

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Algas El crecimiento de algas puede indicar altos niveles de nutrientes. El excesivo crecimiento de algas en las paredes de los tanques o en las canaletas recolectoras significa que el influente a la planta tiene altos niveles de nutrientes. Las algas necesitan nitrógeno y fósforo para crecer y algunas formas de algas tienen la habilidad de tomar el nitrógeno de la atmósfera; esto quiere decir que aun con poco nitrógeno y alto contenido de fósforo se pueden presentar problemas de algas. Si se agrega ácido fosfórico como fuente de nutrientes, esta fuente debe reducirse o cancelarse.

Rocío en aeradores Los aeradores mecánicos fijos o flotantes deben sumergirse a una profundidad adecuada; si existe poco rocío del aerador, significa que el nivel de sumergencia no es adecuado; bajas concentraciones de oxígeno disuelto en el tanque pueden deberse a esta misma causa.

Turbiedad del efluente Un efluente turbio es obviamente un indicador de problemas operacionales. Altas concentraciones de sólidos suspendidos en el efluente del sedimentador secundario es una indicación obvia del mal funcionamiento de la planta. Sin embargo, este problema, a menudo es observado solamente hasta que se tienen resultados analíticos del efluente. Si el acarreo de sólidos se presenta solamente en una sección de la canaleta, es probable que se tengan cortocircuitos en el sedimentador o que los vertedores estén desnivelados. Si el acarreo ocurre a lo largo de toda la canaleta (y vertedores), es indicativo de que el lodo tiene propiedades de sedimentación muy pobres; este problema se discute a fondo en otra sección del curso.

Burbujeo El burbujeo del sedimentador indica que el manto de Iodos es demasiado profundo. Las burbujas en el sedimentador secundario denotan que el Iodo está siendo retenido durante mucho tiempo y que se debe incrementar la recirculación. Si el manto de Iodos es demasiado profundo, el lodo en las capas más profundas se convertirá en anaerobio (séptico) y producirá ácido sulfhídrico, metano y dióxido de carbono, que al desprenderse como gas formará burbujas. Este fenómeno causa problemas operacionales, pues al desprenderse las burbujas se arrastran sólidos a la superficie.

Material flotante Excesivas cantidades de espuma indican niveles altos de grasas y aceites y/o sobreaeración.

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El material flotante o capa de Iodos del sedimentador secundario es indicador de altas concentraciones de grasas y aceites en el influente a la planta; esto interfiere con la sedimentación secundaria y puede causar bajas eficiencias de remoción de DBO5. Una capa de nata en el sedimentador significará que se está inyectando demasiado aire y que las burbujas formadas arrastran los flóculos fuera del sedimentador. El oxígeno disuelto en el tanque de aeración debe revisarse continuamente para mantenerlo entre 1 y 2 mg/L.

Acumulación de sólidos La acumulación de sólidos indica un mezclado ineficiente. La acumulación de sólidos, sobre todo en las esquinas en zonas intermedias entre aeradores o zonas profundas, indican un mezclado ineficiente del licor mezclado del tanque de aeración. Este problema puede identificarse muestreando el tanque con equipo para pruebas de fondo, o con un palo para sentir los depósitos de Iodo. Los montículos de Iodos depositados pueden ser causados también por la operación ineficiente de las cámaras desarenadoras, o de los sedimentadores primarios, lo que permite que la arena llegue hasta el aerador. La colocación adecuada de mamparas, en ocasiones resuelven el problema de mezcla pobre. La acumulación de sólidos es indeseable porque reduce el volumen efectivo del aerador; por tanto, afecta la eficiencia del proceso. Los montículos de Iodos dan como resultado zonas de actividad anaerobia que se traducirán en problemas de sedimentación y olor.

Trayectoria de flujos La observación de la trayectoria del flujo puede ser utilizada para detectar cortocircuitos. Los cortocircuitos en tanques es otro problema que algunas veces se detecta visualmente. Un cortocircuito es cuando el influente pasa al tanque directamente de la estructura de entrada a la estructura de salida; esto lleva a la reducción de tiempos de retención por debajo de los de diseño, o sea una pobre operación. Algunos cortocircuitos se detectan al observar como se mueve la espuma del aerador, los sólidos suspendidos o el material flotante. La colocación de mamparas, a menudo elimina este problema.

Turbulencia Zonas de baja turbulencia pueden deberse a difusores obstruidos. La turbulencia en el tanque de aeración puede usarse para identificar problemas; un tanque completamente mezclado debe presentar una turbulencia homogénea. Turbulencias heterogéneas (no uniformes) pueden ser causadas por difusores obstruidos, colocación desigual de aeradores superficiales, o insuficiente aeración de algún equipo. Las zonas de baja turbulencia indican el lugar preciso de difusores obstruidos.

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Tacto El tacto puede usarse para verificar equipo en operación. EI tacto es una importante herramienta para monitoreo de equipos en funcionamiento; si los motores de las bombas, sopladores o algún otro motor de los equipos el proceso se sienten más calientes de lo normal, se deben verificar para evitar un daño y costo mayor. La excesiva vibración en bombas y tuberías pueden ser una señal de advertencia de un mal funcionamiento de los equipos; se debe identificar la causa de la vibración para corregirla y evitar problemas futuros. A continuación se presenta un formato guía (tabla 6.2) que puede ser utilizado para realizar una evaluación rápida en planta de los indicadores visuales antes descritos. Tabla 6.2 Evaluación de indicadores visuales Café

Negro

Verde

Otro

Humedad

Ligero

Séptico

Otro

Entrada

Tan. Aeración

Sedimentador

Salida

Entrada

Tan. Aeración

Sedimentador

Salida

COLOR Observaciones OLOR Observaciones ESPUMA Observaciones ALGAS Observaciones Verificar nivel de aeradores ROCÍO Observaciones Sedimentador

Verificar salida de los vertedores

TURBIEDAD Observaciones Sed. Primario

Sed. Secundario

Sed. Primario

Tan. Aeración

Otro

BURBUJAS Observaciones Sed. Secundario

Otro

MAT. FLOTANTE Observaciones ACUMULACIÓN DE SÓLIDOS

Verificar las esquinas de los tanques de aereación

Observaciones

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CORTOCIRCUITO

Observar trayectoria de las corrientes y/o material flotante

Observaciones TURBULENCIA Homogénea Observaciones EQUIPOS Bomba B1 Bomba B2 Bomba B3 Soplador S1 Soplador S2 Compresor C1 Compresor C2 Observaciones

Tanque de aeración Heterogénea: Ubicar zonas

Temperatura

Movimiento

Otro

Fugas

Otro

Indicadores analíticos Los indicadores analíticos son la principal herramienta del personal de operación para monitorear el funcionamiento de su planta de tratamiento. Los resultados analíticos se usan no solo para conocer las eficiencias del proceso, sino también para resolver problemas de operación mediante el cálculo de parámetros que sirven como base para el funcionamiento adecuado del sistema. La figura 6.1 y la tabla 6.3 indican puntos recomendados para el muestreo, parámetros y valores esperados. 1

2

INFLUENTE

2

3

2

5 4

2

EFLUENTE

2

4a 4a

RECIRCULACIÓN

PURGA

Figura 6.1 Puntos recomendados para muestreo

Tabla 6.3 Parámetros, puntos de muestreo recomendados y valores esperados, para la evaluación del proceso PARÁMETRO DBO5 influente DBO5 efluente DQO influente DQO efluente Oxígeno disuelto SSLM SLBM SS influente 158

PUNTO DE MUESTREO 1 5 1 5 2 2, 3 2, 3 1

VALOR ESPERADO 1 – 300 mg/L 5 – 30 mg/L 3 – 900 mg/L 15 – 90 mg/L 1.5 – 4 mg/L Variable 70 – 80% SSLM Variable

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PARÁMETRO SS efluente SS recirculación y purga DBO5/DQO pH Sedimentabilidad Manto de lodos

PUNTO DE MUESTREO 5 4ª 1 2, 5 3 4

VALOR ESPERADO 5 – 30 mg/L Variable ± 0.5 6.5 – 8.5 Graficar 0.3 – 1.0 m

Los indicadores analíticos de mayor importancia en la operación de plantas de Iodos activados son: • • • • • • • • • • • • • • • • •

Oxígeno disuelto (OD) Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) Demanda química de oxígeno (DQO) Prueba de utilización de oxígeno Sólidos suspendidos totales y volátiles (SST y SSV) Prueba de sedimentabilidad de 30 minutos (IVL) Nutriente (nitrógeno y fósforo) pH Grasas y aceites Temperatura Análisis microscópicos Profundidad del manto de lodos Acidez y alcalinidad Gastos Tiempos de retención Dosificación de químicos Niveles y alturas en tanques

Las técnicas para toma de muestras de agua, requerimientos de materiales y equipos, así como los reactivos y condiciones de preservación se presentan en el Anexo 1. Técnicas de muestreo. A continuación se describe la importancia de cada uno de los indicadores analíticos.

Oxígeno disuelto (OD) Una caída brusca del OD indica que una carga orgánica alta ingresó al sistema. Los niveles de oxígeno disuelto en el tanque de aereación son muy importantes para la operación; si el oxígeno disuelto es muy bajo, se inhibirá la actividad microbiana y la remoción de DBO5 disminuirá. Concentraciones de altas OD pueden afectar negativamente la sedimentación secundaria y se estará desperdiciando la energía. Un incremento del OD puede deberse a problemas de toxicidad aguda o crónica; se pensará en la primera si el incremento es rápido, y en la segunda si es lento. Se recomienda tener oxígeno disuelto residual de 1 a 2 mg/L en el aerador. Con lo cual se asegura un poco más del oxígeno que están utilizando las bacterias; el OD residual servirá para satisfacer las variaciones normales de la demanda de oxígeno. 159

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DBO5 Un efluente con altas concentraciones de DBO5 indica problemas operativos. Otro factor importante como indicador del proceso es la concentración de DBO5, sobre todo en el influente al tanque de aeración y el efluente del sedimentador secundario. La DBO5 proporciona al operador la información relativa al funcionamiento de la planta, como es la eficiencia de remoción de DBO5 también se obtiene la información de carga orgánica (alimento), altas remociones de DBO5 indican que la planta funciona bien; bajas remociones denotan que existen problemas en la planta. Se requieren registros diarios de DBO5 para calcular parámetros de operación, siendo el más importante la relación alimento-microorganismos (A/M). Otro uso de este indicador es para calcular la cantidad de nutrientes en caso de requerirse en el proceso.

DQO La demanda química de oxígeno puede usarse para estimar la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). La DQO es una herramienta que cada vez tiene mayor uso, pues el análisis de laboratorio para su determinación es mucho más rápido que el de la DBO5. En aproximadamente 4 a 5 horas se puede realizar, mientras que la DBO5 requiere cinco días. La espera de resultados por más de cinco días por la DBO5 ha promovido el uso de la relación DQO/DBO; esta relación puede obtenerse monitoreando de manera sistemática los dos parámetros durante un largo periodo para llegar a establecer de manera bastante aproximada dicha relación. Una vez que se tiene esta relación, determinando el DQO se infiere el valor de la otra, ahorrándose el tiempo de espera de resultados. Principalmente por esta razón, la DQO es un importante indicador analítico en plantas de Iodos activados, además de ser un índice de descargas industriales. A continuación se presenta un ejemplo (tabla 6.4) con resultados correspondientes al año 2003 de una planta de lodos activados. 160

Tabla 6.4 Ejemplos DQO y DBO Fecha 11/02/2003 25/02/2003 11/03/2003 25/03/2003 08/04/2003 22/04/2003 07/05/2003 20/05/2003 11/06/2003 09/07/2003 19/08/2003 02/09/2003 17/09/2003 29/09/2003 30/09/2003 14/10/2003 23/10/2003 29/10/2003 14/12/2003 28/12/2003

DQO (mg/L) 143 118 126 380 250 181 67 150 106 231 168 67 113 125 187 109 68 228 200 215

DBO5 (mg/L) 102 91 97 260 134 125 51 116 81 180 132 48 84 89 142 78 52 176 152 165

DQO/DBO 1.40 1.30 1.30 1.46 1.87 1.45 1.31 1.29 1.31 1.28 1.27 1.40 1.35 1.40 1.32 1.39 1.31 1.30 1.32 1.30

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De los datos anteriores se puede establecer que en época de lluvias la relación DQO/DBO desminuye a valores de 1.27 y que en época de estiaje aumenta hasta 1.87. Sin embargo, en la mayoría de los casos la relación esta comprendida entre 1.30 a 1.35, siendo el promedio de 1.34 si se discrimina el valor mas alto obtenido. Este valor puede ser utilizado para estimar la DBO5 del sistema.

Prueba de consumo de OD Esta prueba indica el nivel de actividad de los microorganismos. Una prueba simple, pero valiosa para monitorear el estado de la planta es la prueba de utilización de oxígeno. Su determinación es fácil y rápida, y permite al operador conocer la actividad microbiana en el aerador, midiendo la velocidad de utilización del oxígeno por los microorganismos, con un oxímetro y comparando los resultados con lecturas normales en su planta de tratamiento. El operador puede determinar si los microorganismos tienen mayor actividad de lo normal o si están inhibidos. La gráfica de la figura 6.2 muestra el comportamiento de este indicador. 12

O.D. EN mg/l

10 8 6 4 2 0

0

5

10

15

20

25

TIEMPO EN MINUTOS

Figura 6.2 Gráfica de utilización de oxígeno

SS y SSV Los sólidos suspendidos y sólidos suspendidos volátiles son indicadores del proceso, por lo que se han utilizado tradicionalmente como parámetros de control. Los datos que se requieren de sólidos suspendidos en la planta se obtienen de las diferentes operaciones unitarias para hacer ajustes en cada una de ellas, y evaluar el funcionamiento de la planta continuamente. Los SSVLM indican la cantidad aproximada de microorganismos en el tanque de aeración. 161

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Los valores encontrados de los sólidos suspendidos totales y volátiles se usan para calcular los parámetros de control del proceso, tales como la relación alimentomicroorganismos (A/M) y el tiempo medio de retención celular (TMRC), el cual a su vez es usado para calcular los niveles requeridos de SSVLM, gasto de recirculación de Iodos y gasto del exceso de Iodos. Para controlar el proceso de Iodos activados se deben hacer ajustes periódicos a la recirculación y a la purga de Iodos; esto se basa en el contenido de SS y SSV en el sistema de tratamiento.

Prueba de sedimentabilidad de 30 minutos Para que el proceso de lodos activados funcione adecuadamente, los sólidos suspendidos volátiles en el licor mezclado (SSVLM) del efluente del reactor deben separarse rápidamente en el clarificador secundario. Las características de sedimentación de los lodos se evalúan en pruebas de laboratorio. Índice volumétrico de lodos (IVL). Este se define como el volumen en mililitros ocupado por 1 gramo de sólidos en suspensión del licor mezclado (SSLM), expresado en peso seco, después de sedimentar durante 30 min en una probeta graduada de 1000 ml. La figura 6.3 es una curva ideal de sedimentabilidad. Como ejemplo, la concentración de sólidos suspendidos en una muestra son de 2000 mg/L (2 g/L). Después de 30 min, la altura de la interfase del lodo corresponde a 250 ml. Ya que hay 2 g de lodo en la probeta, el volumen ocupado por un gramo después de 30 minutos es: IVL = 250 ml / 2 g = 125 ml / g Los valores típicos de IVL para lodos de buenas características de sedimentación con concentraciones de 800 a 3500 mg/L están comprendidos dentro del intervalo 150 a 35.

800

80

600

60

400

40

200

20

VOLUMEN DE LODOS SEDIMENTADOS EN ml

100

0 0

10

20

30

40

50

TIEMPO EN MINUTOS

Figura 6.3 Curva de sedimentación 162

60

70

0

VOLUMEN DE LODOS %

1000

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Nutrientes Los microorganismos requieren N y P, así como diversos nutrientes para su desarrollo. Los niveles de N y P deben ser monitoreados en el efluente del clarificador para saber si están presentes y si se cumple con las condiciones de descarga de estos parámetros. La deficiencia de nitrógeno es particularmente indeseable, porque causa la formación de flóculos dispersos o filamentosos, que difícilmente sedimentarán. Es necesario determinar estos parámetros en muestras filtradas para que no se contabilicen los sólidos biológicos presentes en la muestra. Si los sólidos biológicos no se retienen; el N y P de las células de los microorganismos se sumarán al N y P disponible como alimento. Como regla general se sabe que a 100 kg de DBO5 le corresponden 5 kg de N, y 1 kg de P para que exista una buena relación de nutrientes.

pH Se debe mantener al pH entre 6.5 y 8.5 para asegurar la actividad microbiana en el tanque de aeración. El pH del influente a la planta y del tanque de aeración se registrará diariamente para conocer si se reciben ocasionalmente descargas que se salgan de los valores mencionados, y realizar las acciones de control necesarias.

Grasas y aceites Las grasas y aceites afectan negativamente la transferencia de alimento en los microorganismos, así como la sedimentación de sólidos. Este parámetro debe monitorearse tanto en aguas residuales municipales como en industriales, sobre todo cuando se conoce su existencia. Las grasas y aceites interfieren en la transferencia de materia orgánica soluble a través de la pared celular de los microorganismos. Cantidades excesivas de grasas y aceites empujarán los flóculos a la superficie en los clarificadores.

Temperatura La temperatura afecta la actividad microbiana en los sistemas de tratamiento biológico; este factor es muy sensible. La velocidad de reacción enzimática se duplica cada 10 °C (aproximadamente); arriba de 35 °C, las enzimas son destruidas dando como resultado final una baja en la eficiencia del proceso.

Observaciones microscópicas Las observaciones microscópicas son otra herramienta importante para la operación de la planta y para el monitoreo del sistema. Las observaciones microscópicas se realizan para asegurarse de la existencia de diversidad biológica y del nivel de actividad microbiana. 163

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

En general, los flóculos biológicos de pequeños a medianos y sin crecimiento disperso indican un funcionamiento adecuado del sistema de Iodos activados. La presencia de bacterias filamentosas y hongos indican condiciones ambientales desfavorables para los microorganismos: tales como, altas cargas orgánicas, pH bajo, cantidades deficientes de nutrientes, falta de OD, etc. Los microorganismos superiores son más sensibles que las bacterias a estas condiciones adversas; la presencia de materiales tóxicos o falta de oxígeno llevan a la muerte a estos microorganismos, lo que es usado como señal de alarma cuando no son encontrados en las observaciones microscópicas. El flóculo debe mostrar una gran variedad de protozoarios. La presencia de demasiados microorganismos flagelados indican un lodo joven. Si el flóculo es pequeño y con gran número de rotíferos, el lodo es viejo. Es deseable tener una gran variedad de microorganismos. La presencia variada de microorganismos en número y tipos de protozoarios indican un proceso balanceado. En muchos casos, el balance de microorganismos en el sistema indica problemas en el proceso mucho antes de que sean severos.

Profundidad del manto de lodos Es recomendable tener un manto de Iodos de 1 m. La altura del manto de lados del sedimentador debe medirse diariamente; un manto de Iodos muy grande hará trabajar deficientemente al clarificador e indica que los Iodos no han sido extraídos para la recirculación o purgados, y que se están acumulando más rápido de lo que son extraídos. Un manto de Iodos pequeño provocará una sedimentación deficiente, quizá originado por un flóculo disperso o por la extracción excesiva del lodo del sedimentador. Es deseable tener un manto de Iodos concentrado en el fondo del sedimentador para reducir el volumen líquido que debe ser extraído para recirculación o purga.

Acidez y alcalinidad Acidez/alcalinidad, capacidad amortiguadora de las aguas residuales. Los análisis de acidez y alcalinidad dan la información necesaria para determinar la capacidad amortiguadora del agua cruda y del agua tratada de la planta de tratamiento. Esto puede ser importante, ya que uno de los subproductos de la degradación biológica de la materia orgánica es el dióxido de carbono (CO2 que puede formar ácido carbónico (H2CO3) cuando se mezcla con el agua, y puede bajar el pH, si las aguas residuales no tienen la suficiente alcalinidad para amortiguar la formación del ácido. La información de estos parámetros es importante si la planta recibe descargas industriales que tengan alto o bajo pH y que tal vez requiera neutralización. Con base en estos parámetros se calculan los productos químicos para la neutralización. La figura 6.4 muestra la relación del pH con procesos biológicos.

164

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

0

pH

5 DIGESTIÓN ACIDA

ACIDO

6

ALCALINO

7

DIGESTOR ANAEROBIO FILTRO ROCIADOR Y LODOS ACTIVADOS

8

9

10 ESTABILIZACIÓN CON CAL

14

Figura 6.4 Escala de pH y procesos biológicos

Gastos Se requieren datos precisos del gasto. Es obvio que se requiera monitorear el gasto influente y efluente de la planta. Los gastos se necesitan para calcular cargas orgánicas, balance de sólidos, cálculo de parámetros de control como, A/M y TMRC, tiempos de retención, ajuste de recirculación purga y dosificación de nutrientes. Se requieren datos suficientes para el adecuado control de la planta de tratamiento, de ser posible un equipo medidor de gasto continuo. La figura 6.5 muestra variaciones típicas diarias de gasto y carga.

165

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

MILES

500

30

400

20 300 GASTO DE INFILTRACIÓN

DBO

200 10

GASTO EN m3/día

DBO EN mg/l

GASTO

100

0 0

400

800

1200

1600

2000

0 2400

TIEMPO EN HORAS

Figura 6.5 Variaciones típicas de gasto y carga en plantas pequeñas y medianas

Tiempo de retención Los microorganismos necesitan tiempo para la digestión. Los tiempos de retención adecuados al tipo de proceso son muy importantes en sistemas biológicos de tratamiento y pueden verificarse periódicamente. Las bacterias necesitan ciertos tiempos de retención en el tanque de aeración para asimilar y digerir la materia orgánica del agua residual. Tiempos de retención demasiado grandes pueden llevar a problemas de sedimentación; tiempos muy cortos conducirán a bajas eficiencias de remoción de DBO5; el sedimentador secundario también requiere cierto tiempo de retención, pero si es demasiado corto, el flóculo biológico no tendrá tiempo de sedimentar, y la concentración de SS en el efluente será muy grande. Si los Iodos permanecen en el tanque mucho tiempo, se vuelven sépticos; bajo condiciones anaerobias se pueden tener problemas de desnitrificación. El cálculo del tiempo de retención en las unidades de proceso es particularmente importante cuando se alcanza o sobrepasa el gasto máximo de diseño.

Dosificación de productos químicos En caso de usar productos químicos en el proceso (caso poco común), se requiere mantener almacenada una cantidad suficiente para no parar la planta.

Niveles y alturas de tanques Se deben verificar periódicamente las fluctuaciones del nivel o profundidad de los tanques para algunas consideraciones en la operación.

166

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

6.2 Control del proceso La función principal del operador de plantas de tratamiento de aguas residuales es el monitoreo y control de su proceso de tratamiento, de tal manera que la producción de agua tratada tenga consistentemente la calidad que se espera de ella (alta calidad de acuerdo con el tipo de instalaciones), para cumplir con las condiciones particulares de descarga fijadas por las autoridades correspondientes. Existen diversas técnicas para que el operador controle su planta, y obtenga el funcionamiento óptimo de su sistema de Iodos activados. Para tal efecto, en la figura 6.6 se ilustra de manera esquemática el proceso de lodos activados, en el cual a su vez se identifican las principales corrientes y una nomenclatura que será utilizada para el cálculo de los indicadores analíticos.

Qi Si SSVi

Qo So SSVo

Tanque de aeración

Qe Se SSVLM

Qf Se SSVf

Sedimentador SSVLM

Ql Se SSVl

Qr Se SSVl

Qp Se SSVp

Figura 6.6 Esquema del proceso de lodos activados

Índice volumétrico de lodos (IVL) El resultado de la prueba de sedimentabilidad sirve para calcular el índice volumétrico de lodos; su uso es directo en la siguiente expresión.

IVL =

Volumen de lodos sedimentados × 1000 Concentración de SSLM

Donde el volumen de lodos sedimentados se determina en la probeta de 1 L después de 30 min, las unidades son ml/L. La figura 6.7 muestra las relaciones de operaciones entre el índice volumétrico de lodos y otros factores.

167

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS 6000 IVL=50 IVL=100

CONCENTRACIÓN SSLM ( mg/l)

5000

MÁXIMO SUGERIDO IVL=150

4000 IVL=200 3000

RANGO COMÚN DE OPERACIÓN

2000

IVL=400

1000

0 0

1

2

3

RECIRCULACIÓN

Figura 6.7 Rangos de operación del IVL, relación de recirculación y SSLM

Cargas: orgánica y de sólidos suspendidos El operador debe conocer cuánta materia orgánica degradan los microorganismos. Para controlar de manera efectiva el proceso de su planta de tratamiento, el operador necesita conocer las cargas de contaminantes. Los dos parámetros de mayor importancia que se deben cuantificar para aguas residuales municipales son la DBO5 y los SS; para el tratamiento de aguas residuales de otro tipo, tal vez se requiera otro parámetro. La carga de DBO5 (So) es particularmente importante, pues con este parámetro se calcula la cantidad de alimento que entra al sistema y que será asimilado por los microorganismos en el tanque de aeración. Ecuación: Carga = gasto x concentración Carga orgánica = QxSo

Relación alimento/microorganismos (A/M) Para formar un buen lodo en el tanque de aeración y que éste sedimente bien en el clarificador, además de lograr una buena eficiencia de remoción de DBO5, se debe mantener un balance adecuado de la cantidad de DBO5 (alimento) que entra al tanque y la cantidad de microorganismos (SSLVM) presentes en el licor mezclado del mismo. Este balance se controla con el parámetro denominado relación A/M (alimento/microorganismos). La relación varía de acuerdo con el proceso de tratamiento o modificación al mismo. La relación A/M se calcula de la siguiente manera: 168

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

A/M =

Alimento que entra al sistema por día Masa de microorganismos en el tanque de aeración

A/M =

Kg de DBO5 influentes al tanque de aeración por día Kg de SSVLM (en el tanque de aeración)

Cuando se usan la relación A/M como parámetro del control en una planta de tratamiento, se tiene el inconveniente de que la A (alimento), no se puede controlar, sobre todo en aguas residuales municipales; en algunas industrias se puede tener cierto grado de control con un tanque de homogenización, o controlando alguna descarga del proceso productivo de la industria. El parámetro M (microorganismos) es la parte controlable de la relación A/M; éste representa sólidos suspendidos volátiles en el tanque de aeración que se controla mediante la recirculación y purga de lodos activados. Cuando el parámetro es utilizado como control de la planta, es responsabilidad del operador controlar la concentración de SSVLM; en otras palabras, el operador debe controlar la cantidad de microorganismos de acuerdo con el alimento disponible. Si la relación A/M es demasiado alta, hay necesidad de disminuir la purga de lodos (y aumentar la recirculación para que entren más microorganismos al sistema. Si la relación A/M es muy baja, entonces se requiere aumentar la purga de lodos (para que disminuya la recirculación) y entren menos microorganismos al sistema, algunos valores típicos de A/M de acuerdo con el tipo de proceso se puede observar en la tabla 6.5. En ella se incluyen otros parámetros para lodos activados. Las figuras 6.8 y 6.9 muestran las relaciones con otros parámetros de control. Los parámetros para el cálculo deben obtenerse de la planta, la DBO5 del influente al tanque de aeración y los SSVLM del tanque de aeración para tener un valor más preciso y real de A/M. Tabla 6.5 Parámetros en plantas de lodos activados MODIFICACIÓN AL PROCESO Convencional Aeración reducida Aeración escalonada Estabilización-o Aeración extendida Oxígeno puro

TIEMPO MEDIO DE RETENCIÓN CELULAR 5 - 15 5 - 15 5 - 15 5 - 15 20 - 30 8 - 20

A/M

SSLM mg/L

0.2 - 0.4 1500 - 3000 0.2 - 0.4 1500 - 3000 0.2 - 0.4 2000 - 3500 0.2 - 0.6 4000 - 10 000 0.05 - 0.15 3000 - 6000 0.25 - 1.0 3000 - 8000

TIEMPO DE RETENCIÓN RECIRCULACIÓN HIDRÁULICA, % EN HORAS 4-8 25 - 50 4-8 25 - 50 3-5 25 - 75 3-6 25 - 100 18 - 36 75 - 150 1-3 25 - 50

169

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

MICROORGANISMOS (M)

CONCENTRACIÓN

SUSTRATO (F)

TIEMPO ALTA F/M

BAJA F/M

Figura 6.8 Relación A/M, crecimiento biológico y remoción de sustrato

CONCENTRACIÓN DE SSLM EN g/l

5 1.0

0.8

4

0.6

0.4 3

0.2

2 0.1 1

0 0

5

10

15

20

EDAD DE LODOS EN DÍAS Figura 6.9 Relación A/M, edad de lodos y SSLM

Con objeto de conseguir correlaciones de las características de sedimentación de un lodo, se trabaja con una serie de reactores en continuo a escala semipiloto teniendo en cada uno de ellos una relación diferente de A/M. El lodo obtenido en cada reactor se somete a prueba de decantación (VSZ e IVL). Estos parámetros son una medida de la capacidad del lodo para sedimentar, se representan en función de las relaciones A/M correspondientes, se obtienen curvas similares a las de la figura 6.10.

170

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Flóculo disperso

Lodo floculante

Decantación pobre

Intervalo óptimo de decantación

Lodo Inflado

Decantación pobre

IVL

VSZ

0.2

0.4

0.6 A/M

0.8

1.0

Figura 6.10 Correlación típica entre IVL, VSZ y A/M

Ya que para que un lodo tenga unas condiciones de sedimentación óptimas debe presentar una VSZ elevada, un IVL bajo y la mejor relación A/M, tal como se indica en la figura 6.9, corresponde al máximo de la curva VSZ y al mínimo de la curva IVL. En la mayoría de las aguas residuales este valor óptimo de la relación A/M se encuentra comprendido dentro de los siguientes límites.

0.6 > A / M > 0.2 A continuación se desarrolla una explicación de la correlación A/M y las características de sedimentación del lodo. 1. Para relaciones A/N bajas (<0.2 /d), la cantidad de alimento presente en el sistema es insuficiente para mantener el crecimiento de microorganismos, por lo que se ven obligados a vivir bajo el sistema de resoiración endógena. Una célula de bacteria típica contiene un material citoplasmático rico en proteínas y ácido ribonucleico y es la principal porción de la célula que se mataboliza durante el proceso de respiración endógena. El residuo que queda del metabolismo endógeno está constituido principalmente por cápsulas celulares muy ligeras que resisten la sedimentación. Esta es la razón por la cual a relaciones bajas de A/M el lodo tiene unas características muy pobres para su decantación. 2. A relaciones de A/M elevadas (<0.6 /d) hay un predominio de un tipo de microorganismos de naturaleza filamentosa (Sphaerotilus). Este tipo de colonias no decanta bien permaneciendo en suspensión casi continuamente. El lodo inflado bajo estas condiciones es el que se denomina “bulking”.

171

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

3. A valores de la relación A/M comprendidos entre estos dos extremos, el lodo tiene buenas características de sedimentación. El lodo bajo estas condiciones se denomina floculante.

Edad de lodos (tiempo medio de retención celular) Otro parámetro de control es el tiempo medio de retención celular (TMCR) o edad del lodo activado. Es un parámetro que se debe mantener en ciertos límites para que la operación de la planta sea eficiente. Los libros de texto definen de diferentes formas este concepto: en este curso se puede definir como:

TMRC =

Kg de SSVLM en el tanque de aeración ∆SSV (producción neta de biomasa Kg SSV por día)

La edad de los lodos es una medida del tiempo que los microorganismos son retenidos en el aerador. Este es un parámetro importante, ya que es el tiempo que los microorganismos disponen para degradar la materia orgánica y tiene un efecto significativo en la calidad del efluente. Hay que dar el tiempo necesario para que los microorganismos estén en o con los desechos para que se realice el tratamiento, si se da poco tiempo, el sistema biológico no podrá digerir toda la materia orgánica, resultando una baja eficiencia de remoción. Si se da demasiado tiempo, los microorganismos terminarán con todo el alimento disponible y empezarán a morir, originando una fracción alta de material biológico no activo, con lo que se perderán sólidos finos en el efluente. La edad de lodos (TMRC) afecta directamente a la sedimentación; un lodo joven puede generar un crecimiento biológico disperso caracterizado por sedimentación deficiente; un lodo viejo se caracteriza por baja actividad y densos flóculos que sedimentan rápidamente con poca acción de arrastre, resultando un efluente turbio. La edad de lodos se controla con la purga y recirculación de los lodos activados. La edad se mantiene controlando la purga del sistema. Como guía de operación, la edad de lodos disminuye cuando la purga aumenta y por el contrario aumenta cuando se disminuye la purga. La mejor edad de lodo para una planta en particular, debe seleccionarse de acuerdo con la experiencia en la operación y observación del proceso. La tabla 6.5 da edades de lodos típicos para varias modificaciones del proceso de lodos activados. Un factor necesario de considerar al seleccionar la edad de lodos, es que cuando se tiene una edad de lodos grande (mayor cantidad de SSVLM en el tanque de aeración), la planta soporta mayores schoks de cargas, pues habrá mayor número de microorganismos en el aerador. Las figuras 6.11 y 6.12 muestran el comportamiento de la edad con otros parámetros.

172

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Una vez que se han seleccionado los valores correctos de A/M y TMRC, se procede a programar la purga de lodos y mantener todos estos parámetros de control en los rangos deseables, sobre todo al arranque de la planta. 1000

900

VOLUMEN DE LODOS SEDIMENTADOS ml/l

800

700

600 DEMASIADO JOVEN (AUMENTAR LA RECIRCULACIÓN) 500

400

300

EDAD ADECUADA

200

100

0

DEMASIADO VIEJO (DISMINUIR LA RECIRCULACIÓN)

0

10

20 30 40 TIEMPO (MINUTOS)

50

60

Figura 6.11 Edad de los lodos en la curva de sedimentación

173

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

CONCENTRACIÓN

DBO CARBONACEA+NITROGENADA (Kg/d)

DBO CARBONACEA (Kg/d) MASA DE LODOS (mg/l)

EXCESO DE LODOS (Kg/d)

DBO SOLUBLE EFLUENTE (mg/l)

0 ALTA TASA

15 20 EDAD DE LODOS (DÍAS) AERACIÓN EXTENDIDA

5 10 CONVENCIONAL

Figura 6.12 Edad de lodos, procesos de lodos activados y otros parámetros

Control del gasto de recirculación Para mantener la profundidad requerida del manto de lodos en el sedimentador y el adecuado balance de sólidos, el gasto de recirculación, del sedimentador al tanque de aeración, debe ser medido y controlado, una recirculación óptima depende de diversos factores, tales como: DBO5 influente, velocidad de reproducción celular, temperatura, SSLM y SS en la recirculación. Sin embargo, el operador tiene poco o ningún control sobre alguno de estos factores. Las figuras 6.13 y 6.14 muestran la relación de recirculación en combinación con otros factores. A pesar de depender de estos factores, el gasto de recirculación óptima puede calcularse basándose en requisitos de operación, variando de acuerdo a las estaciones del año. A continuación se presenta la expresión para el cálculo de un balance de sólidos del sistema: Determinación del gasto de recirculación:

Qr =

174

Qi × SSVLM SSVr − SSVLM

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

VOLUMEN DEL REACTOR M3 x 103

8

4 BUENA SEDIMENTACIÓN

6

3

2

4

SEDIMENTACIÓN DEFICIENTE

2

1

CONCENTRACIÓN DE SSVLM (mg/l x 103)

10

5

0

0 0

0.5

1.0

1.5

2.0

RELACIÓN DE RECIRCULACIÓN VOLUMEN DEL REACTOR

BIOMASA DEL REACTOR

Figura 6.13 Recirculación y comportamiento del reactor y sedimentador

RECIRCULACIÓN EN %

100

80

60

40

20

0

0

100

200

300

400

500

VOLUMEN DE LODOS SEDIMENTADOS EN ml/l

Figura 6.14 Recirculación y volumen de lodos sedimentares

Control de la purga El control de la purga es la primera herramienta de operación de una planta de lodos activados. La determinación de la purga de lodos se basa en la producción neta de biomasa por día y se calcula con la expresión:

Q purga =

∆SSV − (Qf × SSVf ) SSVr − SSVf 175

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

6.3 Taller de cálculos A continuación se presentan una serie de cálculos para el control del reactor biológico, estos se dividen en sistema convención y aeración extendida, y estos a su vez están calculados con referencia de R.S. Ramalho y de Metclaf & Eddy. Los reactores se consideran con mezcla completa. En la figura 6.15 se muestran las principales corrientes y los datos iniciales son los siguientes: Parámetro

Siglas

Valor

Valor

50 L/s 280 mg/L 20 mg/L 12000 mg/L 10 mg/L 30 mg/L 2 mg/L 4 mg/L 1 mg/L

4320 m3/d 0.28 Kg/m3 0.02 Kg/m3 12 Kg/m3 0.01 Kg/m3 0.03 Kg/m3 0.002 Kg/m3 0.004 Kg/m3 0.001 Kg/m3

DATOS GENERALES Gasto Qi Demanda bioquímica de oxígeno 5 de entrada DBO5 E Demanda bioquímica de oxígeno 5 de salida DBO5 S Sólidos suspendidos volátiles en la recirculación SSVr Sólidos suspendidos volátiles a la salida SSVe Nitrógeno amoniacal a la entrada SiNH Nitrógeno amoniacal a la salida SeNH Fósforo total a la entrada SiPT Fósforo total a la salida SePT Metabolismo celular 0.5 a 0.6 Kg de SSVLM producidos/ Kg de Y sustrato consumido -1 Coeficiente de descomposición microbiana = 0.01 a 0.06 d Kd SISTEMA CONVENCIONAL Volumen de tanque o reactor biológico V Sólidos suspendidos volátiles en el licor mezclado SSVLM Tiempo medio de retención celular (Metclaf & Eddy) TMRC SISTEMA DE AERACIÓN EXTENDIDA Volumen de tanque o reactor biológico V Sólidos suspendidos volátiles en el licor mezclado SSVLM Tiempo medio de retención celular (Metclaf & Eddy) TMRC

Qi DBO5 E SSVi

Qo DBO5 o SSVo

Tanque de aeración

0.6 0.03 3050 mg/L 3.78 d

750 m3 3.05 Kg/m3 3 a 15 d

4000 mg/L 38.23 d

3000 m3 4 Kg/m3 20 a 40 d

Qe DBO5S SSVLM

Qf DBO5S SSVf

Sedimentador SSVLM

Qr DBO5S SSVr

Ql DBO5S SSVl Qp DBO5S SSVp

Figura 6.15 Esquema e identificación de corrientes

176

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

6.3.1 Cálculos con referencia de S.R. Ramalho 6.3.1.1 Sistema convencional a) Cálculo de la producción neta de biomasa (∆SSV)

∆SSV = Y*Qi*(DBO5E – DBO5S) – Kd*SSVLM*V ∆SSV = 0.6 * 4320* (0.28 –0.0 20) – 0.03 * 3.05 * 750 ∆SSV = 673.92 – 68.63 = 605.30 Kg/d b) Cálculo la carga orgánica (A) Carga orgánica = Qi * DBO5E Carga orgánica = 4320 * 0.28 = 1209.6 Kg/d c) Cálculo de carga de SSVLM en el tanque (M) Carga SSVLM = V * SSVLM Carga SSVLM = 750 *3.05 = 2287.5 Kg d) Relación alimento/microorganismos (A/M) A/M = 1209.6 / 2287.5 = 0.53 d-1 e) Cálculo de la relación de recirculación (R)

R=

Qi × SSVLM − ∆SSV Qi * ( SSVr − SSVLM )

R=

4320 * 3.05 − 605.30 4320 * (12 − 3.05) R = 0.325

f) Cálculo de caudales Recirculación Qr Qr = R * Qi Qr = 0.325 * 4320 Qr = 1404 m3/d = 16.25 L/s

177

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Alimentación al tanque de aeración Qo Qo = Qi + Qr Qo = 4320 + 1404 = 5724 m3/d = 66.25 L/s Purga Qp Qp =

∆SSV − Qi * DBO5 S SSVr − SSVe

Qp =

605.30 − 4320 * 0.02 12 − 0.01

Qp = 43.28 m 3 / d = 0.50 L / s Salida del sedimentador Ql Ql = Qp + Qr Ql = 43.28 + 1404 = 1447.28 m3/d = 16.75 L/s Salida Qf Qf = Qi – Qp Qf = 4320 – 43.28 = 4276.72 m3/d = 49.50 L/s g) Producción total de lodos SSVp = Qp * SSVr SSVp = 43.28 * 12 = 519.36 Kg/d = 21.64 Kg/h h) Cálculo de la DBO5 a la entrada del tanque de aeración (DBO5o)

DBO5 o =

Qi * DBO5 E + Qr * DBO5 S Qo

DBO5 o =

4320 * 0.28 + 1404 * 0.02 5724

DBO5 o = 0.216 Kg / m 3 = 216 mg / L

178

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

i) Cálculo de los sólidos suspendidos volátiles a la entrada del tanque de aeración (SSVo) SSVo =

Qi * SSVi + Qr * SSVr Qo

SSVo =

4320 * 0 + 1404 * 12 5724

SSVo = 2.94 Kg / m 3 = 2943 mg / L

j) Cálculo la carga orgánica a la entrada del tanque de aeración (Ao) Carga orgánica = Qo* DBO5o Carga orgánica = 5724 * 0.216 = 1236.38 Kg/d k) Relación alimento/microorganismos a la entrada del tanque de aeración (Ao/M) Ao/M = 1236.38 / 2287.5 = 0.54 l) Tiempo medio de retención celular (edad de lodos) TMRC =

SSVLM * V ∆SSV

TMRC =

3.05 * 750 605.30

TMRC = 3.78 d m) Tiempo de residencia hidráulico trh =

trh =

V Qo

750 5724

trh = 0.13 d = 3.14 h En la figura 6.16 se muestra un resumen de los valores antes calculados y localizados en su respectiva corriente.

179

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Qi = 50 L/s

Qo = 66.25 L/s

Qe = 66.25 L/s

Qf = 49.50 L/s

DBO5E = 280 mg/l

DBO5o = 216 mg/L

DBO5S = 20 mg/L

DBO5S = 20 mg/L

SSVi = 0 mg/L

SSVo = 2943 mg/L

SSVLM = 3050 mg/L

SSVe = 10 mg/L

A/M = 0.53 d-1

Ao/M = 0.54 d-1 SSVLM = 3050 mg/L

Sedimentador

V = 750 m3 TMRC = 3.78 d trh = 3.14 h IVL = 73.5 mg/L

Tanque de aeración Ql = 16.75 L/s

Qr = 16 L/s (32.5 %)

DBO5S = 20 mg/L

DBO5S = 20 mg/L

SSVl = 12000 mg/L

SSVr = 12000 mg/L

Qp = 0.50 L/s DBO5S = 20 mg/L SSVp = 21.64 Kg/h

Figura 6.16 Corrientes principales y sus parámetros. Ramalho, sistema convencional

Análisis de resultados Proceso

Tipo de flujo

TMRC A/M SSVLM (d) (mg/L) Convencional Completamente 5 – 15 0.3-0.7 2,000-3,000 mezclado Ejercicio Convencional Completamente 3.78 0.53 3050 mezclado

Recir. (%)

32.5

6.3.1.2 Sistema de aeración extendida a) Cálculo de la producción neta de biomasa (∆SSV) ∆SSV = Y*Qi*(DBO5E – DBO5S) – Kd*SSVLM*V ∆SSV = 0.6 * 4320* (0.28 –0.0 20) – 0.03 * 4 * 3000 ∆SSV = 673.92 – 360 = 313.92 Kg/d

b) Cálculo la carga orgánica (A) Carga orgánica = Qi * DBO5E Carga orgánica = 4320 * 0.28 = 1209.6 Kg/d

180

IVL trh (ml/g) (h) 150 a 35 4 – 8 73.5

3.14

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

c) Cálculo de carga de SSVLM en el tanque (M) Carga SSVLM = V * SSVLM Carga SSVLM = 3000 *4 = 12000 Kg d) Relación alimento/microorganismos (A/M) A/M = 1209.6 / 12000 = 0.10 d-1 e) Cálculo de la relación de recirculación (R) R=

SSVLM − (0.23 * Y * ( DBO5 E − DBO5 S )) SSVr − SSVLM

R=

4 − (0.23 * 0.60 * (0.28 − 0.02)) 12 − 4 R = 0.495

f) Cálculo de caudales Recirculación Qr Qr = R * Qi Qr = 0.495 * 4320 Qr = 2140.62 m3/d = 24.78 L/s Alimentación al tanque de aeración Qo Qo = Qi + Qr Qo = 4320 + 2140.62 = 6460.62 m3/d = 74.78 L/s Purga Qp Qp =

∆SSV − Qi * DBO5 S SSVr − SSVe

Qp =

313.92 − 4320 * 0.02 12 − 0.01

Qp = 18.89 m 3 / d = 0.22 L / s

181

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Salida del sedimentador Ql Ql = Qp + Qr Ql = 18.89 + 2140.62 = 2159.51 m3/d = 24.99 L/s Salida Qf Qf = Qi – Qp Qf = 4320 – 18.89 = 4301.11 m3/d = 49.78 L/s g) Producción total de lodos SSVp = Qp * SSVr SSVp = 18.89 * 12 = 226.68 Kg/d = 9.45 Kg/h h) Cálculo de la DBO5 a la entrada del tanque de aeración (DBO5o) DBO5 o =

DBO5 o =

Qi * DBO5 E + Qr * DBO5 S Qo

4320 * 0.28 + 2140.62 * 0.02 6460.62

DBO5 o = 0.19 Kg / m 3 = 194 mg / L i) Cálculo de los sólidos suspendidos volátiles a la entrada del tanque de aeración (SSVo) Qi * SSVi + Qr * SSVr SSVo = Qo SSVo =

4320 * 0 + 2140.62 *12 6460.62

SSVo = 3.98 Kg / m 3 = 3976 mg / L

j) Cálculo la carga orgánica a la entrada del tanque de aeración (Ao) Carga orgánica = Qo* DBO5o Carga orgánica = 6460.62* 0.194 = 1253.36 Kg/d k) Relación alimento/microorganismos a la entrada del tanque de aeración (Ao/M) Ao/M = 1253.36 / 12000 = 0.10 d-1 182

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

l) Tiempo medio de retención celular (edad de lodos) TMRC =

SSVLM * V ∆SSV

TMRC =

4 * 3000 313.92

TMRC = 38.23 d m) Tiempo de residencia hidráulico trh =

trh =

V Qo

3000 6460.62

trh = 0.46 d = 11 h

En la figura 6.17 se muestra un resumen de los valores antes calculados y localizados en su respectiva corriente. Qi = 50 L/s

Qo = 74.78 L/s

Qe = 74.78 L/s

Qf = 49.78 L/s

DBO5E = 280 mg/l

DBO5o = 194 mg/L

DBO5S = 20 mg/L

DBO5S = 20 mg/L

SSVi = 0 mg/L

SSVo = 3976 mg/L

SSVLM = 4000 mg/L

SSVe = 10 mg/L

A/M = 0.10 d-1

Ao/M = 0.1 d-1 SSVLM = 4000 mg/L

Sedimentador

V = 3000 m3 TMRC = 38.23 d trh = 11 h IVL = 73.5 mg/L

Tanque de aeración Qr = 24.78 L/s (49.5 %) DBO5S = 20 mg/L SSVr = 12000 mg/L

Ql = 24.99 L/s DBO5S = 20 mg/L SSVl = 12000 mg/L Qp = 0.22 L/s DBO5S = 20 mg/L SSVp = 9.45 Kg/h

Figura 6.17 Corrientes principales y sus parámetros. Ramalho, aeración extendida

183

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Análisis de resultados Proceso Aeración extendida Aeración extendida

Tipo de flujo

TMRC A/M SSVLM (d) (mg/L) Completamente 20-60 0.1-0.25 3,500-5,000 mezclado Ejercicio Completamente 38.23 0.10 4000 mezclado

Recir. (%)

49.5

6.3.2 Cálculos con referencia de Metclaf & Eddy 6.3.2.1 Sistema convencional a) Cálculo de la producción neta de biomasa (∆SSV) ∆SSV = (SSVLM*V) / TMRC ∆SSV = (3.05 * 750) / 3.78 ∆SSV = 605.16 Kg/d

b) Cálculo la carga orgánica (A) Carga orgánica = Qi * DBO5E Carga orgánica = 4320 * 0.28 = 1209.6 Kg/d c) Cálculo de carga de SSVLM en el tanque (M) Carga SSVLM = V * SSVLM Carga SSVLM = 750 *3.05 = 2287.5 Kg d) Relación alimento/microorganismos (A/M) A/M = 1209.6 / 2287.5 = 0.53 d-1 e) Cálculo de la relación de recirculación ( R ) R=

R=

1 − (V / (Qi * TMRC )) ( SSVr / SSVLM ) − 1

1 − (750 / (4320 * 3.78)) (12 / 3.05) − 1

R = 0.954 / 2.934 = 0.325

184

IVL trh (ml/g) (h) 150 a 35 15-36 73.5

11

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

f) Cálculo de caudales Recirculación Qr Qr = R * Qi Qr = 0.325 * 4320 Qr = 1404 m3/d = 16.25 L/s Alimentación al tanque de aeración Qo Qo = Qi + Qr Qo = 4320 + 1404 = 5724 m3/d = 66.25 L/s Purga Qp Qp =

((V * SSVLM ) / TMRC ) − (Qi * SSVe) SSVr − SSVe

Qp =

((750 * 3.05 / 3.78) − (4320 * 0.01) 12 − 0.01 Qp =

561.96 11.99

Qp = 46.87 m 3 / d = 0.54 L / s

Salida del sedimentador Ql Ql = Qp + Qr Ql = 46.87 + 1404 = 1450.87 m3/d = 16.79 L/s Salida Qf Qf = Qi – Qp Qf = 4320 – 46.87 = 4273.13 m3/d = 49.46 L/s g) Producción total de lodos SSVp = Qp * SSVr SSVp = 46.87 * 12 = 562.44 Kg/d = 23.44 Kg/h

185

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

h) Cálculo de la DBO5 a la entrada del tanque de aeración (DBO5o) DBO5 o =

Qi * DBO5 E + Qr * DBO5 S Qo

DBO5 o =

4320 * 0.28 + 1404 * 0.02 5724

DBO5 o = 0.216 Kg / m 3 = 216 mg / L i) Cálculo de los sólidos suspendidos volátiles a la entrada del tanque de aeración (SSVo) SSVo =

Qi * SSVi + Qr * SSVr Qo

SSVo =

4320 * 0 + 1404 * 12 5724

SSVo = 2.94 Kg / m 3 = 2943 mg / L

j) Cálculo la carga orgánica a la entrada del tanque de aeración (Ao) Carga orgánica = Qo* DBO5o Carga orgánica = 5724 * 0.216 = 1236.38 Kg/d k) Relación alimento/microorganismos a la entrada del tanque de aeración (Ao/M) Ao/M = 1236.38 / 2287.5 = 0.54 l) Tiempo de residencia hidráulico trh =

trh =

V Qo

750 5724

trh = 0.13 d = 3.14 h En la figura 6.18 se muestra un resumen de los valores antes calculados y localizados en su respectiva corriente.

186

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Qi = 50 L/s

Qo = 66.25 L/s

Qe = 66.25 L/s

Qf = 49.46 L/s

DBO5E = 280 mg/l

DBO5o = 216 mg/L

DBO5S = 20 mg/L

DBO5S = 20 mg/L

SSVi = 0 mg/L

SSVo = 2943 mg/L

SSVLM = 3050 mg/L

SSVe = 10 mg/L

A/M = 0.53 d-1

Ao/M = 0.54 d-1 SSVLM = 3050 mg/L

Sedimentador

V = 750 m3 TMRC = 3.78 d trh = 3.14 h IVL = 73.5 mg/L

Tanque de aeración Qr = 16.25 L/s (32.5 %) DBO5S = 20 mg/L

Ql = 16.79 L/s DBO5S = 20 mg/L SSVl = 12000 mg/L

SSVr = 12000 mg/L

Qp = 0.54 L/s DBO5S = 20 mg/L SSVp = 23.14 Kg/h

Figura 6.18 Corrientes principales y sus parámetros. Matcalf&Eddy, sistema convencional

Análisis de resultados Proceso

Tipo de flujo

TMRC A/M SSVLM Recir. IVL trh (d) (mg/L) (%) (ml/g) (h) Convencional Completamente 3-15 0.2-0.4 1,000-3,000 25 a 75 150 a 35 4-8 mezclado Ejercicio Convencional Completamente 3.78 0.53 3050 32.5 73.5 3.14 mezclado

6.3.2.2 Sistema de aeración extendida a) Cálculo de la producción neta de biomasa (∆SSV) ∆SSV = (SSVLM*V) / TMRC ∆SSV = (4 * 3000) / 38.23 ∆SSV = 313.89 Kg/d

b) Cálculo la carga orgánica (A) Carga orgánica = Qi * DBO5E Carga orgánica = 4320 * 0.28 = 1209.6 Kg/d

187

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

c) Cálculo de carga de SSVLM en el tanque (M) Carga SSVLM = V * SSVLM Carga SSVLM = 3000 * 4 = 12000 Kg d) Relación alimento/microorganismos (A/M) A/M = 1209.6 / 12000 = 0.10 d-1 e) Cálculo de la relación de recirculación (R) R=

R=

1 − (V / (Qi * TMRC )) ( SSVr / SSVLM ) − 1

1 − (3000 / (4320 * 38.23)) (12 / 4) − 1 R = 0.982 / 2 = 0.491

f) Cálculo de caudales Recirculación Qr Qr = R * Qi Qr = 0.491 * 4320 Qr = 2120.76 m3/d = 24.55 L/s Alimentación al tanque de aeración Qo Qo = Qi + Qr Qo = 4320 + 2120.76 = 6440.76 m3/d = 74.55 L/s Purga Qp Qp =

((V * SSVLM ) / TMRC ) − (Qi * SSVe) SSVr − SSVe

Qp =

((3000 * 4) / 38.23) − (4320 * 0.01) 12 − 0.01 Qp =

270.69 11.99

Qp = 22.58 m 3 / d = 0.26 L / s 188

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Salida del sedimentador Ql Ql = Qp + Qr Ql = 22.58 + 2120.76 = 2143.34 m3/d = 24.81 L/s Salida Qf Qf = Qi – Qp Qf = 4320 – 22.53 = 4297.47 m3/d = 49.74 L/s g) Producción total de lodos SSVp = Qp * SSVr SSVp = 22.58 * 12 = 270.96 Kg/d = 11.29 Kg/h h) Cálculo de la DBO5 a la entrada del tanque de aeración (DBO5o) DBO5 o =

DBO5 o =

Qi * DBO5 E + Qr * DBO5 S Qo

4320 * 0.28 + 2120.76 * 0.02 6440.76

DBO5 o = 0.194 Kg / m 3 = 194 mg / L i) Cálculo de los sólidos suspendidos volátiles a la entrada del tanque de aeración (SSVo) Qi * SSVi + Qr * SSVr SSVo = Qo

SSVo =

4320 * 0 + 2120.76 *12 6440.76

SSVo = 3.95 Kg / m 3 = 3951 mg / L

j) Cálculo la carga orgánica a la entrada del tanque de aeración (Ao) Carga orgánica = Qo* DBO5o Carga orgánica = 6440.76 * 0.194 = 1249.51 Kg/d k) Relación alimento/microorganismos a la entrada del tanque de aeración (Ao/M) Ao/M = 1249.51 / 12000 = 0.10 d-1 189

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

l) Tiempo de residencia hidráulico trh =

trh =

V Qo

3000 6440.76

trh = 0.466 d = 11.18 h En la figura 6.19 se muestra un resumen de los valores antes calculados y localizados en su respectiva corriente. Qi = 50 L/s

Qo = 74.55 L/s

Qe = 74.55 L/s

Qf = 49.74 L/s

DBO5E = 280 mg/l

DBO5o = 194 mg/L

DBO5S = 20 mg/L

DBO5S = 20 mg/L

SSVi = 0 mg/L

SSVo = 3951 mg/L

SSVLM = 4000 mg/L

SSVe = 10 mg/L

A/M = 0.10 d-1

Ao/M = 0.1 d-1 SSVLM = 4000 mg/L

Sedimentador

V = 3000 m3 TMRC = 38.23 d trh = 11.18 h IVL = 73.5 mg/L

Tanque de aeración Qr = 24.55 L/s (49.1 %) DBO5S = 20 mg/L

Ql = 24.81 L/s DBO5S = 20 mg/L SSVl = 12000 mg/L

SSVr = 12000 mg/L

Qp = 0.26 L/s DBO5S = 20 mg/L SSVp = 11.29 Kg/h

Figura 6.19 Corrientes principales y sus parámetros. Matcalf&Eddy, aeración extendida

Análisis de resultados Proceso Aeración extendida Aeración extendida

Tipo de flujo

TMRC A/M SSVLM Recir. IVL trh (d) (mg/L) (%) (ml/g) (h) Completamente 20-40 0.04-0.1 2,000-5,000 50-150 150 a 35 20-30 mezclado Ejercicio Completamente 38.23 0.10 4000 49.1 73.5 11.18 mezclado

6.3.3 Índice volumétrico de lodos La lectura de una prueba de sedimentabilidad de 30 min. fue de 250 ml/L y la concentración de SSLM en el aerador fue de 3400 mg/L (3.4 g). Calcule el IVL. 190

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

IVL =

250 3 .4

IVL = 73.5 ml / g

6.3.4 Consumo de oxígeno 6.3.4.1 Sistema convencional C5H7NO2 + 5O2 ⇒ 5CO2 +2H2O + NH3 (5*32) / 113 = 1.42 unidades de O2 / unidad de biomasa oxidada a) Oxidación de materia orgánica Kg O2/d = Qi * (1 – 1.42Y) * (DBO5E – DBO5S) + 1.42Kd * SSVLM * V Kg O2/d = 4320 * (1 – 1.42*0.6) * (0.280 – 0.02) + 1.42 * 0.03 * 3.05 *750 Kg O2/d = 166.23 + 97.45 Kg O2/d = 263.68 = 10.99 Kg/h b) Con nitrificación NH+4 +O2 ⇒ NO-3 +2H+ + H2O (2*32) / 14 = 4.57 g de O2 / g de nitrógeno oxidado Kg O2/d = Qi * (1 – 1.42Y) * (DBO5E – DBO5S) + 1.42Kd * SSVLM * V + 4.57 * Qi * (SiNHSeNH) Kg O2/d = 4320 * (1–1.42*0.6) * (0.280–0.02)+1.42 * 0.03 * 3.05 *750+4.57 * 4320 * (0.030.002) Kg O2/d = 166.23 + 97.45+ 552.79 Kg O2/d = 816.47 = 34.02 Kg/h c) Con nitrificación menos formación de células Kg O2/d = Qi * (1 – 1.42Y) * (DBO5E – DBO5S) + 1.42Kd * SSVLM * V + 4.33 * Qi * (SiNHSeNH) Kg O2/d = 4320 * (1–1.42*0.6) * (0.280–0.02)+1.42 * 0.03 * 3.05 *750+4.33 * 4320 * (0.030.002) Kg O2/d = 166.23 + 97.45+ 523.76 191

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Kg O2/d = 787.44 = 30.72 Kg/h d) Cálculo del volumen de aire (VA) VA = Kg O2/d / ((-0.00003* At – 0.0009 * T + 0.2698) * r) VA = Volumen de aire (m3 /d) At = Altitud sobre el nivel del mar (m) = 1500 m T = Temperatura ambiente (°C) = 25 r = Coeficiente de transferencia de oxígeno, 0.04 a 0.16 = 0.08 VA = 787.44 / ((-0.00003* 1500 – 0.0009 * 25 + 0.2698) * 0.08) VA = 787.44 / 0.016184 VA = 48655.33 m3 /d = 563.14 L/s

6.3.4.2 Sistema de aeración extendida C5H7NO2 + 5O2 ⇒ 5CO2 +2H2O + NH3 (5*32) / 113 = 1.42 unidades de O2 / unidad de biomasa oxidada a) Oxidación de materia orgánica Kg O2/d = Qi * (1 – 1.42Y) * (DBO5E – DBO5S) + 1.42Kd * SSVLM * V Kg O2/d = 4320 * (1 – 1.42*0.6) * (0.280 – 0.02) + 1.42 * 0.03 * 4 *3000 Kg O2/d = 166.23 + 511.2 Kg O2/d = 677.43 = 28.23 Kg/h b) Con nitrificación NH+4 +O2 ⇒ NO-3 +2H+ + H2O (2*32) / 14 = 4.57 g de O2 / g de nitrógeno oxidado Kg O2/d = Qi * (1 – 1.42Y) * (DBO5E – DBO5S) + 1.42Kd * SSVLM * V + 4.57 * Qi * (SiNHSeNH) Kg O2/d = 4320 * (1–1.42*0.6) * (0.280–0.02)+1.42 * 0.03 * 4 * 3000+4.57 * 4320 * (0.030.002) Kg O2/d = 166.23 + 511.2+ 552.79 Kg O2/d = 1230.22= 51.26 Kg/h

192

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

c) Con nitrificación menos formación de células Kg O2/d = Qi * (1 – 1.42Y) * (DBO5E – DBO5S) + 1.42Kd * SSVLM * V + 4.33 * Qi * (SiNHSeNH) Kg O2/d = 4320 * (1–1.42*0.6) * (0.280–0.02)+1.42 * 0.03 * 3.05 *750+4.33 * 4320 * (0.030.002) Kg O2/d = 166.23 + 511.2+ 523.76 Kg O2/d = 1201.17 = 50.05 Kg/h d) Cálculo del volumen de aire (VA) VA = Kg O2/d / ((-0.00003* At – 0.0009 * T + 0.2698) * r) VA = Volumen de aire (m3 /d) At = Altitud sobre el nivel del mar (m) = 1500 m T = Temperatura ambiente (°C) = 25 r = Coeficiente de transferencia de oxígeno, 0.04 a 0.16 = 0.08 VA = 1201.17 / ((-0.00003* 1500 – 0.0009 * 25 + 0.2698) * 0.08) VA = 1201.17 / 0.016184 VA = 74220.86 m3 /d = 859.04 L/s

6.3.5 Nutrientes 6.3.5.1 Convencional Composición de un microorganismo = C60H87O23N12P = 1374 Nitrógeno 168/1374 = 0.122 Fósforo 31/1374 = 0.023 a) Nutrientes perdidos por formación de microorganismos (NM) Nitrógeno = 0.122 ∆SSV = 0.122 * 605.30 = 73.85 Kg/d Fósforo = 0.023 ∆SSV = 0.023 * 605.30 = 13.92 Kg/d b) Nutrientes perdidos en el efluente (NE) Nitrógeno = SeNH * Qf = 0.002 * 4291.49 = 8.58 Kg/d Fósforo = SePT * Qf = 0.001 * 4291.49 = 4.29 Kg/d

193

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

c) Nutrientes disponibles (ND) Nitrógeno = SiNH * Qi = 0.03 * 4320 = 129.6 Kg/d Fósforo = SiPT * Qi = 0.004 * 4320 = 17.28 Kg/d d) Nutrientes requeridos Nitrógeno = ND – NM – NE = 129.60 – 73.85 – 8.58 = 47.17 Kg/d Fósforo = ND – NM – NE = 17.28 – 13.92 – 4.29 = -0.93 Kg/d Por lo anterior solo es necesario adicionar fósforo al sistema.

6.3.5.2 Aeración extendida Composición de un microorganismo = C60H87O23N12P = 1374 Nitrógeno 168/1374 = 0.122 Fósforo 31/1374 = 0.023 e) Nutrientes perdidos por formación de microorganismos (NM) Nitrógeno = 0.122 ∆SSV = 0.122 * 313.92 = 38.30 Kg/d Fósforo = 0.023 ∆SSV = 0.023 * 313.92 = 7.22 Kg/d f) Nutrientes perdidos en el efluente (NE) Nitrógeno = SeNH * Qf = 0.002 * 4291.49 = 8.58 Kg/d Fósforo = SePT * Qf = 0.001 * 4291.49 = 4.29 Kg/d g) Nutrientes disponibles (ND) Nitrógeno = SiNH * Qi = 0.03 * 4320 = 129.6 Kg/d Fósforo = SiPT * Qi = 0.004 * 4320 = 17.28 Kg/d h) Nutrientes requeridos Nitrógeno = ND – NM – NE = 129.60 – 38.30 – 8.58 = 82.72 Kg/d Fósforo = ND – NM – NE = 17.28 – 7.22 – 4.29 = 14.35 Kg/d Por lo anterior no es necesario adicionar nutrientes al sistema.

194

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

6.3.6 Resumen de resultados La siguiente tabla muestra un comparativo de los resultados obtenidos por los sistemas convención y aeración extendida, y a su vez con referencia de R.S. Ramalho y de Metclaf & Eddy. Tabla 6.6 Resultados del control de proceso de lodos activados Parámetro ∆SSV (kg/d) A/M (d-1) R Qr (L/s) Qo (L/s) Qp (L/s) Ql (L/s) Qf (L/s) SSVp (Kg/h) DBO5o (mg/L) SSVo (mg/L) TMRC (d) trh (h) Kg O2/d Vol. de aire (L/s)

S.R. Ramalho Convencional A. Extendida 605.30 313.92 0.53 0.10 0.325 0.495 16.25 24.78 66.25 74.78 0.50 0.22 16.75 24.99 49.50 49.78 21.64 9.45 216.00 194.00 2943.00 3976.00 3.78 38.23 3.14 11.00 787.44 563.14

Metclaf&Eddy Convencional A. Extendida 605.16 313.89 0.53 0.10 0.325 0.491 16.25 24.55 66.25 74.55 0.54 0.26 16.79 24.81 49.46 49.74 23.44 11.29 216.00 194.00 2943.00 3951.00 3.14

11.18

1201.19 859.04

6.4 Problemas comunes y acciones correctivas Introducción Todas las plantas de tratamiento presentan problemas ocasional o continuamente; algunas veces no afectan sustancialmente al proceso, otras veces el funcionamiento de la planta es afectado en gran medida por causas puntuales o continuas. El principal objetivo de cualquier intento de resolver problemas del funcionamiento del proceso es IDENTIFICAR LA CAUSA DEL PROBLEMA. Solamente después de identificar la verdadera causa del problema se puede dar la solución óptima. Esto parece obvio, pero es común que en las plantas de tratamiento se aplique un remedio tras otro, siendo esto llamado prueba y error, sin identificar la causa del problema. En otras palabras, casi siempre lo que se trata de resolver es el síntoma del problema y pocas veces se tiene éxito, mientras que la causa y verdadera solución permanece sin identificar. Los síntomas pueden ser usados como pistas que nos lleven a la determinación de la causa del problema.

195

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En esta sección del curso se verán los problemas típicos que se pueden presentar, métodos para identificar las causas potenciales y acciones correctivas que se pueden aplicar.

Técnicas generales Existen muy pocas reglas que pueden utilizarse para intentar diagnosticar problemas del proceso de lodos activados. Sin embargo, los problemas que se presentan súbitamente, en general son fáciles de identificar, mientras que los que se presentan en un tiempo largo, o que se desarrollan lentamente son difíciles de determinar. Si se presenta algún problema en la planta, debe ser caracterizado, recopilando la mayor cantidad de información relativa a como se presentó. Una vez caracterizado, se intentará identificar el problema basándose en literatura consultada, interpretación de datos obtenidos, experiencias en la planta, y listado de múltiples causas posibles para ir eliminándolas de acuerdo con toda la información. Una vez definida la causa o las principales causas, se implantarán las acciones correctivas que resuelvan el problema. Se resumen los pasos en la solución de problemas del funcionamiento del proceso. 1. 2. 3. 4.

Anote y describa el problema. Caracterice los síntomas del problema y su periodicidad. Compare las características del problema con posibles causas asociadas. Si existen múltiples causas posibles asociadas al problema, realice un listado y elimine las que no apliquen. 5. Una vez definida la causa o causas, lleve a cabo el programa de acciones para remediar el problema, eliminando las causas. La tabla 6.7 contiene problemas típicos en el sedimentador secundario. Tabla 6.7 Problemas típicos en el sedimentador (RESUMEN) TIPO DE PROBLEMA ABULTAMIENTO DE LODOS FLOTACIÓN DE LODOS DEFLÓCULOULACIÓN

SÍNTOMAS Flóculo grande distribuido en todo el sedimentador, pobre compactación del manto de lodos, predominancia de organismos filamentosos. Sólidos biológicos flotan en la superficie del sedimentador. Pequeño flóculo flotante, sobrenadante turbio.

Flóculo pequeño y ligero, sobrenadante claro. FLÓCULO CABEZA DE Flóculo pequeño y pesado, efluente ALFILER turbio, flóculo de rápida sedimentación. FLÓCULO DISPERSO

ARRASTRE DE SÓLIDOS

196

CAUSA Sobrecarga orgánica, relación A/M incorrecta, deficiencia de nutrientes. Demasiado tiempo de retención en el sedimentador. Toxicidad, deficiencia de nutrientes, exceso de carga orgánica, condiciones anaerobias. Edad de lodos baja Edad de lodos alta

Vertedores desnivelados, sobrecarga Flóculo saludable que es empujado sobre desnivelada, sobrecarga hidráulica, el vertedor. flujo desigual en múltiples.

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6.5 Arranque de una planta de tratamiento de aguas residuales en su modalidad de lodos activados El arranque de cualquier proceso biológico, entre ellos el de lodos activados, se lleva tiempo y deben tenerse ciertos cuidados para lograr su estabilización, así un buen funcionamiento del proceso. Un arranque típico se compone de dos fases: arranque mecánico y arranque del proceso. El proceso de lodos activados consiste en un tanque de aeración y un clarificador. Sus principales funciones son: a) Remoción de materia orgánica disuelta de aguas residuales, convirtiendo esta materia en forma insoluble (material celular). b) Separación de la materia insoluble del licor mezclado, para obtener un efluente claro. c) Recirculación inmediata del material celular sedimentado al tanque de aeración. Se puede decir técnicamente que el proceso de tratamiento por lodos activados se ha estabilizado cuando se normalizan estas operaciones.

Preparación previa al arranque Para tener éxito en el arranque de la planta, se requiere una planeación cuidadosa. El proceso de lodos activados es demasiado complicado para que se realice por una sola persona: Además, los factores ambientales que afectan al proceso son muchos como para iniciar el arranque sin preparación previa. Las actividades requeridas antes de arrancar son: análisis del agua residual, revisión del equipo electromecánico y revisión hidráulica de los tanques.

Análisis del agua residual Esta actividad es realmente importante, debido a que la PTAR de lodos activados ha sido diseñada bajo ciertos criterios o parámetros de calidad de agua residual, por lo que si el agua que se va a tratar esta muy por arriba o por debajo de los concentraciones propuestas se tendrá dificultad en el arranque y por tanto en la estabilización del proceso, y por tanto no se alcanzara la calidad de agua residual tratada estipulada en el proyecto. A continuación se proporciona un formato con los parámetros principales a tomar en consideración.

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Tabla 6.8 Formato de calidad del agua residual y tratada Parámetro Q = Gasto (L/s) DBO5 = Demanda bioquímica de oxígeno (mg/L) DQO = Demanda química de oxígeno (mg/L) SST = Sólidos suspendidos totales (mg/L) SSV = Sólidos suspendidos volátiles (mg/L) SSVLM = SSV en el licor mezclado (mg/L) SSVr = SSV en la recirculación (mg/L) NH3 = Nitrógeno amoniacal (mg/L) NO3- = Nitrógeno de nitratos (mg/L) NT = Nitrógeno Total (mg/L) PT = Fósforo total (mg/L) T = Temperatura (°C) pH = Potencial Hidrógeno A/M = Relación alimento microorganismos Grasas y aceites (mg/L)

Diseño Entrada Salida 260 116 10 80

20

26.5

5

Real Entrada Salida

0.171 9.2

Revisión del equipo electromecánico Como primera etapa de esta actividad se realiza un listado de todos los equipos electromecánicos por unidad de proceso y posteriormente se hará una prueba de arranque y paro, en la cual también se verificará el giro de motores y si es posible amperaje, esto con la finalidad de que no este obstruido o pegado el motor. Para tal efecto se empleará el formato de la tabla 6.9. Tabla 6.9 Formato de lista y verificación de equipos por unidad de proceso

Equipo

Equipo

Equipo

198

Clave

Clave

Clave

Amper

Pretratamiento Arranca Sí No

Sedimentación Primaria Arranca Amper Sí No

Si es “No” identificar posible causa

Si es “No” identificar posible causa

Tanque de regulación u homogenización Si es “No” identificar posible Arranca Amper causa Sí No

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Equipo

Equipo

Equipo

Equipo

Equipo

Equipo

Equipo

Clave

Clave

Clave

Clave

Clave

Clave

Clave

Amper

Reactor biológico Arranca Sí No

Sedimentador secundario Arranca Amper Sí No

Amper

Desinfección Arranca Sí No

Si es “No” identificar posible causa

Si es “No” identificar posible causa

Si es “No” identificar posible causa

Caja o tanque de lodos Arranca Amper Sí No

Si es “No” identificar posible causa

Espesador de lodos Arranca Amper Sí No

Si es “No” identificar posible cusa

Amper

Digestor de lodos Arranca Sí No

Deshidratación de lodos Arranca Amper Sí No

Si es “No” identificar posible causa

Si es “No” identificar posible causa

199

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Revisión hidráulica de los tanques Una vez concluida la revisión de equipos y de fallas que se hayan presentado se procederá a realizar el llenado de las unidades para verificar que no existan fugas o grietas en las paredes. De ser posible y si las unidades son pequeñas emplear agua potable o residual tratada. Esta será transferida de tanque en tanque. Tomar en cuenta que se requerirá de una o varias bombas sumergibles para agilizar la actividad. Si se emplea agua residual cruda tomar en cuenta que si algún tanque presenta fugas, será necesario el empleo de una o varias bombas para desalojar toda el agua del tanque para su reparación y de las unidades que se han llenado previamente para evitar condiciones sépticas y que se generen malos olores. Es conveniente antes de realizar esta actividad contar con diagramas esquemáticos de cada una de las unidades de proceso, para señalar o marcar y describir en éstos las fallas que se consideren pertinentes.

Arranque Es muy importante tomar en consideración lo siguiente: NO ARRANCAR SI FALTAN EQUIPOS Y DETALLES DE CONSTRUCCIÓN El arranque de una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) de lodos activado se puede realizar bajo dos escenarios, con y sin inóculo, siendo considerado éste último como una situación difícil. Por lo anterior, se realiza a continuación una descripción detallada de cada uno de los arranques de PTAR, considerando posibles contingencias, programa y/o calendario de actividades, materiales y equipos necesarios. ES IMPORTANTE ACLARAR QUE ESTA METODOLOGÍA ES PARA SISTEMAS DE AERACIÓN POR DIFUSORES DE BURBUJA

Arranque de una PTAR de Lodos Activados sin inóculo. Una vez que se han cubierto las actividades previas al arranque, y suponiendo que todos los equipos mecánicos han sido probados y ajustados y que todos los tanques, sedimentador secundario y tuberías estén limpios, y que están parcialmente llenos con el agua de las pruebas, los pasos a seguir son: a) Primer día. • Introducir agua residual al tanque de aeración hasta la mitad de su capacidad y arrancar la unidad de aeración. Al no existir microorganismos en el sistema, éstos comenzarán a formarse por lo que se generará una gran cantidad de espuma, es por esto que se recomienda llenar solo la mitad. • Iniciar con alimentación de metanol (10 mg/L). 200

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• • •

Si se considera que la espuma pude salir del tanque, ésta deberá ser contenida mediante una cortina de agua. Mantener aerando por lo menos 24 horas. Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora.

b) Segundo día. • Introducir agua hasta una tercera parte del volumen del tanque y mantener aerando por lo menos otras 24 horas. • Continuar con alimentación de metanol (10 mg/L). • Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. • Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. c) Tercer día. • Llenar totalmente con agua residual el tanque y mantener aerando por lo menos otras 24 horas. • Continuar con alimentación de metanol (10 mg/L). • Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. • Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. d) Cuarto día. • Iniciar con un flujo continuo de agua residual, tomando en consideración un gasto de 130 L/s (468 m3/h) (65 L/s o 234 m3/h por módulo). • Continuar con alimentación de metanol (10 mg/L). • Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. • Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. • Iniciar operación en el sedimentador con recirculación del 100%. • Al cumplirse 24 horas de operación, analizar sólidos suspendidos totales y volátiles en el licor mezclado (SSTLM y SSVLM) para poder estimar el desarrollo de la biomasa en el reactor biológico. Además, se tomaran muestras del agua residual cruda y tratada para determinar la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) o en su defecto demanda química de oxígeno (DQO) y sólidos suspendidos totales (SST) o en su defecto turbiedad, con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. Iniciar el registro de la información en el formato de la tabla 6.10. Tabla 6.10 Formato de registro de parámetros de control de arranque Parámetro Día

SSTLM SSVLM

ENTRADA SALIDA DBO DQO SST TURB. DBO DQO SST TURB.

1 2 3

201

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e) • • • • • •

•

f) • • • • • •

•

g) • • • • • •

•

Quinto día. Continuar con un flujo continuo de agua residual y manteniendo el mismo gasto. Continuar con alimentación de metanol (10 mg/L). Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. Continuar con recirculación del 100%. Analizar SSTLM y SSVLM para poder estimar el desarrollo de la biomasa en el reactor biológico. Además, se tomaran muestras del agua residual cruda y tratada para determinar la DBO5 o en su defecto la DQO y SST o en su defecto turbiedad, con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. Continuar con registro de la información en el formato de la tabla 6.10. Sexto día. Continuar con un flujo continuo de agua residual y manteniendo el mismo gasto. Continuar con alimentación de metanol (10 mg/L). Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. Continuar con recirculación del 100%. Analizar SSTLM y SSVLM para poder estimar el desarrollo de la biomasa en el reactor biológico. Además, se tomaran muestras del agua residual cruda y tratada para determinar la DBO5 o en su defecto la DQO y SST o en su defecto turbiedad, con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. Continuar con registro de la información en el formato de la tabla 6.10. Séptimo día. Continuar con un flujo continuo de agua residual y manteniendo el mismo gasto. Continuar con alimentación de metanol (10 mg/L). Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. Continuar con recirculación del 100%. Analizar SSTLM y SSVLM para poder estimar el desarrollo de la biomasa en el reactor biológico. Además, se tomaran muestras del agua residual cruda y tratada para determinar la DBO5 o en su defecto la DQO y SST o en su defecto turbiedad, con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. Continuar con registro de la información en el formato de la tabla 6.10.

h) Octavo día. • Continuar con un flujo continuo de agua residual y manteniendo el mismo gasto. • Graficar los datos obtenidos hasta el momento y analizar la información con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. • Calcular recirculación y purga de lodos (Ver “Anexo C”) con la información anterior y realizar los ajustes necesarios. 202

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

• • • •

• •

Continuar con alimentación de metanol (10 mg/L). Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. Analizar SSTLM y SSVLM para poder estimar el desarrollo de la biomasa en el reactor biológico. Además, se tomaran muestras del agua residual cruda y tratada para determinar la DBO5 o en su defecto la DQO y SST o en su defecto turbiedad, con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. Continuar con el registro de la información en el formato de la tabla 6.10. Iniciar con pruebas de sedimentabilidad y tomar registros cada 5 min por espacio de 30 min. y graficar (volumen de lodo vs. tiempo). Establecer un horario fijo, uno por la mañana y otro por la tarde. IVL = (ml de lodo / Litro) / (g de SST / Litro) = ml de lodo / g de SST

•

Utilizar el formato de la tabla 6.11 y determinar el índice volumétrico de lodos (IVL). Tabla 6.11 Formato de registro de prueba de sedimentabilidad e IVL

Día

Hora

SST mg/L

5 min

10 min 15 min 20 min 25 min 30 min Volumen de lodo (ml/L)

IVL ml/g

i) Día 9 a día 13. • Continuar graficando los datos obtenidos hasta el momento y analizar la información con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. • Calcular recirculación y purga de lodos, con la información anterior y realizar los ajustes necesarios. • Continuar con un flujo continuo de agua residual y aumentar a 195 L/s o 702 m3/h (97.5 L/s o 351 m3/h por módulo). • Continuar con alimentación de metanol (10 mg/L). • Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. • Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. • Analizar SSTLM y SSVLM para poder estimar el desarrollo de la biomasa en el reactor biológico. Además, se tomaran muestras del agua residual cruda y tratada para determinar la DBO5 o en su defecto la DQO y SST o en su defecto turbiedad, con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. • Continuar con registro de la información en el formato 2.1. • Continuar con pruebas de sedimentabilidad y registros en formato de la tabla 6.11.

203

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

j) Día 14 a día 19. • Continuar graficando los datos obtenidos hasta el momento y analizar la información con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. • Calcular recirculación y purga de lodos, con la información anterior y realizar los ajustes necesarios. • Continuar con un flujo continuo de agua residual y aumentar a 260 L/s o 936 m3/h (130 L/s o 468 m3/h por módulo). • Continuar con alimentación de metanol (10 mg/L). • Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. • Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. • Analizar SSTLM y SSVLM para poder estimar el desarrollo de la biomasa en el reactor biológico. Además, se tomaran muestras del agua residual cruda y tratada para determinar la DBO5 o en su defecto la DQO y SST o en su defecto turbiedad, con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. • Continuar con registro de la información en el formato da la tabla 6.10. • Continuar con pruebas de sedimentabilidad y registros en formato de la tabla 6.11. En el “Anexo D” se encuentra el calendario de actividades a desarrollar. En el “Anexo E” se encuentran los formatos vacíos. Estos podrán ser tomados como referencia y pueden ser modificados de acuerdo a las necesidades de la planta.

Arranque de una PTAR de Lodos Activados con inóculo a) Cálculo de requerimiento de inóculo. • Si el inóculo proviene de recirculación. Se toma como base la cantidad de sólidos suspendidos totales en el licor mezclado que tendrá el reactor biológico y el volumen del mismo. En este caso son 3500 mg/L (3.5 kg/m3) y 4,354 m3. Además, se requiere que el inóculo provenga de la recirculación, ya que este esta mas concentrado. El inóculo proviene de la planta de tratamiento la Rosita, la cual en promedio de 2 días y de los dos tanques es de 8.76 kg/m3. Así, el requerimiento es de: Kg SSTLM = 3.5 * 4,354 = 15,239 El volumen de inóculo sería de: m3 SST recirculación = 15,239 / 8.76 = 1739.61 Esta sería la cantidad necesaria, pero como es demasiado grande se recomienda que al menos se inocule con el 10 % como mínimo, esto sería de 173.96 m3. Como la planta esta dividida en dos módulos es necesario agregar a cada uno 86.98 m3. La PTAR La Rosita tiene un gasto de purga de lodos de 4 a 5 L/s. Tomando el valor más desfavorable su producción sería de 14.4 m3/h. Este valor se deberá tomar en cuenta para el transporte e inoculación de la planta de TDM. 204

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Así, en un periodo de 12 horas se podrá cubrir el requerimiento del volumen del inóculo deseado. Es conveniente y recomendable y de ser posible se agregue inóculo durante los primeros cinco días de arranque, esto facilitará que la estabilización del sistema sea mas rápida. Para poder llevar un registro del volumen de inóculo que se esta agregando al reactor biológico se recomienda el uso del formato de la tabla 6.12. Tabla 6.12 Formato de volúmenes de inóculo Módulo 1 Día Volumen (m3) SST (mg/L) Módulo 2 Día Volumen (m3) SST (mg/L) •

Si el inóculo proviene de la caja de salida de los reactores biológicos. Se toma como base la cantidad de sólidos suspendidos volátiles en el licor mezclado que tendrá el reactor biológico y el volumen del mismo. En este caso son 2310 mg/L (2.31 kg/m3) y 4,354 m3. El inóculo proviene de la planta de tratamiento la Rosita, la cual en promedio de 2 días y de los dos tanques es de 3.24 kg/m3. Así, el requerimiento es de: Kg SSVLM = 2.31 * 4,354 = 10,058 El volumen de inóculo sería de: m3 SSV = 10,058 / 3.24 = 3,104.24 Esta sería la cantidad necesaria, pero como es demasiado grande se recomienda que al menos se inocule con el 5 % como mínimo, esto sería de 155.22 m3. Como la planta esta dividida en dos módulos es necesario agregar a cada uno 77.61 m3. En la PTAR La Rosita no existen restricciones para tomar licor mezclado, por lo que, el cubrir el requerimiento del volumen de inóculo deseado, dependerá de que tan rápido puedan ser llenadas las pipas y el tiempo de transporte. Así, en un periodo de 12 horas se podrá cubrir el requerimiento del volumen del inóculo deseado. Es conveniente y recomendable y de ser posible, se agregue inóculo durante los primeros cinco días de arranque, esto facilitará que la estabilización del sistema sea mas rápida. Para poder llevar un registro del volumen de inóculo que se esta agregando al reactor biológico se recomienda el uso del formato de la tabla 6.12.

205

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

b) Prueba de difusores. • Agregar agua de primer uso al tanque de aeración a un nivel de 10 cm por arriba del difusor. • Encender el sistema de aeración. • Verificar que no existan fugas, si se presentan repararlas. • Si no existen fugas, elevar el nivel del agua hasta la mitad del tanque. • Verificar que no existan fugas, si se presentan repararlas. • Si no existen fugas, llenar en su totalidad con agua residual. c) Primer a quinto día. • Una vez lleno el tanque de aeración con agua residual y el sistema de aeración operando, agregar el inóculo, según sea el origen del mismo (ver inciso a). • Iniciar con un gasto de entrada de 175 L/s o 630 m3/h (por módulo 87.5 L/s o 315 m3/h). • Iniciar con alimentación de metanol (10 mg/L). • Iniciar operación en el sedimentador con recirculación del 100%. • Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. • Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. • Al cumplirse 24 horas de operación, analizar sólidos suspendidos totales y volátiles en el licor mezclado (SSTLM y SSVLM) para poder estimar el desarrollo de la biomasa en el reactor biológico. Además, se tomaran muestras del agua residual cruda y tratada para determinar la demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) o en su defecto demanda química de oxígeno (DQO) y sólidos suspendidos totales (SST) o en su defecto turbiedad, con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. Iniciar el registro de la información en el formato de la tabla 6.10. • Iniciar con pruebas de sedimentabilidad y tomar registros cada 5 min por espacio de 30 min. y graficar (volumen de lodo vs. tiempo). Establecer un horario fijo, uno por la mañana y otro por la tarde. • Utilizar el formato de la tabla 6.11 y determinar el índice volumétrico de lodos (IVL). IVL = (ml de lodo / Litro) / (g de SST / Litro) = ml de lodo / g de SST d) • • • • •

• • • 206

Sexto a décimo día. Aumentar el gasto de entrada a 215 L/s 774 m3/h (por módulo 117.5 L/s o 387 m3/h). Continuar con alimentación de metanol (10 mg/L). Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. Analizar SSTLM y SSVLM para poder estimar el desarrollo de la biomasa en el reactor biológico. Además, se tomaran muestras del agua residual cruda y tratada para determinar la DBO5 o en su defecto la DQO y SST o en su defecto turbiedad, con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. Calcular recirculación y purga de lodos (Ver “Anexo C”) con la información anterior y realizar los ajustes necesarios. Continuar con registro de la información en el formato de la tabla 6.10. Continuar con pruebas de sedimentabilidad y registros en formato de la tabla 6.11.

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

e) A partir de día 11. Aumentar el gasto de entrada a 260 L/s 936 m3/h (por módulo 130 L/s o 468 m3/h). Continuar con alimentación de metanol (10 mg/L). Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. Analizar SSTLM y SSVLM para poder estimar el desarrollo de la biomasa en el reactor biológico. Además, se tomaran muestras del agua residual cruda y tratada para determinar la DBO5 o en su defecto la DQO y SST o en su defecto turbiedad, con la finalidad de poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. Calcular recirculación y purga de lodos, con la información anterior y realizar los ajustes necesarios. Continuar con registro de la información en el formato de la tabla 6.10. Continuar con pruebas de sedimentabilidad y registros en formato de la tabla 6.11. En el “Anexo D” se encuentra el calendario de actividades a desarrollar. En el “Anexo E” se encuentran los formatos vacíos. Estos podrán ser tomados como referencia y pueden ser modificados de acuerdo a las necesidades de la planta.

Transición del arranque Es difícil determinar cuándo termina el arranque y cuándo inicia la operación normal; por esta razón, a continuación se enlistan algunas formas de conocer si ya se ha llegado a la operación normal de la planta. •

Graficar la eficiencia de remoción contra el tiempo (días). Los valores similares de eficiencias esperadas durante varios días, tal vez indique que ya se está en una operación normal.

•

Graficar las concentraciones de DBO5 o DQO contra el tiempo. La concentración caerá hasta valores esperados o de diseño.

•

Determinar si la concentración de SSVLM es la deseada en el reactor biológico.

•

Determinar si la concentración de nitrógeno o nutrientes se ha establecido de acuerdo al diseño.

•

Calcular la purga de lodos y determinar si se ha establecido de acuerdo al diseño.

•

Determinar si se ha logrado la relación A/M óptima, de acuerdo al diseño.

•

Determinar si se ha logrado la edad de lodos de acuerdo al diseño.

•

Comprobar que la utilización de OD está en los rangos comunes.

•

Ajustar la recirculación a su valor.

207

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

•

Corroborar que se han alcanzado las metas de calidad de acuerdo con el diseño a fin de alcanzar niveles aceptables de DBO y sólidos suspendidos (ver formato de la tabla 6.8).

Problemas típicos en el arranque En el arranque puede presentarse cualquier número de problemas, por eso los preparativos previos al arranque son importantes. Aún así, es casi seguro que surja algún problema. A continuación se presentan los problemas típicos más comunes en el proceso de arranque de plantas de tratamiento. Los problemas en equipos no se han incluido, pues cada proveedor lo debe resolver.

Espuma Como ya se mencionó, ésta es causada principalmente por la formación de microorganismos jóvenes y en la medida que la población se vaya incrementado y éstos se constituyan como conglomerados bacterianos o flóculos, su generación ira en decremento. Su formación se pude regular controlando la cantidad de agua residual que entra al reactor biológico, esto es, iniciando con un 20% del gasto de diseño y conforme pasan los días ir incrementando el flujo hasta llegar al 100% del gasto de diseño. Si la espuma corre el riesgo de salir del reactor se puede controlar mediante una cortina de agua.

Problemas de sedimentación de lodos biológicos Los problemas de sedimentabilidad de lodos o formación de flóculos en el arranque son ocasionados por falta de microorganismos o porque la recirculación y/o purga de lodos no se realiza adecuadamente. A continuación se presentan una tabla con los principales problemas, síntomas y sus causas. Tipo de problema Síntomas ABULTAMIENTO Flóculo grande distribuido en DE LODOS todo el sedimentador, pobre compactación del manto de lodos, predominancia de organismos filamentosos. FLOTACIÓN DE Sólidos biológicos flotan en LODOS la superficie del sedimentador. FLÓCULO ROTO Flóculo pequeño, flotante, sobrenadante turbio.

FLÓCULO DISPERSO FLÓCULO CABEZA ALFILER 208

Causa Solución Sobrecarga orgánica, Aumentar recirculación y relación A/M incorrecta, disminuir purga. deficiencia de nutrientes. Disminuir el gasto de entrada. Demasiado tiempo de retención en el sedimentador. Toxicidad, deficiencia de nutrientes, exceso de carga orgánica, condiciones anaerobias.

Flóculo pequeño y ligero, Edad de lodos baja sobrenadante claro. Flóculo pequeño y pesado, Edad de lodos alta DE efluente turbio, flóculo de rápida sedimentación.

Tratar de establecer que la recirculación de lodos sea lo mas continua posible. Aumentar la recirculación de lodos. Disminuir el gasto de entrada. Agregar nutrientes. Determinación de metales. Aumentar la recirculación de lodos. Disminuir la purga de lodos. Disminuir la recirculación de lodos. Aumentar la purga de lodos.

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Baja remoción de DBO5 Puede ser debido a que aún no se ha logrado la concentración deseada de SSVLM o a que la recirculación y la purga de lodos no se han alcanzado el equilibrio deseado.

Temperatura y condiciones climáticas desfavorables Las épocas estaciónales están ligadas directamente en la temperatura ambiente y estas condiciones pueden favorecer o desfavorecer el desarrollo microbiológico, mas específicamente en su metabolismo. Así, en condiciones de verano el incremento de la temperatura favorece el metabolismo celular y los microorganismos se reproducirán más rápidamente. Sin embargo, en condiciones de invierno el metabolismo celular se ve reducido y por lo que la estabilización del sistema tomará más tiempo de lo planeado.

Equipos, materiales y reactivos para realizar la puesta en marcha A continuación se describen las necesidades de equipo reactivos y materiales necesarios para determinar los diferentes parámetros de control para el arranque y puesta en marcha del proceso de tratamiento de aguas residuales municipales del la termoeléctrica de Mexicali, en su modalidad de lodos activados, sistema convencional.

Demanda bioquímica de oxígeno •

Equipo ο Potenciómetro ο Incubadora DBO 20°C ± 1° ο Compresor (5 HP) ο Oxímetro YSI-55 cable 7.6 m

•

Material ο Agitador magnético y retirador de barras (12) ο Winklers con tapas 300 ml (48) ο Picetas 500 ml (4) ο Probetas 1000 ml (10) ο Probetas 100 ml (12) ο Pipeta volumétrica 5 ml (12) ο Matraces volumétricos 50 (6), 100 (6), 250 (6), 500 (6) y 1000 ml (6)

•

Reactivos ο Fosfato monobásico de potasio 1 kg ο Fosfato dibásico de potasio 4 Kg ο Fosfato dibásico de sodio heptahidratado 2 Kg ο Cloruro de Amonio 1 kg ο Sulfato de magnesio heptahidratado 2 kg ο Cloruro de calcio 2 kg ο Cloruro férrico hexahidratado 100 g 209

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ο ο ο ο ο

Acido sulfúrico 1.5 L Hidróxido de sodio 2.5 kg Glucosa 500 g Acido glutámico 100 g Sulfito de sodio 1 kg

Demanda química de oxígeno •

Equipo ο Espectrofotómetro ο Parrilla con agitación ο Digestor DQO

•

Material ο Matraz volumétrico A 50 (6) y 100 ml (6) ο Vaso de precipitados de 50 (12) y 150 ml (12) ο Pipeta automática 2.0 ml (2) ο Bureta electrónica cap. 50 ml (1) ο Agitador magnético y retirador de barras (12) ο Viales 16x100 mm c/tapón para digestor DQO (2 paquetes)

• • • • • • • • • •

Reactivos Dicromato de potasio 2 kg Acido sulfúrico 1.5 L Sulfato mercúrico 500 g Sulfato de plata 100 g Acido sulfámico 500 g Biftalato de potasio 100 g Sulfato ferroso amoniacal 500 g Fenantrolina 100 g Sulfato de ferroso 500 g

Oxígeno disuelto •

Equipo ο Oxímetro de campo

pH •

Equipo ο Potenciómetro

•

Reactivos ο Solución de de calibración a 4, 7 10

NOTA: Este equipo lo llevará personal del IMTA.

210

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Turbiedad •

Equipo ο Turbidímetro modelo 2100P

•

Reactivos ο Solución de calibración a 10, 100 y 1000 UNT

Determinación de sólidos •

Equipo ο Mufla cap.325 pulg.3 ο Estufa cap. 4.5 pies3 40 a 210 °C ο Bomba de vacío con aceite ο Balanza analítica de sensibilidad 0.0001g cap. 210 g ο Desecador con plato

•

Material ο Crisoles gooch (24) ο Filtros de fibra de vidrio de GF/C 1.2 µm (10 cajas) ο Pinzas para crisol (2) ο Pinzas de precisión (2) ο Alargadera de hule Walter con tubo(2)

•

Reactivos ο Carbonato de calcio 100 g

Índice volumétrico de lodos •

Material ο Probeta de 1000 ml ο Cronómetro

211

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AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 6 Instrucciones: a continuación se presentan varias preguntas que pretenden reforzar los conocimientos adquiridos, por favor conteste de manera breve. 1. ¿Por qué es importante monitorear adecuadamente el proceso biológico de tratamiento? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. Mencione los dos métodos de monitoreo. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. En un sistema de lodos activados, ¿qué nos indica el color oscuro o negro del lodo? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. En un sistema de lodos activados, ¿qué nos indica la espuma? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. ¿Porqué los indicadores analíticos son la principal herramienta del personal de operación? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

212

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

6. ¿Qué nos indica la caída brusca del OD? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7. ¿Qué indicadores analíticos se han utilizado tradicionalmente como parámetros de control? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 8. ¿Cómo se controla la edad de los lodos? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 9. ¿De qué factores depende una óptima recirculación? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 10. ¿Qué se debe hacer cuando la relación A/M es baja o alta? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

213

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

214

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

7

MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO AUTOR: Luciano Sandoval Yoval

Objetivos particulares: Al término del tema, el participante: • Conocerá los registros de operación para llevar un control de las actividades que se realizan en la planta de tratamiento para cumplir con los requerimientos establecidos. • Conocerá los elementos que se deben tener en cuenta al implementar un programa adecuado de mantenimiento de las instalaciones y del equipo electromecánico de una planta de tratamiento.

7.1 Registro de operación Una de las funciones más importantes de un operador es la preparación y mantenimiento adecuado del registro de los datos que se generan en la misma. Los registros de operación pueden ser separados en dos categorías: a) Registros físicos b) Registros de desempeño a) Registros físicos Estos registros describen las instalaciones y equipos de la planta e incluyen: • • • • • • • • • • •

Criterios de diseño de la planta Planos de la planta Manual de operación Registro de equipos que también incluye: Nombre del proveedor Fecha de compra Modelo Capacidad Principales características Registro del mantenimiento de cada equipo Registros de costos de compra y reparación de equipos b) Registros de desempeño

Estos registros describen la operación de la planta y proveen de información tanto al operador como a cualquier persona que lo quiera, ya que es en realidad un registro histórico. Estos resultados o registros deberán ser utilizados por el operador para resolver los problemas que se presenten en el proceso y para anticiparse a necesidades futuras. 215

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Además, los registros también pueden ser empleados para requerimientos legales o de regulación establecidos por el gobierno. Los posibles siguientes: • • • • •

registros

pueden

ser

los

Registro de operación diario Registro de calidad del agua Registro de fallas de equipo Registro de reactivos Elaboración de reportes

A continuación se muestra una lista de actividades establecidas rutinariamente por cada media hora. Hora 09:00

09:30 10:00

10:30 11:00 11:30 12:00

12:30 13:00 13:30 14:00

14:30 15:00 15:30 16:00

216

Actividad Recepción de turno Cambio de bombas de: Pretratamiento, tanque de aireación y recirculación de lodos. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Recirculación de lodos. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Toma de lectura de totalizador de agua tratada. Recirculación de lodos. Toma de gasto hotel Arcoiris. Limpieza de rejillas de pretratamiento y desarenador. Recirculación de lodos. Cosecha de alga y lemna. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Comida. Comida Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Purga de lodos. Peso de lodos secos. Toma de gasto hotel Arcoiris. Recirculación de lodos. Limpieza de sensores de pH, OD, OR y SST de reactor 1. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Recirculación de lodos. Limpieza de turbidimetros. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Toma de lectura de totalizador de agua tratada. Recirculación de lodos. Toma de gasto hotel Arcoiris. Limpieza de rejillas de pretratamiento y desarenador. Recirculación de lodos. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Recirculación de lodos. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Toma de gasto hotel Arcoiris.

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Hora 16:30 17:00 17:30 18:00

18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00

22:30 23:00 23:30 24:00

00:30 01:00 01:30 02:00

02:30 03:00 03:30

Actividad Recirculación de lodos. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Comida Comida Apagar la bomba de la laguna. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Toma de lectura de totalizador de agua tratada. Recirculación de lodos. Toma de gasto hotel Arcoiris. Limpieza de rejillas de pretratamiento y desarenador. Recirculación de lodos. Lavado de peceras. Alimentación de peces del estanque. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Recirculación de lodos. Cosecha de algas y lemna. Encendido del alumbrado de la planta. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Toma de gasto hotel Arcoiris. Recirculación de lodos. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Comida Comida Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Toma de lectura de totalizador de agua tratada. Recirculación de lodos. Toma de gasto hotel Arcoiris. Limpieza de rejillas de pretratamiento y desarenador. Recirculación de lodos. Cosecha de algas y lemna. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Recirculación de lodos. Cosecha de algas y lemna. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Toma de gasto hotel Arcoiris. Cosecha de algas y lemna. Recirculación de lodos. Limpieza de sensores de pH, OD, OR y SST de reactor 2. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Recirculación de lodos. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Toma de lectura de totalizador de agua tratada. Recirculación de lodos. Toma de gasto hotel Arcoiris. Limpieza de rejillas de pretratamiento y desarenador. Recirculación de lodos. Limpieza de rejillas de pretratamiento. Purga de las llaves de aire de los tanques de aireación. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Recirculación de lodos. 217

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Hora 04:00 04:30

05:00 05:30 06:00

06:30 07:00 07:30 08:00 08:30

Actividad Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Toma de gasto hotel Arcoiris. Recirculación de lodos. Limpieza de rastras y canal del sedimentador. Lavado de rejilla. Encendido de la bomba de la laguna. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Recirculación de lodos. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Toma de lectura de totalizador de agua tratada. Recirculación de lodos. Toma de gasto hotel Arcoiris. Limpieza de rejillas de pretratamiento y desarenador. Recirculación de lodos. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Encender la bomba de la laguna. Recirculación de lodos. Determinación del gasto en: Pretratamiento, tanques de aireación y entrada y salida de la laguna. Recirculación de lodos. Toma de gasto hotel Arcoiris. Captura de datos. Registro en bitácora personal

Formatos de registro de índice volumétrico de lodos (IVL) Formato de registro por prueba y cálculo de IVL Fecha:

01/01/2005 Hora:

Tanque 1 SST: t (min) V (ml) 5 10 15 20 25 30

9:30

Fecha:

Tanque 2 SST: t (min) V (ml)

01/01/2005 Hora:

Tanque 1 SST: t (min) V (ml) 5 10 15 20 25 30

Índice volumétrico de lodos 01/01/2005 Hora 9:30 Tanque 1 Tanque 2

18:30

Tanque 2 SST: t (min) V (ml)

Hora 18:30 Tanque 1 Tanque 2

Formato de registro diario y mensual del IVL Fecha

Hora

01/01/2005 02/01/2005 03/01/2005 04/01/2005 05/01/2005 06/01/2005

9:30 9:30 9:30 9:30 9:30 9:30

SST T1 0 0 0 0 0 0

Formatos de registro de gasto 218

IVL T2 0 0 0 0 0 0

T1 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

SST T2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Hora 18:30 18:30 18:30 18:30 18:30 18:30

T1 0 0 0 0 0 0

IVL T2 0 0 0 0 0 0

T1 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

T2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Formato de registro por hora MES:

ENERO PreDÍA HORA tratamiento Seg. L/s 1 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Tanques de aeración Tanque 1 Seg.

L/s

Laguna de maduración

Tanque 2 Seg.

L/s

Entrada Seg.

L/s

Salida Seg.

L/s

Autohotel Seg.

L/s

Totalizador m3

Formato de registro por día Promedio (L/s)

Total (m3/día)

Pretratamiento Tanque 1 Tanque 2 Laguna salida Autohotel

Formato de registro diario y mensual del gasto

DÍA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pretratamiento

ENERO Promedio (L/s) Tanque 1 Tanque 2

Laguna salida

Autohotel

219

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7.2 Mantenimiento Una planta debe mantenerse siempre limpia. Esto favorece al ánimo de los empleados y tiende a mejorar su actitud por el trabajo que realizan. Además, el aspecto que proyectan hacia los s o personas que transitan cerca de ella, favorece su imagen ante la población. Un buen control del proceso de tratamiento no puede realizare sin que se siga un programa de mantenimiento. Cuando una planta ha operado por un largo período, las reparaciones del equipo se vuelven más frecuentes si no se ha seguido un programa de mantenimiento preventivo. Además, algunos equipos pueden volverse obsoletos, ya sea por el paso del tiempo a o la aparición de modelos más modernos. Se justifica el cambio de un equipo cuando éste se vuelve obsoleto porque no es posible conseguir sus, refacciones, ya que la continuidad del proceso no debe afectarse, porque el equipo más reciente favorezca la eficiencia del tratamiento o reduzca los costos de operación. Un programa de mantenimiento es una parte muy importante en la operación de una planta. Este programa debe ser diseñado de tal manera que asegure la operación satisfactoria de la planta bajo cualquier condición. El programa debe contener mantenimiento preventivo y rutinario, así como de emergencia. Todas las plantas deben tener escritas las instrucciones de cómo operar y mantener el equipo. Estas instrucciones son de mucha ayuda cundo el operador es nuevo en este tipo de obligaciones o tareas. Los elementos principales que constituyen un programa de mantenimiento son los siguientes: • • • • •

Calendarización de actividades Registro de bitácoras Partes de almacén Control de presupuesto y costos Procedimientos de reparación de emergencias

Para llevar el registro del mantenimiento diario, se recomienda la utilización de formatos muy sencillos, que incluyan el equipo que comprende cada etapa del proceso, indicándose el tipo de servicio (mecánico o eléctrico) que requiere. Calendarización de actividades Este es la columna vertebral del programa de mantenimiento. Las instrucciones de operación y mantenimiento que se proporcionan cuando se compra un equipo pueden ser de gran utilidad para realizar el plan. 220

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Los esfuerzos de la realización de la calendarización de deben enfocar a tareas específicas que se deben realizar en periodos de tiempo congruentes establecidos. La siguiente información es importante cuando se considera desarrollar un plan. • • • • •

Procedimientos de rutina Procedimientos especiales (reparación general) Necesidades del conocimiento de técnicas de mantenimiento y reparación Requerimientos de herramientas especiales y de equipo Disponibilidad de partes de repuesto

Mantenimiento preventivo (procedimientos de rutina) El mantenimiento de una planta no debe basarse solamente en las deficiencias que se detecten en la supervisión diaria del equipo. Debe contarse con un programa de mantenimiento preventivo, que indique fechas y actividades a realizar a fin de contrarrestar los problemas operativos. En las operaciones de rutina de una planta, el operador debe inspeccionar todos los equipos mecánicos y eléctricos operen correctamente y realizará las siguientes actividades de mantenimiento. • • • • • • • •

Los motores deben estar libres de suciedad y de humedad Asegurarse que los equipos que se encuentran dentro de instalaciones cerradas tengan una buena ventilación Verificar que los motores y bombas no tengan goteras, ruidos inusuales, vibraciones o sobrecalentamiento Mantener lubricadas las partes que lo requieran y verificar los niveles de aceite en los equipos que lo necesitan Verificar la alineación de flechas y acoplamientos Verificar sobrecalentamiento de chumaceras y su lubricación Verificar la operación apropiada de válvulas y bombas Verificar la calibración de dosificadores

Se recomienda que este tipo de actividades se realice diariamente. Herramientas Para que sea efectivo un mantenimiento de rutina es necesario conocer apropiadamente el uso de cada herramienta, ya que con esto se asegura que no se dañará el equipo, además de representar seguridad para el operador. Es importante recordar que sino se cuenta con la herramienta adecuada para desarrollar una tarea específica no se podrá realizar un buen programa de mantenimiento. Es conveniente realizar un control de la herramienta disponible, debido a que de esta manera se podrá reemplazar más fácilmente aquella que se dañe o se reporte como perdida. Para tal efecto, es apropiado llevar un registro de préstamo en pequeñas papeletas, en donde se registre la fecha de préstamo, nombre del y el tipo de herramienta. Una vez devuelta ésta será cancelada. Además, debe existir una lista general que agrupe a las herramientas por tipo de uso, la cual se verificará cuando menos una vez por semana. 221

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Procedimientos especiales Estos son muy importantes para poder desarrollar adecuadamente un programa de mantenimiento y se listan a continuación. • • •

Planes de paro de equipos para minimizar los impactos adversos a la operación de la planta Empleo de registros de reparación de equipos y calendario de mantenimiento Preparar procedimientos o referir a las instrucciones del manual de operación para realizar reparaciones o rehabilitaciones de los equipos o para otras tareas en las que se requiera realizar un mantenimiento especial.

Registro de información Un buen manejo de los datos es una característica importante en la istración de un programa de mantenimiento, ya que proporciona un sistema base para la asignación de los trabajos diarios y genera a su vez un registro histórico de los trabajos realizados en los equipos. A continuación se dan algunas recomendaciones que pueden ser útiles para obtener un buen sistema de registro. a) b) c) d)

Cartas con información individual de cada equipo para conformar un inventario Calendario de mantenimiento preventivo Lista de partes de repuesto y actualización de las misma semanalmente Registro de la calidad del trabajo realizado

Manejo de partes de repuesto Ciertas partes de equipos mecánicos son iguales, por ejemplo los soportes de las flechas o chumaceras, las cuales tienen un periodo de vida corto en relación a la vida útil del equipo. Por lo anterior, se requiere contar con un número considerado de estas piezas en el almacén. Las partes de repuesto deben ser almacenadas en base a: a) b) c) d)

La importancia de las partes en la operación de la planta Disponibilidad El efecto en la operación si la partes es defectuosa El espacio que ocupe en el almacén

Si las refacciones son rápidamente suministradas por el proveedor, es conveniente no contar con ellas en el almacén, ya que sería un costo innecesario. Un registro histórico de las partes en el almacén indicará cuales son las más requeridas y la cantidad en un periodo de tiempo dado. Además, las partes deberán ser repuestas en un tiempo corto. A continuación se presenta, a manera de ejemplo, el calendario de mantenimiento de la planta de tratamiento de aguas residuales del IMTA. 222

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Programa de mantenimiento de julio a diciembre del 2004 No. OBSERVACIONES Y/O BITÁCORA P R P R P R P R P R P R Y PÁGINAS BITÁCORA UTILIZADA Cárcamo de Limpieza general y Pretratamiento bombeo desazolve de lodo Nueva. Garantía de un Bomba sumergible Pretratamiento 2 2 año, fecha de compra 26(NABOHI) 1 12-01. Verificación diario Nueva. Garantía de un Bomba sumergible Pretratamiento 2 2 año, fecha de compra 26(NABOHI) 2 12-01. Verificación diario Nueva. Garantía de un Bomba sumergible Caseta de 2 2 año, fecha de compra 26(NABOHI) 3 sopladores 12-01. Verificación diario Nueva. Garantía de un Bomba sumergible Caseta de 2 2 año, fecha de compra 26(NABOHI) 4 sopladores 12-01 Nueva. Garantía de un Bomba sumergible Caseta de 2 2 año, fecha de compra 26(NABOHI) 5 sopladores 12-01 Nueva. Garantía de un Bomba sumergible Tanque de 2 2 año, fecha de compra 261 (Goulds) regulación 07-01. Verificación diario Nueva. Garantía de un Bomba sumergible Tanque de 2 2 año, fecha de compra 262 (Goulds) regulación 07-01. Verificación diario Cambio de aceite cada Agitador Tanque de 25 12 meses y engrasado LIGHTNIN 1 aireación 1 c/3 meses Cambio de aceite cada Agitador Tanque de 25 12 meses y engrasado LIGHTNIN 2 aireación 1 c/3 meses Cambio de aceite cada Agitador Tanque de 25 12 meses y engrasado LIGHTNIN 3 aireación 2 c/3 meses Cambio de aceite cada Agitador Tanque de 25 12 meses y engrasado LIGHTNIN 4 aireación 2 c/3 meses Cambio de aceite cada Agitador Tanque de 25 12 meses y engrasado LIGHTNIN 5 almacenamiento c/3 meses Sensor de flujo de Reactor 28 26 27 Limpieza aire (Rotámetro) biológico Limpieza general, Bombas-1 de 1/2 A un costado del 10 10 verificación de aceite, HP Invernadero impulsor y carcaza Limpieza general, Bombas-2 de 1/2 A un costado del 10 10 verificación de aceite, HP Invernadero impulsor y carcaza Limpieza general, Bombas-3 de 1/2 A un costado del 10 10 verificación de aceite, HP Invernadero impulsor y carcaza Limpieza general, Bombas-4 de 1/2 A un costado del 10 10 verificación de aceite, HP Invernadero impulsor y carcaza EQUIPO

LOCALIZACIÓN

JUL AGO SEP OCT NOV DIC

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No. OBSERVACIONES Y/O BITÁCORA P R P R P R P R P R P R Y PÁGINAS BITÁCORA UTILIZADA Limpieza general, Bombas-5 de 1/2 A un costado del 10 10 verificación de aceite, HP Invernadero impulsor y carcaza Tanque de Módulo de lodo Limpieza y desazolve de regulación activados lodo Verificación de platos e Bomba sumergible Caseta de 28 26 27 impulsor, aceite y 1 (Caprari) sopladores limpieza general Verificación de plato e Bomba sumergible Caseta de 28 26 27 impulsor, aceite y 2 (Caprari) sopladores limpieza general Para mantenimiento correctivo (Embobinado, Bomba sumergible Caseta de 28 26 27 cambio de plato e 3 (Caprari) sopladores impulsor, valeros y aceite) Verificación de plato e Bomba sumergible Caseta de 28 26 27 impulsor, aceite y 4 (Caprari) sopladores limpieza general Verificación de plato e Bomba sumergible Caseta de 28 26 27 impulsor, aceite y 5 (Caprari) sopladores limpieza general Alimentación de Limpieza general, equipo de lubricación, engrasado, Bomba centrifuga 26 26 monitoreo en verificación del impulsor y 1/4 HP línea. carcaza. (Sedimentación) Alimentación de Limpieza general, equipo de lubricación, engrasado, Bomba centrifuga monitoreo en 26 26 verificación del impulsor y 1/4 HP línea (Tanque de carcaza. aireación) Limpieza de filtro y general, lubricación, Soplador 1 (Anlet Caseta de 30 30 engrasado, verificación root) sopladores de: bandas, torque y presión de aire. Limpieza de filtro y general, lubricación, Soplador 2 (Anlet Caseta de 30 30 engrasado, verificación root) sopladores de: bandas, torque y presión de aire. Para mantenimiento correctivo (Impulsor Soplador ( Thutill Caseta de Embobinado, cambio de 30 30 siemens) sopladores plato e impulsor, valeros y aceite) Limpieza general, Compresor 1-300 Caseta de verificación de aceite, 7 7 bandas, pistones y psi (ITSA) compresores carcaza Limpieza general, verificación de aceite, Compresor 2-300 Caseta de 7 7 bandas, pistones y psi (ITSA) compresores carcaza EQUIPO

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LOCALIZACIÓN

JUL AGO SEP OCT NOV DIC

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No. OBSERVACIONES Y/O BITÁCORA P R P R P R P R P R P R Y PÁGINAS BITÁCORA UTILIZADA Limpieza y verificación Equipo de del paso de cloro al Caseta de medición de cloro cloración equipo (FUERA DE residual SERVICIO) Limpieza y verificación Caseta de Alarma de gas con amoniaco líquido. cloro cloración (FUERA DE SERVICIO) Registro del peso del gas cloro en kg y verificación Caseta de Cilindro de gas cloro cloración de fugas (FUERA DE SERVICIO) Limpieza y verificación Caseta de Dosificador de interna de sus rios cloro cloración (FUERA DE SERVICIO) Limpieza de disipadores Bomba 1 (Barnes) Sistema terciario 14 14 de calor, bases y caseta Limpieza de disipadores Bomba 2 (Barnes) Sistema terciario 14 14 de calor, bases y caseta Verificación de zapatas, Arrancador (Cutler Caseta del 14 cables, bobina y limpieza Amerm) sistema terciario 14 general Rastra del Sedimentador Limpieza, lubricación y 21 21 21 sedimentador secundario engrasado Caseta de CCM Mantenimiento anual control Limpieza y verificación Hidroneumático Sistema terciario 14 14 presión Bombas de Reactor recirculación de Mensualmente biológico lodos Revisión de instalaciones Puertas de la Planta y 29 29 Revisión de instalaciones planta y laboratorios laboratorio Trabajos de Planta y 2 3 Revisión de instalaciones albañilería laboratorios Pintura de Planta y Revisión de instalaciones hidráulica laboratorios Planta y Pintura eléctrica Revisión de instalaciones laboratorios Planta y Gases Revisión de instalaciones laboratorios rios Baño 25 25 25 24 25 22 Revisión de instalaciones sanitario Planta y Extintores laboratorios Revisión de lava Laboratorios Los días 1 y 15 ojos y regaderas Verificación de registros Eléctricos Planta 11 12 12 13 12 12 Agua Planta 11 12 12 13 12 12 Caseta de Cada vez que se instale Balance de cargas control un equipo NOTAS: Esta fuera de servicio. EQUIPO

LOCALIZACIÓN

JUL AGO SEP OCT NOV DIC

225

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AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 7 Instrucciones: a continuación se presentan varias preguntas que pretenden reforzar los conocimientos adquiridos, por favor conteste de manera breve. 1. ¿Escriba los valores recomendados de la constante de metabolismo celular (Y)? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. ¿Escriba los datos que se requieren para el cálculo del gasto de purga? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. ¿Cuáles son los registros de operación que se deben realizar? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. ¿Cuál es el objetivo del mantenimiento de una planta de tratamiento? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. ¿Por qué es importante el mantenimiento preventivo? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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8

NORMATIVIDAD APLICADA A EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES AUTORES: Gustavo A. Ortiz Rendón Gabriela Moeller Chávez Petia Mijaylova Nacheva

Objetivo particular: Al término del tema, el participante conocerá la legislación, criterios, requerimientos y normas referentes a aguas residuales en México.

8.1 Desarrollo de la legislación en México. Criterios y normas En la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos se establecen las bases normativas referentes al medio ambiente. El desarrollo en torno al derecho ambiental mexicano se puede observar en tres etapas: • • •

Conservación y Regulación de los Recursos Naturales (1917-1970) Prevención y Control de la Contaminación (1971-1981) Legislación Ambiental vigente (1982 a la fecha)

Dentro de la última etapa se promulgaron cuatro leyes que actualmente constituyen la base de la normativa para el control de la contaminación: • • • •

Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente (1988) Ley de Aguas Nacionales (1992 y 2004) Ley Federal sobre Metrología y Normalización (1992) Ley Federal de Derechos en Materia de Agua (1997)

En la Ley de Aguas Nacionales (LAN, 2004), se define una visión moderna y descentralizada de la gestión que considera, entre otros aspectos, lo siguiente: •

Se establece que el Ejecutivo Federal favorecerá la descentralización de la gestión de los recursos hídricos y reglamentará por cuenca y acuífero la explotación, uso, aprovechamiento de las aguas nacionales del subsuelo y superficiales (Artículo 5).

•

La Comisión Nacional del Agua se constituye como el órgano superior técnico, normativo y consultivo de la Federación. Se organiza en dos modalidades: a nivel nacional y a nivel hidrológico istrativo: organismo de cuenca (Artículo 9.) La Comisión realizará esas atribuciones contando con los nuevos Organismos de Cuenca, que son en cada región las autoridades del agua. Estos organismos están dotados de autonomía técnica, istrativa y de gestión. (Artículo 12 BIS).

•

227

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•

Los Consejos de Cuenca se fortalecen como organismos colegiados de integración mixta, no gubernamentales, coordinados, pero no subordinados a los Organismos de Cuenca, las dependencias y entidades federales, estatales y municipales, para realizar básicamente labores de planeación, programación coordinación y concertación en aspectos específicos de la gestión hídrica (Artículo 13). Actualmente, el Reglamento de la LAN está en proceso de redacción. En lo que se refiere a prevención y control de la contaminación, se establece que la CNA ejerce las facultades correspondientes a la Autoridad Federal en materia de prevención y control de la contaminación del agua, de acuerdo con las leyes: LAN y Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente. La Ley Federal sobre Metrología y Normalización (LFMN) estableció una nueva nomenclatura de normas y nuevos procedimientos para la elaboración de las mismas. Se definen dos tipos de normas: • •

Normas Mexicanas (NM), normas de referencia que se emiten por los organismos nacionales de normalización, y Normas Oficiales Mexicanas (NOM), de carácter obligatorio, que se expiden por las dependencias competentes.

A las NOM en materia ambiental se encuentra encomendada la determinación de los parámetros dentro de los cuales se garantizan las condiciones necesarias para el bienestar de la población y para asegurar la preservación y restauración del equilibrio ecológico y la protección al ambiente, es decir si el derecho ambiental tutela como bienes jurídicos a los diversos elementos de la biosfera, las Normas Oficiales Mexicanas determinan hasta donde la actividad perturbadora de la conducta humana puede ser tutelada por dichos bienes sin alterar su equilibrio. De conformidad con el artículo 62 de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización, previas invitaciones enviadas por la Presidencia del Instituto Nacional de Ecología a diferentes instituciones, el 17 de diciembre de 1992 se llevó a cabo la constitución del Comité Consultivo Nacional de Normalización para la Protección Ambiental, como órgano para la elaboración de Normas Oficiales Mexicanas de su competencia. Este comité cuenta con 8 subcomités, uno de los cuales es el de agua. En el periodo 1993-94 fueron analizadas y aprobadas 44 NOM en materia de control de descargas de aguas residuales y una referente al método para la determinación de Toxicidad Aguda con Daphnia magna. Esta normativa abarcó la mayor parte de los sectores industriales en el país. Las normas publicadas entraban en vigor con diferentes fechas desde 1993 hasta 1995 a medida de su publicación en el DOF, excepto la NOM-067-ECOL-1997, referente a descargas de aguas residuales municipales a cuerpos receptores, la cual iba a entrar el vigor el 1 de enero de 1997. Para el control de la contaminación por descargas de aguas residuales existen dos principales métodos:

228

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• •

Control en los cuerpos receptores, fijando Limites Máximos Permisibles (LMP) de los parámetros de calidad del agua en los cuerpos receptores de acuerdo al uso del agua. Control de las descargas, fijando LMP de diferentes parámetros de calidad del agua para las descargas a los cuerpos receptores.

El método de control en los cuerpos receptores ofrece mayores ventajas ya que toma en consideración la contaminación total del cuerpo de agua, permite diseñar los sistemas de tratamiento de acuerdo al uso propuesto del cuerpo receptor y la calidad del agua correspondiente a este uso. Relacionado con esto, el costo del tratamiento es óptimo, no se excede el grado de tratamiento necesario. La aplicación del método de control en el cuerpo receptor es, sin embargo, más difícil y requiere de más tiempo para implementar. Se necesita una amplia red de estaciones de monitoreo y existen dificultades para el control de las descargas al cuerpo receptor. Para la implementación de este método se necesita realizar estudios preliminares para la clasificación de todos los cuerpos receptores según su uso y después fijar Condiciones Particulares de Descarga (D) para cada planta, es decir fijar los LMP del conjunto de parámetros de la calidad del agua que garantiza la calidad del agua requerida en el cuerpo receptor. Otra desventaja de este método es que para la vigilancia del cumplimiento de las D se requiere una buena infraestructura de laboratorios y personal altamente capacitado. Además, todavía no existen instrucciones prácticas respecto a la frecuencia y distancia permisible para el muestreo en condiciones extraordinarias, como por ejemplo en caso de inundaciones, así como para el muestreo en condiciones meteorológicas o geográficas extraordinarias. Este método permite fijar diferentes valores LMP para las diferentes plantas de tratamiento de aguas residuales de un mismo tipo, de un mismo sector o subsector industrial. Esto, sin embargo, implica también diferencia en las inversiones para sistemas de tratamiento que las plantas industriales de un mismo giro industrial tienen que realizar, dependiendo del cuerpo receptor a donde las industrias descargan, o sea de su ubicación, la cual no siempre considera solamente factores ecológicos sino también sociales, cercanía a fuentes de materia prima, etc. El método de control en las descargas es más práctico y fácil de implementar. Los requerimientos respecto la calidad del agua residual en este caso son iguales independientemente de cual sea el cuerpo receptor. Las descargas son fáciles de controlar y también es fácil de determinar el grado de tratamiento requerido. La desventaja de este método es que no existe una relación de dependencia entre las características de las aguas residuales y el cuerpo receptor, no se toma en cuenta el flujo del agua en el cuerpo receptor, ni su capacidad de asimilación y autopurificación. Es posible que en muchas plantas los LMP sean excedidos aun cuando se cumpla con las normas de emisión. Si las restricciones imponen un nivel de tratamiento superior al necesario, el costo de operación de las plantas de tratamiento se hace superior al óptimo. 229

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En México, como en muchos países del mundo, se combinan los dos métodos de control, en los cuerpos receptores y en las descargas. Mediante la red de monitoreo se controlan algunos parámetros de la calidad del agua en las principales cuencas del país. Los estudios para la clasificación de los cuerpos naturales de agua han permitido fijar D para una parte de las descargas registradas. Las D, según la LAN y su reglamento las define la CNA. Estas se establecen en los permisos de descarga que se entregan a los s, cuya obligación es cumplir con las restricciones. Para la protección de los cuerpos receptores que no han sido monitoreados y estudiados detalladamente se aplican las NOM referentes a descargas de aguas residuales. El paquete de 44 normas en materia de control de la contaminación por descargas de aguas residuales fue elaborado apegándose al método de control en las descargas. En casos específicos, cuando en un momento dado se demuestre que la capacidad de autopurificación o asimilación de contaminantes en un cuerpo receptor es reducida, o las autoridades federales, estatales o municipales consideren necesario y conveniente para la conservación o mejoramiento de la calidad del agua en determinadas cuencas, los valores máximos permisibles de las NOM pueden ser reducidos mediante su fijación como Ds. La vigilancia del cumplimiento de las restricciones establecidas mediante las D y las NOM referentes a descargas corresponde a la CNA. Las sanciones por incumplimiento y el procedimiento para su imposición se establecen en el Reglamento de la LAN. Los principales criterios que generalmente se usan para determinar los parámetros de control de las descargas de aguas residuales y los límites de las restricciones son: • • • • •

La calidad requerida del agua en los cuerpos receptores de acuerdo a su uso. El caudal y las características físico-químicas y microbiológicas de las aguas residuales. La factibilidad técnica y económica de la tecnología de tratamiento. El método de disposición (directo o indirecto, sistemas de tratamiento individuales o combinados). La capacidad de dilución, autopurificación y acumulación de contaminantes persistentes en los cuerpos receptores.

Últimamente, debido a que la calidad en los cuerpos receptores se ha deteriorado grandemente, no se considera su capacidad de autopurificación y se exige que el agua descargada tenga la calidad que se requiere para el cuerpo receptor. En este sentido la normativa a nivel internacional se ha vuelto mucho más estricta que la de hace dos - tres décadas. Para el caso de descargas de aguas residuales a cuerpos receptores, además de los niveles de los límites máximos permisibles, que especifican las normas, en muchos países se han definido requerimientos mínimos.

230

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En la tabla 8.1 se presentan los requerimientos mínimos para las descargas de aguas residuales municipales a cuerpos receptores de agua superficiales según U.S. EPA (U.S.EPA, 1973; U.S.EPA, 1992). En Alemania, además de las normas de la LAWA, también se han definido requerimientos mínimos para las descargas de aguas residuales tanto domésticas, como industriales a los cuerpos receptores. En estos requerimientos mínimos se establecen por giros industriales los límites de concentración o carga para los diferentes parámetros o grupos de sustancias que no deben excederse. En la tabla 8.2 se presentan los requerimientos mínimos de los valores de SS, DQO y DBO5 para aguas residuales municipales aplicados en la Comunidad Europea (Fresenius et al., 1991). Los requerimientos están clasificados en tres grupos según la capacidad necesaria de las plantas de tratamiento para procesar el contenido de materia orgánica en las aguas residuales. Tabla 8.1 Requerimientos mínimos para descargas de aguas residuales municipales a cuerpos receptores según U.S.EPA. PARAMETRO DBO5, mg/L SST, mg/L pH Coliformes fecales, NMP/100 ml

PROMEDIO MENSUAL 30 30 6-9 200

PROMEDIO SEMANAL 45 45 6-9 400

Tabla 8.2 Requerimientos mínimos para aguas residuales municipales aplicados en la Comunidad Europea CLASIFICACIÓN SEGÚN LA CAPACIDAD DE LA PLANTA Clase 1. 60 kg/d de DBO Muestra simple Muestra compuesta a las 2 h Muestra compuesta a las 24 h Clase 2. 60-600 kg/d de DBO Muestra simple Muestra compuesta a las 2 h Muestra compuesta a las 24 h Clase 3. 600 kg/d de DBO Muestra simple Muestra compuesta a las 2 h Muestra compuesta a las 24 h

SÓLIDOS SEDIMENTABLES (SS), ml/l 0.3 -

DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO), mg/l 180 120

DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO5), g/l 45 30

0.3 -

160 110

35 25

0.3 -

140 100

30 20

Las 44 NOM elaboradas en el periodo 1993-1995 consideraron la calidad del agua en los cuerpos receptores de las localidades principales de los diferentes giros industriales, los diagnósticos de los efluentes de los sectores industriales analizados, y la factibilidad técnica de la tecnología de tratamiento convencional aplicable a cada sector. Además de los proyectos de normas a la consideración del Subcomité del Agua fueron también sometidos los estudios de la factibilidad económica de cada norma.

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Para la elaboración y la discusión de las normas fueron utilizados estudios nacionales e internacionales disponibles en el país; literatura especializada en materia de control de contaminación, calidad de agua y tecnología de tratamiento de efluentes industriales; normativa internacional y bases de datos sobre tratabilidad de aguas residuales y remoción de contaminantes específicos, tóxicos orgánicos, metales pesados, etc. Los tóxicos orgánicos fueron incorporados como parámetros de control en el apartado Condiciones Particulares de descarga de 25 de las normas. La lista de los compuestos tóxicos orgánicos más probables en las descargas industriales fue incluida en el texto de la primera norma oficial ecológica como ANEXO, refiriéndose a este al mencionar el parámetro Tóxicos Orgánicos en las demás NOMs. En el apartado de Condiciones Particulares de descarga de las NOM fue incluido el parámetro Toxicidad Aguda con Daphnia magna. La incorporación de los últimos dos parámetros, aunque solamente en el apartado D, ponían la base de un nivel más alto de control de contaminación, que es necesario empezar a llevar a cabo en un futuro cercano, el control de los contaminantes tóxicos. Como resultado de una fuerte polémica en el Subcomité, se quito el parámetro Fósforo Total y el Nitrógeno Total de la "tabla de control por las NOM" para todas las industrias excepto "Producción de fertilizantes", pasándolos a la lista de parámetros que se pueden fijar como condiciones particulares de descarga. Se suspendió también el parámetro temperatura de la lista de control de la NOM 001, referente a termoeléctricas. En forma general, las 44 normas elaboradas fueron suficientemente estrictas para garantizar la protección de los cuerpos receptores en términos globales y obligaban la aplicación de tratamiento de las descargas industriales a niveles económicamente aceptables para las industrias, limitaban la descarga de algunos contaminantes específicos y característicos para los efluentes de determinadas industrias, restringían el uso de agua residual sin tratamiento en la agricultura y la descarga de lodos de plantas de tratamiento al alcantarillado municipal. La calidad necesaria del agua residual municipal en México se reglamentaba en la NOMCCA-067-ECOL/1994, la cual tenía que entrar en vigor desde 1 de enero de 1996. Esta norma establecía dos niveles de la calidad requerida de acuerdo al tamaño de la población, para poblaciones menores y mayores de 80,000 habitantes.

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8.2 Normativa vigente (1997-2004) 8.2.1 NOM-001-SEMARNAT-1996 Que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales. En el año 1996, la Gerencia de Normas, sometió a la consideración del Subcomité de Agua una propuesta de NOM, la cual consideraba el uso del agua en los cuerpos receptores, elemento que no consideraban las normas anteriores. Al igual que en las normas anteriores, se utilizaba el método de control en las descargas, pero los cuerpos receptores se dividen en 10 categorías según su uso y para cada categoría se establece una cierta calidad de las aguas descargadas. Esta norma fue aprobada y publicada en el DOF el 6 de enero de 1997 como NOM-001ECOL-1996 (ahora SEMARNAT), entrando en vigor desde el día de su publicación. La NOM-001-ECOL-1996 (ahora SEMARNAT) abrogó las 44 normas anteriores. El punto 1 de las “Especificaciones” de la nueva norma establece que “la concentración de contaminantes básicos, metales pesados y cianuros para las descargas de aguas residuales a aguas y bienes nacionales, no debe exceder el valor indicado como límite máximo permisible en las tablas 8.2 y 8.3 de esta Norma Oficial Mexicana” y que “el rango permisible del potencial de hidrógeno (pH) es de 5 a 10 unidades. En la tabla 8.3 se presentan los límites máximos permisibles para los contaminantes según la NOM-001-SEMARNAT-1996, considerando las correcciones publicadas en el DOF el 30 de abril de 1997 en “Aclaraciones a la NOM-001-SEMARNAT-1996”. La tabla 8.4 presenta los valores de los LMP para metales pesados y cianuros, considerando también las correcciones anteriormente mencionadas.

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Tabla 8.3 Límites máximos permisibles para contaminantes básicos según NOM-001-SEMARNAT-1996 PARÁMETROS (mg/l, excepto cuando se especifique)

EMBALSES NATURALES Y ARTIFICIALES

RÍOS

AGUAS COSTERAS

SUELO HUMEDADES Uso en Explotación NATURALES Uso en Protección de riego pesquera, Recreación Estuarios Uso público Uso en riego Uso público (B) riego vida acuática agrícola (A) urbano (B) agrícola (B) urbano (C) navegación y (B) (B) agrícola (A) (C) otros usos (A) P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D.

Temperatura, °C N.A. N.A. 40 40 (1) Grasas y Aceites 15 25 15 25 (2) Materia Flotante aus. aus. aus. aus. (3) Sólidos Sedimentables 1 2 1 2 (ml/l) Sólidos 150 200 75 125 Suspendidos Totales Demanda 150 200 75 150 Bioquimica de Oxigeno 5 Nitrógeno Total 40 60 40 60 Fósforo Total 20 30 20 30

40

40

40

40

40

40

40

40

40

40

40

40

15

25

15

25

15

25

15

25

15

25

15

25

aus.

aus.

aus.

aus.

aus.

aus.

aus.

aus.

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

40

60

75

125

40

60

150

200

75

125

75

30

60

75

150

30

60

150

200

75

150

15 5

25 10

40 20

60 30

15 5

25 10

N.A. N.A.

N.A. N.A.

N.A. N.A. N.A. N.A.

N.A. N.A.

40

40

15

25

aus.

aus.

N.A. N.A.

1

2

125

N.A. N.A.

75

125

75

150

N.A. N.A.

75

150

15 5

25 10

N.A. N.A. N.A. N.A.

N.A. N.A.

N.A. N.A.

15

25

aus. aus. aus. aus. aus. aus.

P.M. = Promedio Mensual; P.D. = Promedio Diario; N.A. = No es aplicable; aus. = ausente. (A), (B), (C) = Tipo de Cuerpo Receptor según la Ley Federal de Derechos. (1) Instantáneo; (2) Muestra Simple Promedio Ponderado; (3) Ausente según el método de Prueba definido en la NMX-AA-006.

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Tabla 8.4 Límites máximos permisibles para metales pesados y cianuros según NOM-001-SEMARNAT-1996 PARÁMETROS (*) (mg/l)

Arsénico Cio Cianuros Cobre Cromo Mercurio Níquel Plomo Zinc

EMBALSES NATURALES Y ARTIFICIALES

RÍOS

Uso en Protección de Uso público Uso en riego riego vida acuática urbano (B) agrícola (B) agrícola (A) (C) P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. 0.2 0.4 0.1 0.2 0.1 0.2 0.4 0.1 0.2 0.1 1.0 3.0 1.0 2.0 1.0 4.0 6.0 4.0 6.0 4.0 1.0 1.5 0.5 1.0 0.5 0.01 0.02 0.005 0.01 0.005 2 4 2 4 2 0.5 1.0 0.2 0.4 0.2 10 20 10 20 10

P.D. 0.2 0.2 2.0 6.0 1.0 0.01 4 0.4 20

P.M. 0.2 0.2 2.0 4.0 1.0 0.01 2 0.5 10

P.D. 0.4 0.4 3.0 6.0 1.5 0.02 4 1.0 20

AGUAS COSTERAS

Explotación pesquera, Recreación Estuarios Uso público urbano (C) navegación y (B) (B) otros usos (A) P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. P.M. P.D. 0.1 0.2 0.1 0.2 0.2 0.4 0.1 0.2 0.1 0.2 0.1 0.2 0.2 0.4 0.1 0.2 1.0 2.0 2.0 1.0 2.0 3.0 1.0 2.0 4.0 6.0 4.0 6.0 4.0 6.0 4.0 6.0 0.5 1.0 0.5 1.0 1.0 1.5 0.5 1.0 0.005 0.01 0.01 0.02 0.01 0.02 0.01 0.02 2 4 2 4 2 4 2 4 0.2 0.4 0.2 0.4 0.5 1.0 0.2 0.4 10 20 10 20 10 20 10 20

SUELO HUMEDADES Uso en NATURALES riego (B) agrícola (A) P.M. 0.2 0.05 2.0 4.0 1.5 0.005 2 5 10

P.D. P.M. 0.4 0.1 0.1 0.1 3.0 1.0 6.0 4.0 1.0 0.5 0.01 0.005 4 2 10 0.2 20 10

P.D. 0.2 0.2 2.0 6.0 1.0 0.01 4 0.4 20

(*) Medidos de manera total.

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El punto 2 de “Especificaciones” de la NOM-001-SEMARNAT-1996 establece que”para determinar la contaminación por patógenos se tomará como indicador a los coliformes fecales” y que “el límite máximo permisible para las descargas de aguas residuales vertidas a aguas y bienes nacionales, así como las descargas vertidas a suelo (uso en riego agrícola) es de 1,000 y 2,000 NMP/100 ml para el promedio mensual y diario respectivamente”. El punto 3 de “Especificaciones” de la NOM-001-SEMARNAT-1996 establece que “para determinar la contaminación por parásitos se tomará como indicador los huevos de helminto” y que “el límite máximo permisible para las descargas vertidas a suelo (uso en riego agrícola), es de un huevo de helminto por litro para riego no restringido, y de cinco huevos por litro para riego restringido, lo cual se llevará a cabo de acuerdo a la técnica establecida en el anexo 1 de esta Norma”. Por definición “riego no restringido” es “la utilización de agua residual destinada a la actividad de siembra, cultivo y cosecha de productos agrícolas en forma ilimitada como forrajes, granos, frutas, legumbres y verduras”. El término “riego restringido” según la NOM-001-SEMARNAT-1996 es “la utilización de agua residual destinada a la actividad de siembra, cultivo y cosecha de productos agrícolas, excepto legumbres y verduras que se comen crudas”. Los responsables de descargas que tenían establecidas D antes de la entrada en vigor de la NOM-001-SEMARNAT-1996, pueden optar por cumplir con los requisitos de esta norma (punto 4 de “Especificaciones”). En el punto 5 de “Especificaciones” de la NOM-001-SEMARNAT-1996 se establecen fechas de cumplimiento para descargas de aguas municipales, dependiendo del número de habitantes (Tabla 8.5), y para descargas no municipales, dependiendo de la carga contaminante expresada como DBO5 o SST (Tabla 8.6). Como se puede observar el cumplimiento planteado es gradual y progresivo. Las fechas presentadas en las tablas 8.5 y 8.6 podrán ser adelantadas por la CNA para algún cuerpo receptor específico, siempre y cuando exista el estudio correspondiente que valide la modificación (punto 6 de “Especificaciones”). Tabla 8.5 Fechas de cumplimiento de la NOM-001-SEMARNAT-1996 establecidas para las descargas de aguas municipales FECHA DE CUMPLIMIENTO A PARTIR DE: 1 de enero de 2000 1 de enero de 2005 1 de enero de 2010

RANGO DE POBLACIÓN: Mayor de 50,000 habitantes De 20,001 a 50,000 habitantes De 2,501 a 20,000 habitantes

Tabla 8.6 Fechas de cumplimiento de la NOM-001-SEMARNAT-1996 establecidas para las descargas de aguas no municipales FECHA DE CUMPLIMIENTO A PARTIR DE: 1 de enero de 2000 1 de enero de 2005 1 de enero de 2010

236

CARGA CONTAMINANTE DEMANDA BIOQUÍMICA DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS OXIGENO (DBO5), t/d TOTALES, t/d Mayor de 3.0 Mayor de 3.0 De 1.2 a 3.0 De 1.2 a 3.0 Menor de 1.2 Menor de 1.2

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En caso de que actualmente no se cumplen los requerimientos de la NOM-001SEMARNAT-1996, según el punto 7 de “Especificaciones” de esta norma, se establecen plazos para presentar programas de las acciones u obras a realizar para el control de la calidad del agua de las descargas por parte de los responsables de las descargas. El plazo establecido para descargas a cuerpos receptores tipo B (ríos, uso público urbano) que rebasan 5 veces los LMP de la NOM es de 180 días naturales a partir de su publicación. En los demás casos, los responsables quedan obligados a presentar los programas de acciones u obras en los plazos que se presentan en las tablas 8.7 y 8.8. La NOM-001-SEMARNAT-1996 obliga a los responsables de las descargas realizar el monitoreo de las descargas de aguas residuales para determinar el promedio diario y mensual. La periodicidad de análisis y reportes se indican en el punto 8 de “Especificaciones” (Tabla 8.9 y 8.10). Tabla 8.7 Plazos establecidos para que los responsables de las descargas municipales presenten programas de acciones u obras en caso de que se rebasen los LMP que marca la NOM-001-SEMARNAT-1996 RANGO DE POBLACIÓN Mayor de 50,000 habitantes De 20,001 a 50,000 habitantes De 2,501 a 20,000 habitantes

FECHA LIMITE 30 de junio de 1997 31 de diciembre de 1998 31 de diciembre de 1999

Tabla 8.8 Plazos establecidos para que los responsables de las descargas no municipales presenten programas de acciones u obras en caso de que se rebasen los LMP que marca la NOM-001-SEMARNAT-1996 DBO5 y/o SST, t/d Mayor de 3.0 De 1.2 a 3.0 Menor de 1.2

FECHA LIMITE 30 de junio de 1997 31 de diciembre de 1998 31 de diciembre de 1999

Tabla 8.9 Frecuencia de muestreos y presentación de reportes para descargas de tipo municipal establecida en la NOM-001-SEMARNAT-1996 RANGO DE POBLACIÓN Mayor de 50,000 habitantes De 20,001 a 50,000 habitantes De 2,501 a 20,000 habitantes

FRECUENCIA DE MUESTREO Y ANÁLISIS MENSUAL TRIMESTRAL SEMESTRAL

FRECUENCIA DE REPORTE TRIMESTRAL SEMESTRAL ANUAL

Tabla 8.10 Frecuencia de muestreos y presentación de reportes para descargas de tipo no municipal establecida en la NOM-001-SEMARNAT-1996 DBO5 t/d Mayor de 3.0 De 1.2 a 3.0 Menor de 1.2

SST t/d Mayor de 3.0 De 1.2 a 3.0 Menor de 1.2

FRECUENCIA DE MUESTREO Y ANÁLISIS MENSUAL TRIMESTRAL SEMESTRAL

FRECUENCIA DE REPORTE TRIMESTRAL SEMESTRAL ANNUAL

237

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En situaciones que justifiquen un mayor control de la descargas, como protección de fuentes de abastecimiento por consumo humano, emergencias hidroecológicas o procesos productivos fuera de control, la CNA podrá modificar la periodicidad de muestreos y reportes. Los registros del monitoreo deberán mantenerse para su consulta por un periodo de tres años posteriores a su realización. En el punto 9 de “Especificaciones” de la NOM-001-SEMARNAT-1996 se establece que el responsable de la descarga estará exento de realizar el análisis de alguno o varios de los parámetros que se señalan en esta norma, cuando demuestre que por las características del proceso productivo o el uso que la da al agua, no genera o concentra los contaminantes a exentar, manifestando ante la CNA, por escrito y bajo protesta de decir verdad. La autoridad podrá verificar la veracidad de lo manifestado por el . En caso de falsedad, el responsable quedara sujeto a lo dispuesto en los ordenamientos legales aplicables. La norma especifica también que en el caso de que el agua de abastecimiento registre alguna concentración promedio mensual de los parámetros referidos en las tablas 8.3 y 8.4, así como del pH y de los parámetros microbiológicos, la suma de esta concentración al LMP promedio mensual, es el valor que el responsable de la descarga esta obligado a cumplir, siempre y cuando lo notifique por escrito a la CNA (punto 10 de “Especificaciones”). El punto 11 de “Especificaciones” de la NOM-001-SEMARNAT-1996 se refiere al caso de sistemas de drenaje y alcantarillado combinadas, estableciendo que cuando se presentan aguas pluviales en estos sistemas, el responsable de la descarga tiene la obligación de operar su planta de tratamiento y cumplir con los LMP de la NOM, o en su caso con sus D y podrá a través de una obra de desvío derivar el caudal excedente. El responsable de la descarga tiene la obligación de reportar a la CNA el caudal derivado. Si como consecuencia de implementar un programa de uso eficiente y/o reciclaje del agua en los procesos productivos, los contaminantes se concentran en la descarga, y debido a esto se rebasan los límites máximos permisibles, el responsable de la descarga debe solicitar ante CNA se analice el caso para que se le fijen D. En la tabla 8.11 se presenta una comparación de los niveles de las restricciones que establecía la normativa 1993-1996 y la actual para aguas residuales municipales. Lo avanzado de la normativa actual es que la calidad requerida de las descargas depende del tipo y del uso de los cuerpos receptores. Referente al control de parámetros, la NOM-001-SEMARNAT-1996 excluyó el control de DQO y SAAM, pero incorporó el control de N y P para algunos tipos de cuerpos receptores. Se observa que para ríos donde aplica el criterio de protección de la vida acuática y para embalses de uso público - urbano los valores de los LMP para SST y DBO5 son más bajos que los que se planteaban en la normativa anterior. En este caso se restringe también el contenido del N y del P en las descargas. Para ríos de uso público urbano, para embalses de uso en riego agrícola, para aguas costeras en su categoría de estuarios y para uso recreativo, así como para los humedales 238

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naturales, se establecieron restricciones similares, ligeramente mas laxos, que las que planteaba la normativa anterior. En el caso de ríos de uso público urbano y para embalses de uso en riego agrícola, se incorporó el control de N y P, pero a niveles tan altos que realmente no implica control de estos elementos para la mayoría de las descargas. En el caso de humedales y aguas costeras para recreación no se incorporó el control de N y P, pero sí para estuarios. La NOM-001-SEMARNAT-1996 establece valores de los LMP para SST y DBO5 tres veces mayores que los de la normativa anterior para ríos de uso en riego agrícola y para aguas costeras de explotación pesquera, navegación y otros usos. Conociendo que más de 70% de los ríos en el país tienen precisamente el uso en riego agrícola, se puede concluir que la normativa actual es mas laxa que la anterior en cuestión de control de contaminación por sólidos, materia orgánica y detergentes. Sabiendo, además, que la mayor parte de los ríos no tienen alta capacidad de dilución y autopurificación, es más, en la mayor parte del año el único agua que los alimenta es el agua de las descargas de aguas residuales, se puede concluir también que estos ríos se convertirán en canales de aguas residuales de relativamente baja carga, de 150-200 mg/l de SST y DBO5.

239

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Tabla 8.11 Comparación de los niveles de los LMP de la normativa 1993-1996 y la NOM actual, referente a las descargas de aguas residuales a cuerpos receptores PARÁMETROS (mg/l, excepto cuando se especifique)

NOM-CCA067ECOL/1993

SST

50-100

DBO5

50-100

DQO Grasas y Aceites

100-20 10-20

SAAM Nitrógeno Total

5 -

Fósforo Total

-

Col. Fecales, NMP/100 ml

-

240

EMBALSES NATURALES Y ARTIFICIALES

RÍOS Uso en Uso riego público agrícola urbano (B) (A) 150 75 125 200 150 75 150 200 15 15 25 25 40 40 60 60 20 20 30 30 1,000-2,000

Protección Uso en Uso vida riego público acuática (C) agrícola (B) urbano (C) 40 60 30 60 15 25 15 25 5 10

75 125 75 150 15 25 40 60 20 30

40 60 30 60 15 25 15 25 5 10

AGUAS COSTERAS Explotación pesquera, navegación y otros usos (A) 150 200 150 200 15 25 N.A. N.A. N.A. N.A.

HUMEDADES NATURALES

Recreación Estuarios (B) (B) 75 125 75 150 15 25 N.A. N.A. N.A. N.A.

75 125 75 150 15 25 15 25 5 10

(B) 75 125 75 150 15 25 N.A. N.A. N.A. N.A.

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Referente al reúso del agua residual tratada para riego agrícola, en la nueva norma se amplio el rango de pH permisible, ya no se controla el contenido de los SST en el agua, ni el contenido de la materia orgánica. Se excluyeron del control el Boro, el Fierro, el Aluminio, el Selenio, el Manganeso y los Fluoruros. Se incorporó el control del contenido de Hg. Con respecto al control microbiológico la normativa anterior planteaba las restricciones con respecto a Coliformes Fecales y Huevos de Helmintos dependiendo del tipo de cultivos que se someten al riego, teniéndose 4 tipos de cultivos. La NOM-001-SEMARNAT-1996 estableció el nivel de las restricciones para los Coliformes Fecales a 2,000 NMP/100 ml como P.D. y a 1,000NMP/100 ml como P.M. Para los Huevos de Helmintos se definen dos categorías: riego restringido (todo, menos legumbres y verduras que se comen crudas) con LMP de 5 H.H. y riego no restringido (todo) con LMP de 1 H.H.

8.2.2 NOM-002-SEMARNAT-1996 Que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal. La norma que establecía los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado durante el periodo 19931997, fue la NOM-031-ECOL-1993. Debido a “obstáculos de carácter técnico” en su aplicación, esta fue sometida a análisis por parte del INE, en coordinación con la CNA, con autoridades locales y con los diversos sectores involucrados en su cumplimiento, llegándose a la conclusión de que “era necesario reformular la norma, tomando en consideración puntos de vista socio-económicos, la infraestructura existente de los sistemas de alcantarillado, la determinación de parámetros prioritarios, el tamaño de poblaciones y la compatibilidad con otras normas en la materia, y que las disposiciones establecidas sean operativas y su cumplimiento sea gradual y progresivo” (DOF, 9 de enero de 1997). El proyecto de la nueva norma, NOM-002-SEMARNAT-1996 fue publicado en el DOF el 9 de enero de 1997 a fin de que los interesados en un plazo de 90 días presenten sus comentarios al Comité Consultivo Nacional de Normalización. Los comentarios fueron analizados y se realizaron algunas modificaciones al proyecto de la norma. La NOM-002-SEMARNAT-1996 quedó finalmente aprobada como norma oficial en la sesión de fecha 9 de diciembre de 1997. Las respuestas a los comentarios se publicaron en el DOF el 3 de abril de 1998, poco mas tarde se publicó y la NOM-002SEMARNAT1996, el 3 de junio de 1998, desde cuando esta norma entró en vigor y abrogó la anterior NOM-CCA-031-ECOL/1993. El punto 1 de “Especificaciones” establece los límites máximos permisibles para contaminantes de las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal (Tabla 8.12). Para las grasas y aceites es el promedio ponderado en función del caudal, resultante de los análisis practicados a cada una de las muestras simples.

241

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Los límites máximos permisibles establecidos en la columna instantáneo, son únicamente valores de referencia, en el caso de que el valor de cualquier análisis exceda el instantáneo, el responsable de la descarga queda obligado a presentar a la autoridad competente en el tiempo y forma que establezcan los ordenamientos legales locales, los promedios diario y mensual, así como los resultados de laboratorio de los análisis que los respaldan. Tabla 8.12 Límites máximos permisibles para contaminantes según NOM-002SEMARNAT-1996 PARÁMETROS (mg/l, excepto cuando se PROMEDIO MENSUAL especifique otra) Grasas y Aceites 50 Sólidos sedimentables 5 (mililitros por litro) Arsénico total 0.5 Cádmio total 0.5 Cianuro total 1 Cobre total 10 Cromo hexavalente 0.5 Mercurio total 0.01 Niquel total 4 Plomo total 1 Zinc total 6

PROMEDIO DIARIO

INSTANTANEO

75

100

7.5

10

0.75 0.75 1.5 15 0.75 0.015 6 1.5 9

1 1 2 20 1 0.02 8 2 12

Los puntos 3, 4 y 5 de “Especificaciones” se refieren a las restricciones con respecto al pH, la temperatura y la materia flotante: •

El rango permisible de pH en las descargas de aguas residuales es de 10 a 5.5 unidades, determinando para cada una de las muestras simples. Las unidades de pH no deberán estar fuera del intervalo permisible, en ninguna de las muestras simples.

•

El límite máximo permisible de la temperatura es de 40°C, medida en forma instantánea a cada una de las muestras simples. Se permitirá descargar con temperaturas mayores, siempre y cuando se demuestre a la autoridad competente por medio de un estudio sustentado, que no daña al sistema del mismo.

•

La materia flotante debe estar ausente en las descargas de aguas residuales. Este parámetro se determina de acuerdo al método de prueba establecido en la Norma Mexicana NMX-AA-006.

En los puntos 6 y 7 de “Especificaciones” se establece que los límites máximos permisibles para los parámetros demanda bioquímica de oxígeno y sólidos suspendidos totales, que debe cumplir el responsable de la descarga a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal, son los establecidos en la NOM-001-SEMARNAT-1996 (tabla 8.3) o a las condiciones particulares de descarga que corresponde cumplir a la descarga municipal. El responsable de una descarga que no de cumplimiento a lo anterior, podrá optar por remover la demanda bioquímica de oxígeno y sólidos suspendidos totales, mediante el tratamiento conjunto de las aguas residuales en la planta municipal, para lo cual deberá de: 242

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a) Presentar a la autoridad competente un estudio de viabilidad que asegure que no se generará un perjuicio al sistema de alcantarillado urbano o municipal. b) Sufragar los costos de inversión, cuando así se requiera, así como los de operación y mantenimiento que le correspondan de acuerdo con su caudal y carga contaminante de conformidad con los ordenamientos jurídicos locales aplicables. El punto 8 de “Especificaciones” prohíbe descargar o depositar en los sistemas de alcantarillado urbano o municipal, materiales o residuos considerados peligrosos, conforme a la regulación vigente en la materia. A continuación se establece que la autoridad competente podrá fijar condiciones particulares de descarga a los responsables de las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado, de manera individual o colectiva, donde se especificaran: • •

Nuevos límites máximos permisibles de descarga de contaminantes. Límites máximos permisibles para parámetros adicionales no contemplados en esta Norma. Dicha acción deberá estar justificada por medio de un estudio técnicamente sustentado, presentado por la autoridad competente o por los responsables de la descarga.

El punto 10 de “Especificaciones se refiere a la frecuencia de muestreo de las descargas. Los valores de los parámetros en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal, se obtendrán de análisis de muestras compuestas, que resulten de la mezcla de las muestras simples, tomadas estas en volúmenes proporcionales al caudal medido en el sitio y en el momento del muestreo (Tabla 8.13). Tabla 8.13 Frecuencia de muestreo de las descargas al alcantarillado según NOM-002SEMARNAT-1996 HORAS POR DÍA QUE OPERA EL PROCESO GENERADOR DE LA DESCARGA

NÚMERO DE MUESTRAS SIMPLES

Menor que 4 De 4 a 8 Mayor que 8 y hasta 12 Mayor que 12 y hasta 18 Mayor que 18 y hasta 24

Mínimo 2 4 4 6 6

INTERVALO MÁXIMO ENTRE TOMA DE MUESTRAS SIMPLES (HORAS) MÍNIMO 1 2 2 3

MÁXIMO 2 3 3 4

Para conformar la muestra compuesta, el volumen de cada una de las muestras simples debe ser proporcional al caudal de la descarga en el momento de su toma y se determina mediante la siguiente ecuación: VMSi = VMC ×

Qi Qt

Donde: VMSi = volumen de cada una de las muestras simples “i”, litros. VMC = volumen de la muestra compuesta necesario para realizar la totalidad de los análisis de laboratorio requeridos, litros. 243

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Qi = caudal medido en la descarga en el momento de tomar la muestra simple, litros por segundo. Qt = E Qi hasta Qn, litros por segundo. En el caso de que el periodo de operación del proceso o realización de la actividad generadora de la descarga, esta no se presente en forma continua, el responsable de dicha descarga deberá presentar a consideración de la autoridad competente la información en la que se describa su régimen de operación y el programa de muestreo para la medición de los contaminantes. El cumplimiento de la NOM-002-SEMARNAT-1996 es gradual y progresivo, conforme al rango de población, tomando como referencia el XI Censo General de población y Vivienda, 1990. En el punto 11 de las “Especificaciones” se establecen las fechas de cumplimiento de los LMP de esta norma (Tabla 8.14). Tabla 8.14 Fechas de cumplimiento de los LMP que establece la NOM-002-SEMARNAT-1996 FECHA DE CUMPLIMIENTO A PARTIR DE: 1 de enero de 1999 1 de enero de 2004 1 de enero de 2009

RANGO DE POBLACIÓN: Mayor de 50,000 habitantes De 20,001 a 50,000 habitantes De 2,501 a 20,000 habitantes

Estas fechas de cumplimiento pueden ser modificadas por la autoridad competente, cuando: a) El sistema de alcantarillado urbano o municipal cuente con una o varias plantas de tratamiento en operación y la o las descargas causen efectos nocivos a la misma, el responsable de la descarga queda obligado a presentar a la autoridad competente, en un plazo no mayor de 180 (ciento ochenta) días a partir de la fecha de publicación de esta Norma, un programa de acciones en el cual se establezca en tiempo y forma el cumplimiento de esta Norma Oficial Mexicana. b) La autoridad competente, previo a la publicación de esta Norma, haya suscrito formalmente compromisos financieros y contractuales para construir y operar la o las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales c) La Comisión Nacional del Agua oficialmente establezca emergencias hidroecológicas o prioridades en materia de saneamiento, y en consecuencia se modifique la fecha de cumplimiento establecida en la Norma Oficial Mexicana NOM001-SEMARNAT-1996, referida en el punto 2 de esta Norma, para su descarga correspondiente. d) Exista previo a la publicación de esta Norma, reglamentación local que establezca fechas de cumplimiento para los responsables de las descargas a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal. Cuando la autoridad competente determine modificar las fechas de cumplimiento, deberá notificarlo a los responsables de las descargas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal, conforme a los procedimientos legales locales correspondientes. 244

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A continuación, se presentan algunas disposiciones reglamentarias que establece el capitulo de “Especificaciones” de la NOM-002-SEMARNAT-1996: •

Los responsables de las descargas tienen la obligación de realizar los análisis técnicos de las descargas de aguas residuales, con la finalidad de determinar el promedio diario o el promedio mensual, analizando los parámetros señalados en la tabla 8.12. Asimismo, deben conservar sus registros de análisis técnicos por lo menos durante tres años posteriores a la toma de muestras.

•

El responsable de la descarga podrá quedar exento de realizar el análisis de alguno o varios de los parámetros que se señalan en esta Norma, cuando se demuestre a la autoridad competente que, por las características del proceso productivo, actividades que desarrolla o el uso que le de al agua, no genera o concentra los contaminantes a exentar, manifestándolo ante la autoridad competente, por escrito y bajo protesta de decir verdad.

La autoridad competente podrá verificar la veracidad de lo manifestado por el responsable. En caso de falsedad, el responsable quedará sujeto a lo dispuesto en los ordenamientos legales aplicables. •

El responsable de la descarga, en los términos que lo establezca la legislación local, queda obligado a informar a la autoridad competente, de cualquier cambio en sus procesos productivos o actividades, cuando con ello modifique la calidad o el volumen del agua residual que le fueron autorizados en el permiso de descarga correspondiente.

•

El responsable de la descarga de aguas residuales que, como consecuencia de implantar o haber implantado un programa de uso eficiente y/o reciclaje del agua en sus procesos productivos, concentre los contaminantes en su descarga, y en consecuencia rebase los límites máximos permisibles establecidos en la presente Norma, deberá solicitar ante la autoridad competente se analice su caso particular, a fin de que esta le fije condiciones particulares de descarga.

•

En el caso de que el agua de abastecimiento registre alguna concentración promedio diario mensual de los parámetros referidos en la tabla 8.13, la suma de esta concentración al límite máximo permisible correspondiente, es el valor que el responsable de la descarga esta obligado a cumplir, siempre y cuando lo demuestre y notifique por escrito a la autoridad competente.

8.2.3 NOM-003-SEMARNAT-1997 Que establece los límites máximos permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas que se reúsen en servicios al público. La NOM-003-SEMARNAT-1997 es una norma nueva. El proyecto de esta norma fue publicado en el DOF el 14 de enero de 1998, a fin de que los interesados presenten sus comentarios, como lo establece la fracción I del artículo 47 de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización. 245

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Los comentarios fueron analizados en el seno del Comité Consultivo Nacional de Normalización para la protección Ambiental, realizándose modificaciones procedentes a la norma y el 14 de agosto de 1998, las respuestas y los comentarios fueron publicados en el DOF. Habiéndose cumplido el procedimiento de elaboración de normas oficiales mexicanas, el citado Comité aprobó la NOM-003-SEMARNAT-1997 el 22 de abril de 1998 y esta fue publicada en el DOF el 21 de septiembre de 1998, fecha desde cuando entró en vigor. Dentro de las definiciones de conceptos que maneja esta norma, los relacionados con las formas de reúso son los que a continuación se presentan: Lago artificial recreativo. Vaso de formación artificial alimentado con aguas residuales tratadas con al público para paseos en lancha, prácticas de remo y canotaje donde el no tenga o directo con el agua. Lago artificial no recreativo. Vaso de formación artificial alimentado con aguas residuales tratadas que sirve únicamente de ornato, como lagos en campos de golf y parques a los que no tiene el público. Reúso en servicios al público con o directo. Es el que se destina a actividades donde el público este expuesto directamente o en o físico. En lo que corresponde a esta NOM se consideran los siguientes reúsos: llenado de lagos y canales artificiales recreativos con paseos en lancha, remo, canotaje y esquí; fuentes de ornato, lavado de vehículos, riego de parques y jardines. Servicios al público con o indirecto u ocasional. Es el que se destina a actividades donde el público en general este expuesto indirectamente o en o físico incidental con ella y que su es restringido, ya sea por barreras físicas o personal de vigilancia. En lo que corresponde a esta NOM se consideran los siguientes reúsos: riego de jardines y camellones de autopistas; camellones en avenidas; fuentes de ornato, campos de golf, abastecimiento de hidrantes de sistemas contra incendio, lagos artificiales no recreativos, barreras hidráulicas de seguridad y panteones. En el punto 1 de “Especificaciones” de la NOM-003-SEMARNAT-1997 se presentan los límites máximos permisibles de contaminantes en aguas residuales tratadas destinadas para servicios al público con o directo y para servicios con o indirecto u ocasional (Tabla 8.15). Tabla 8.15 Límites máximos permisibles para contaminantes según NOM-003-ECOL-1997

TIPOS DE REUSO SERVICIOS AL PUBLICO CON O DIRECTO SERVICIOS AL PUBLICO CON O INDIRECTO U OCASIONAL 246

COLIFORMES FECALES NMP/100 ml

PROMEDIO MENSUAL HUEVOS DE GRASAS Y HELMINTO ACEITES (h/l) m/l

DBO5 mg/l

SST/mg /l

240

<1

15

20

20

1,000

<5

15

30

30

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Al igual que en la norma anterior, se establece que la materia flotante debe estar ausente en el agua residual tratada, y que la determinación de este parámetro se debe de realizar de acuerdo al método de prueba establecido en la Norma Mexicana NMX-AA-006. El control de metales y cianuros en las aguas residuales tratadas reusadas en servicios al público, según el punto 3 de “Especificaciones” de la NOM-003-ECOL-1997, debe realizarse considerando los LMP establecidos en la columna que corresponde a embalses naturales y artificiales con uso en riego agrícola de la NOM-001-ECOL-1996 (Tabla 8.4). Finalmente la NOM-003-ECOL-1997 reglamenta que las entidades públicas responsables del tratamiento de las aguas residuales que reúsen en servicios al público, tienen la obligación de realizar el monitoreo de las aguas tratadas en los términos de la presente Norma Oficial Mexicana y de conservar al menos durante los últimos tres años los registros de la información resultante del muestreo y análisis, al momento en que la información sea requerida por la autoridad competente. Con respecto al muestreo de las aguas tratadas para reúso, se establece que los responsables del tratamiento y reúso de las aguas residuales tratadas, tienen la obligación de realizar los muestreos de acuerdo con la NMX-AA-003. La periodicidad y número de muestras será: •

Para los coliformes fecales, materia flotante, demanda bioquímica de oxigeno, sólidos suspendidos totales y grasas y aceites, al menos 4 (cuatro) muestras simples tomadas en días representativos mensualmente.

•

Para los huevos de helminto, al menos dos muestras compuestas tomadas en días representativos mensualmente.

•

Para los metales pesados y cianuros, a las menos dos muestras simples tomadas en días representativos anualmente.

En el capítulo “métodos de prueba” de la NOM-003-SEMARNAT-1997, se establece que para determinar coliformes fecales, el responsable del tratamiento y reúso del agua residual podrá realizar los análisis de laboratorio de acuerdo con la NMX-AA-102-1987 (Detección y enumeración de organismos coliformes, organismos coliformes termotolerantes y Escherichia coli presuntiva por el método de filtración en membrana), siempre y cuando demuestre a la autoridad competente que los resultados de las pruebas guardan una estrecha correlación o son equivalentes a los obtenidos mediante el método de tubos múltiples que se establece en la NMX-AA-42-1987. El responsable del tratamiento y reúso del agua residual, puede solicitar a la Secretaria de Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca, la aprobación de métodos de prueba alternos. En caso de aprobarse, estos pueden ser aplicados por otros responsables en situaciones similares. Para la determinación de huevos de helminto se deben aplicar las técnicas de análisis que se señalan en el anexo de esta Norma.

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Como referencia y para fines comparativos, a continuación se presentan las directrices de OMS con respecto a la calidad del agua tratada para reúso recreativo (Tabla 8.16) y para reúsos municipales no potables tales como lavado de calles y coches, riego de áreas verdes urbanas (Tabla 8.17). Se observa que en la categoría “con o directo”, las restricciones de la NOM-003SEMARNAT-1997 con respecto a coliformes fecales, DBO5 y SST son similares a los planteados por la OMS para reúso recreativo, sin embargo la NOM permite hasta 15 mg/l de GyA, mientras que las directrices marcan la necesidad de remover completamente las grasas y aceites, la NOM no considera los parámetros pH y Temperatura, ni Nitrógeno y Fósforo, ni Olor y Color que si están incluidos en las recomendaciones de OMS. Además, para reúso municipal no potable, con o sin o directo, las recomendaciones de la OMS indican una calidad mas estricta, mientras que la NOM no hace la diferencia entre reúso recreativo con o directo y reúso municipal con o directo. Tabla 8.16 Directrices de OMS para reúso recreativo PARAMETROS Patógenos Sustancias Tóxicas pH Olor y Color Sólidos Sedimentables Materia Flotante GyA SST DBO5 DQO Ntotal Fosfatos Temperatura

CON O DIRECTO Coliformes Fecales < 200 NMP/100 ml Ausente 7.4 (6-9) Ausente Ausente Ausente Ausente <20 <20 <30 Ausente 0.2 15-35 °C

SIN O DIRECTO PROLONGADO Coliformes Totales < 5,000 NMP/100 ml Ausente 6-9 Ausente Ausente Ausente Ausente <30 <30 <60 -

Tabla 8.17 Directrices de OMS para reúsos municipales no potables (lavado de calles y coches, riego de áreas verdes urbanas) PARAMETROS Patógenos

CON Y SIN O DIRECTO Coliformes Fecales <2.2 NMP/100 ml SST <15 mg/l DBO5 <20 mg/l GyA Ausente SDT 1,200 mg/l* * = puede ser mas estricto, dependiendo del Pasto. Otros parámetros = F-, SO42-, Cl-, Cu, Al, As, Zn, Pl etc.

En la Tabla 8.18 se presentan las restricciones con respecto a la calidad del agua residual tratada para reúso recreativo. Se observa que la normativa es mucho más estricta, tanto en el aspecto físico-químico, como en el microbiológico para el reúso con y sin o directo.

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Aquí se introduce una nueva categoría de reúso recreativo, o no permitido. La calidad del agua que se plantea para este último coincide con la NOM-003-SEMARNAT1997, a excepción de que están incluidos además los parámetros pH y Cloro Residual. En EUA la calidad que se exige para reúso municipal coincide con la de reúso recreativo con y sin o directo. Como se puede ver de la tabla 8.18, las restricciones son muy estrictas, plantean la completa ausencia de coliformes fecales, e incluyen el control de los parámetros pH, Turbiedad y Cloro Residual. Tabla 8.18 Normativa de EUA para uso recreativo (incluye con y sin o directo) y uso recreativo en áreas donde el o con el agua no se permite PARAMETROS Patógenos pH SST DBO5 Turbiedad Cloro Residual

CON Y SIN O DIRECTO Coliformes Fecales No Detectables 6-9 <10 mg/l <2 UTN 1 mg/l

O NO PERMITIDO Coliformes Fecales < 200 NMP/100 ml 6-9 <30 mg/l <30 mg/l 1 mg/l

Además de las tres NOM actualmente vigentes que constituyen la base técnica normativa para el manejo del agua residual en México, están en proyecto dos nuevas normas, una referente al manejo del lodo residual y otra referente a la disposición de aguas en el subsuelo. La aprobación de estas normas complementará el control normativo de la contaminación por aguas y lodos residuales. En el anexo de esta ponencia se presenta la técnica para la determinación y cuantificación de huevos de helminto según la NOM-003-SEMARNAT-1997. NOM-004-SEMARNAT-2002. Publicada en el Diario Oficial de la Federación del 15 de agosto de 2003. Esta Norma se refiere a lodos y biosólidos con sus especificaciones y límites máximos permisibles de contaminantes para su aprovechamiento o disposición final.

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HIGIENE Y SEGURIDAD AUTOR: Luciano Sandoval Yoval

Objetivo particular: Al término del tema, el participante comprenderá las diferentes acciones que deben llevarse a cabo para implementar medidas de seguridad e higiene en una planta de tratamiento de lodos activados. En EUA, la frecuencia de lesiones (incapacitación por lesiones por millón de horas-hombre trabajados) en empleados de plantas de tratamiento de aguas residuales es sustancialmente mayor que para trabajadores de otras industrias. En México ocurre algo similar, aunque no se tienen estadísticas relacionadas con plantas de tratamiento. El riesgo a enfermedades, principalmente la hepatitis, siempre se ha relacionado con plantas de tratamiento de aguas residuales. Las lesiones y enfermedades llevan a padecimientos y pérdidas de los recursos humanos. Además se tiene un impacto negativo en la eficiencia de la planta, la moral de los empleados las relaciones públicas, y finalmente una incidencia en los costos. La dirección efectiva de las plantas de tratamiento reflejan la excelencia en operación, incluyendo aspectos de higiene y seguridad. La higiene y seguridad se deben iniciar y mantener para prevenir enfermedades y accidentes en la planta. Los directivos necesitan mostrar interés en el establecimiento de programas de control de accidentes, incluyendo prevención de emergencias y de enfermedades ocupacionales.

Programas La mayor parte de los programas de higiene y seguridad para plantas de tratamiento de aguas residuales contienen tres elementos: • • •

Políticas por escrito de higiene y seguridad Comités de higiene y seguridad Capacitación en higiene y seguridad

Un buen programa proporcionará primeros auxilios y servicios médicos, además de un manual con información sobre prevención de accidentes y lesiones. La principal función del Comité de Higiene y Seguridad es la promoción del programa. Algunas otras actividades son: • • • •

Realizar inspecciones Proporcionar y sugerir capacitación Conducir investigaciones de accidentes y lesiones Desarrollo del manual de higiene y seguridad

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La capacitación es importante y sirve de medida preventiva contra accidentes y enfermedades, un programa de capacitación incluirá: • • • • • • • • • • • • •

Peligros en las plantas de aguas residuales Higiene y salud industrial para el personal Equipos de protección, incluyendo protección respiratoria Manejo y almacenamiento de materiales Uso seguro de herramientas y equipos Protección y control de incendios Primeros auxilios, incluyendo respiración artificial Mantenimiento industrial Reporte de accidentes y enfermedades Investigación de accidentes y enfermedades Seguridad en instalaciones eléctricas Procedimientos de entrada a espacios confinados y rescate Planeación de emergencias

Medidas de higiene Los trabajadores relacionados con el manejo de aguas residuales y Iodos generados en los procesos de tratamiento, están expuestos al o con microorganismos, por lo que su riesgo de contraer enfermedades infecciosas es alto; las siguientes enfermedades son comunes para quienes trabajan en plantas de tratamiento: • • • • •

Hepatitis A infecciosa Infecciones virales Infestación de parásitos Enfermedades gastrointestinales Anormalidades en fosas nasales, oídos y piel por infecciones

La mejor defensa contra infecciones virales y bacterianas es la observación de prácticas de higiene personal. A continuación se dan algunas recomendaciones para personas que trabajan cerca de aguas residuales o Iodos.

252

•

Mantener manos y dedos lejos de la nariz, boca, ojos y oídos.

•

Usar guantes de hule cuando se limpian bombas o equipos, se maneje agua residual, rejillas, Iodos o arena, u otras tareas que involucren o directo con las aguas residuales o Iodos.

•

Usar guantes siempre que se tenga una lesión en las manos, como quemadura, cortada, raspón, etc. para evitar el o directo de microorganismos con el torrente sanguíneo.

•

Lavarse las manos con jabón, preferentemente con agua caliente, antes de comer o fumar y después de terminar los trabajos.

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•

Mantener las uñas cortas y remover los materiales extraños que se introduzcan en las mismas.

•

Se recomienda el uso de dos gavetas por trabajador; una para guardar ropa de calle y limpia y para la ropa de trabajo.

•

Informar cualquier lesión por pequeña que sea incluyendo raspones para que se apliquen los primeros auxilios.

•

Bañarse al finalizar su turno de trabajo.

Para asegurar la máxima protección a la salud, los empleados deben recibir vacunación contra: • • • • • • • •

Hepatitis A Hepatitis B Influenza Sarampión Paperas Neumonía Rubéola Tétanos y difteria

Sustancias peligrosas Se requiere desarrollar un programa de identificación manejo y control de sustancias peligrosas como son los productos químicos. Se debe conocer su peligro potencial y su manejo adecuado para tomar las precauciones necesarias. Las prácticas recomendadas para los trabajadores que manejan este tipo de sustancias, a fin de salvaguardar su integridad física son: •

Uso de equipos de protección.

•

Procedimientos adecuados en el mantenimiento y almacenamiento de sustancias peligrosas.

•

Uso de aspiradoras y equipos de limpieza para el área de almacenamiento y lugares de trabajo.

•

Áreas prohibidas para fumar en lugares donde se manejen sustancias inflamables y explosivas.

•

Separación de áreas de baños y comedores, de áreas de almacenamiento.

•

Uso de etiquetas en los recipientes que incluyan información de su manejo, y primeros auxilios.

•

Colocación de señales de precaución y alerta para los trabajadores. 253

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•

Carteles con instrucciones de emergencia en lugares críticos.

•

Acciones para emergencias, como incendios, derrames y fugas, acompañadas de instrucciones para primeros auxilios.

•

Capacitación para uso y manejo de sustancias peligrosas.

Espacios confinados Un espacio confinado es un área accesible, con cualquiera de las siguientes características: s limitados para entrar y salir; ventilación natural desfavorable; espacio escaso para trabajadores. La mayor parte de las muertes, lesiones y enfermedades se presentan en espacios confinados y por exposiciones a gases tóxicos o deficiencias de oxígeno en la atmósfera. Los peligros que puede tener un trabajador en espacios confinados son: • • • • • • • •

Deficiencia de oxígeno en la atmósfera Atmósfera inflamable Atmósfera tóxica Temperaturas extremas Derrumbe de materiales Ruidos amplificados Resbalones por pisos húmedos Caída de objetos

Las precauciones que se deben observar en estos espacios incluyen: • • • • • • • • • • •

Pruebas y monitoreo de los gases en la atmósfera del espacio confinado Ventilación continua general o local con ventiladores manuales Equipos de protección personal, principalmente para respiración Señales y etiquetas de precaución y de peligro Capacitación del personal que trabaja en espacios confinados Revisión médica periódica Autorizaciones para entrar a espacios confinados Aislamiento de espacios confinados Personal capacitado en diferentes partes de la planta Procedimientos por escrito para trabajar, y poder realizar actividades de rescate Equipos de respiración disponibles

Medidas de protección Deben ser consideradas desde el diseño de las instalaciones; en forma resumida las más importantes son: •

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Cercado de la planta de tratamiento o de unidades donde el público no debe tener .

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•

Facilidades de estacionamiento y andadores que lleven a las oficinas de la planta.

•

Áreas de almacenamiento fuera del alcance de personal extraño.

•

Iluminación adecuada al trabajo que se desarrolle.

•

Ventilación para prevenir ambientes explosivos.

•

Protección contra incendios tanto de oficinas como de almacenes, sala de sopladores, sala de cloración, etc.

•

Agua potable suficiente para las actividades normales de la planta, incluyendo abastecimiento a laboratorios, baños, regaderas, etc.

•

Cercas de protección y señales de alerta en instalaciones eléctricas.

•

Implantación de medidas de seguridad en el laboratorio.

Se hará mención de algunas actividades que se consideran peligrosas, para las cuales deben seguirse procedimientos establecidos para que puedan llevarse a cabo: •

Trabajos bajo la superficie, en alcantarillados, registros, estaciones de bombeo, desarenadores, túneles, trincheras, tanques, etc.

•

Levantar objetos que por su forma, tamaño, peso, etc, pueden causar lesiones en la espalda, o accidentes.

•

Uso de escaleras; las caídas en ellas son una de las principales causas de lesiones.

•

Trabajos en áreas de producción y manejo de instalaciones de gas.

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AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 9 Instrucciones: a continuación se presentan varias preguntas que pretenden reforzar los conocimientos adquiridos, por favor conteste de manera breve. 1. ¿Por qué se deben iniciar y mantener medidas de seguridad e higiene en una planta de tratamiento? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. Mencione por lo menos tres enfermedades que son comunes entre los trabajadores de una planta de tratamiento. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. ¿Cuál es la mejor defensa contra infecciones virales y bacterianas? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. Para una mejor protección, ¿contra qué se deben vacunar los trabajadores? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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MANEJO DE LODOS RESIDUALES AUTOR: Esperanza Ramírez Camperos Lina Cardoso Vigueros Gabriella Moeller Chávez

Objetivos particulares: Al término del tema, el participante: • Conocerá los tipos y las características del lodo residual, así como la normatividad vigente para su uso o disposición. • Comprenderá los métodos de espesamiento y las diversas tecnologías que se pueden utilizar para la estabilización de los lodos residuales para su uso como biosólido.

Introducción Los lodos residuales son el subproducto del tratamiento de las aguas residuales. Tradicionalmente estos lodos, muchas veces sin tratamiento, se han descargado al drenaje municipal, a las corrientes superficiales, almacenados a cielo abierto, y en rellenos sanitarios, provocando contaminación por sus altos contenidos de materia orgánica, patógenos, metales pesados y compuestos orgánicos tóxicos. En México se requiere de tecnología para la disposición y aprovechamiento de los lodos, en cuyo desarrollo y adaptación estén considerados los siguientes aspectos: bajo costo de inversión, operación y mantenimiento; reducción del impacto al ambiente; eficiencia en la reducción de contaminantes, y aprovechamiento de la materia orgánica y los nutrientes que contienen estos desechos. El aprovechamiento del lodo soluciona un problema de contaminación y convierte un desecho peligroso en un recurso económico. Sin embargo, para lograr el reúso del lodo y su introducción al mercado, se necesitan criterios y normas que controlen los riesgos potenciales al medio ambiente. El Reglamento de la Ley de Aguas Nacionales establece en su título décimo: infracciones, sanciones y recursos, en el artículo 119 que los lodos residuales deberán manejarse de una manera ambientalmente aceptable. La NOM-004Semarnat-2002, determina la calidad de los lodos residuales para utilizarse como biosólidos y la NOM-052-Semarnat-2005, define si son residuos peligrosos. Existen varias opciones tecnológicas que pueden desarrollarse y posteriormente adaptarse a las condiciones de cada país. Es importante señalar que se debe establecer una filosofía en cuanto al tratamiento integral del agua residual - lodo, y el reúso de ambos.

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10.1 Tipos y características de los lodos residuales Los tipos y las características del lodo residual dependen tanto de la composición inicial del agua residual, como de los sistemas usados para el tratamiento del agua residual y el lodo. Diferentes procesos de tratamiento generan diferentes tipos y volúmenes de lodo. En una planta de tratamiento en particular, las características de los lodos producidos pueden variar anualmente, estacionalmente o diariamente debido a los cambios tanto de la composición del agua residual como de los procesos de tratamiento. Esta variación es mayor en los sistemas de tratamiento de aguas residuales que reciben una gran cantidad de descargas industriales. Las características del lodo influyen en las opciones de su uso y disposición. Así, cuando se evalúan las alternativas de uso o disposición, se debe determinar inicialmente la cantidad y características del lodo y el rango en que varía cada parámetro de interés. Dependiendo del lugar donde se generan los lodos, dentro de la planta de tratamiento, se pueden clasificar en: primarios, secundarios y terciarios, ver, tabla 10.1 y figura 10.1

Cribado

Sedimentador primario

Sedimentador secundario

Desinfección

Lodo primario

Reactor biológico

Lodo secundario Lodo secundario

Tratamiento de lodos Figura 10.1 Tipos de lodo residual

Tabla 10.1 Tipos de lodo residual Tipo de lodo Lodo primario

Origen Sedimentación primaria

Lodo secundario

Tratamiento biológico (lodos activados, biofiltros y biodiscos)

Lodo terciario o de Sistemas avanzados tratamiento químico Coagulación–floculación, filtración, precipitación química

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% Sólidos 3-7 0.5 – 2 Variable, hasta 50%

Características Alto contenido de materia orgánica Constituído principalmente por biomasa. Es difícil de deshidratar Variables, dependen del proceso de tratamiento aplicado

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10.1.1 Características físicas Las características físicas del lodo se deben conocer para su tratamiento posterior especialmente para definir su capacidad de deshidratación y filtración, algunas de estas características se muestran en la tabla 10.2. El color de los lodos varía entre el pardo y el gris, y su olor es a menudo desagradable puesto que se trata de productos fácilmente fermentables y existe un inicio de descomposición. Tabla 10.2 Características físicas del lodo Parámetro Gravedad Específica

Definición Relación de peso del material con respecto a un volumen igual de agua

Sólidos totales Contenido total de sólidos en un lodo (ST) Sólidos Totales Representan la materia orgánica y los Volátiles compuestos que puedan evaporarse a una (STV) temperatura de 550ºC Sólidos Totales Fijos (STF) Sólidos suspendidos (SST) Sólidos Sedimentables Resistencia específica Capacidad calorífica

Representa el material remanente o cenizas después de determinar los SV

Determinación x

1 Wi = ∑( ) S s n =1 Si Ss = Gravedad específica del lodo Wi = Fracción de peso del iésimo componente del lodo. Si = Gravedad específica del iésimo componente. Secado de muestra a 103-105º C Norma Mexicana NMX-AA-034 Evaporación a 550ºC de la muestra que se ha secado previamente a 103ºC para determinar ST Norma Mexicana NMX-AA-034 Se determina por diferencia de peso STF = ST –STV Norma Mexicana NMX-AA-034 Secado de muestra remanente en el filtro a 103 - 105 º C Norma Mexicana NMX-AA-034

Materia en suspensión que existe en el líquido y que se retiene en un filtro de fibra de vidrio1.58 µm. Estos sólidos también se clasifican en SSV y SSF, cuando los SST se queman a a 550ºC Sólidos que sedimentan fácilmente por gravedad Se determina en un cono Imhoff y se expresan en mL/L durante 30 minutos Norma Mexicana NMX-AA-004 Es la capacidad de filtración de los lodos a una Se determina al filtrar un muestra de presión determinada y se expresa en m/kg. o en lodo a una presión determinada seg2/g. Capacidad de combustión de un lodo Se determina por combustión de la muestra

El agua contenida en un lodo puede considerarse que se encuentra en cuatro diferentes formas: • • • •

Agua particulada o interna: que es el agua que se encuentra enlazada químicamente en cada una de las partículas. Agua capilar: que se adhiere a cada una de las partículas y que puede ser eliminada si el lodo es compactado. (2%) Agua de flóculo o de adhesión: que es englobada dentro de los flóculos. Puede removerse por medios mecánicos. (20%) Agua libre o intersticial: que no está adherida a los sólidos que componen al lodo y que se elimina por sedimentación. (74%) 259

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Esta clasificación se hizo efectuando experimentos para lodos activados, utilizando técnicas de centrifugación. El agua libre fue determinada por una prueba de sedimentación, obteniéndose un porcentaje aproximado de 74%. El agua de flóculo 20% y el agua capilar 2%.

10.1.2 Características químicas Las características químicas de un lodo pueden dividirse según el tipo de parámetro analizado en inórganicas y orgánicas. a) Parámetros inorgánicos Los compuestos inorgánicos incluyen todas aquellas combinaciones de elementos que no incluyen carbono orgánico. Los constituyentes inorgánicos incluyen básicamente arena, arcilla y materia mineral en suspensión, metales y algunos otros elementos. a.1) Contenido de metales pesados La disposición no controlada del lodo, en basureros, rellenos sanitarios, o en cuerpos de agua, produce un impacto ambiental negativo, ya que, los metales pesados penetran la cadena alimenticia. Su presencia en grandes cantidades, en el suelo, causa fitotoxicidad por metales tales como Zn, Cu o Ni, o absorción y acumulación de Cd, en tejidos animales y vegetales. a.2) Contenido de nutrimentos Es de interés el utilizar el lodo como un mejorador de suelo, por lo que es muy importante conocer el contenido de Nitrógeno, Fósforo y Potasio para determinar su valor como fertilizantes. Las concentraciones típicas de estos elementos en lodos se muestran en la tabla 10.3. El % de estos en el lodo, así como la fracción orgánica, es indicativo de su valor como fertilizante. Sin embargo la aplicación del lodo al suelo debe controlarse. Una aplicación no controlada de lodo en el suelo provoca un exceso de nitratos que son percolados con los lixiviados al acuífero. Al hombre le afecta cuando ingiere agua con exceso de estos compuestos. Los nitratos se acumulan en los tejidos vegetales, principalmente en las hojas lo que provoca problemas en los animales que se alimentan con ellas. Tabla 10.3 Concentraciones típicas de nutrimentos en fertilizantes comerciales y lodos estabilizados Producto Fertilizantes comerciales Lodos biológicos estabilizados

Nitrógeno 5 3.3

Nutrientes (%) Fósforo 10 2.3

Potasio 10 0.3

Los problemas potenciales que se presenta cuando se usa éste desecho son: exceso de sales y alta cantidad de sodio. El primero reduce la germinación de las plantas y su crecimiento. El segundo causa la dispersión de las partículas del suelo, lo que provoca un empobrecimiento en su estructura y reduce los porcentajes de infiltración de agua. Desde 260

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el punto de vista de salud humana un exceso de nitratos o sodio puede provocar disfunciones cardiovasculares, hematológicas y neurológicas (PAHO, WHO y EHP, 1989). b) Parámetros orgánicos Los compuestos orgánicos son aquellos que contienen el elemento carbono en combinación con uno o más diferentes elementos. La materia orgánica en los lodos es generalmente de origen animal o vegetal, así como de microorganismos y sus productos de desecho. Se encuentran presentes también en fibras de origen vegetal, grasas, aceites, almidones, ligninas, etc. b.1) Contenido de materia orgánica El contenido de materia orgánica en un lodo usualmente se expresa utilizando los siguientes parámetros: (ver capítulo 1) • • •

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) Demanda química de oxígeno (DQO) Carbono orgánico total (COT) b.2) Contenido de tóxicos orgánicos

Muchos estudios han mostrado la presencia de compuestos tóxicos en el lodo. El peligro potencial de estos compuestos es debido a que son poco solubles en agua; no se degradan fácilmente en el suelo; tienen una alta afinidad por los lípidos, por lo tanto se pueden acumular en los tejidos. Todos estos compuestos además de acumulables pueden pasar a través de la cadena alimenticia. Son altamente tóxicos a los mamíferos, muchos de ellos son carcinogénicos. Además la degradación natural de estos compuestos, el mismo tratamiento de agua o lodo provoca el desarrollo de nuevos compuestos o metabolitos muchas veces más tóxicos que el compuesto original. Existen dos grupos de compuestos altamente tóxicos, los pesticidas organohalogenados y los hidrocarburos aromáticos polinucleares. La aplicación de lodos al suelo con presencia de estos contaminantes puede acarrear graves problemas a la salud y al medio ambiente.

10.1.3 Características microbiológicas Las aguas residuales contienen una flora y una fauna variadas que posteriormente pasan a formar parte de los lodos. El tratamiento biológico de las aguas residuales modifica su composición biológica por la multiplicación de ciertas especies en detrimento de otras. El tratamiento de las aguas residuales municipales genera lodos con altas concentraciones de microorganismos patógenos los cuales deben eliminarse antes de su disposición final o de su uso en suelo. Los principales microorganismos que se encuentran en los lodos son: Bacterias: las bacterias que se encuentran en los lodos pueden dividir en cuatro clases: aerobias estrictas, aerobias facultativas, anaerobias facultativas y anaerobias estrictas. Su presencia dependen del sistema de tratamiento utilizado y de los componentes del agua residual. 261

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Hongos: se trata esencialmente de las levaduras y los saprófitos que están normalmente presentes en el aire; por lo general, no son patógenos para los animales o el hombre, con excepción de algunos que pueden llegar a serlo cuando las condiciones son favorables. Algas: no se encuentran en gran cantidad en los lodos primarios y secundarios; pero en los sistemas de tratamiento lagunares, gran parte de los lodos están constituidos por detritus de algas. Macrofauna: también puede estar presente en los lodos la macrofauna formada por gusanos, larvas de insectos, crustáceos, etc. Microorganismos patógenos: los microorganismos patógenos se encuentran generalmente en los lodos y en los efluentes; por lo tanto, es preciso tener cuidado de eliminarlos en ambos casos. Los principales patógenos encontrados en lodos residuales pueden ser divididos en cuatro grupos: bacterias, protozoos, helmintos y virus. Los procesos de tratamiento reducen el número de los microorganismos mencionados, pero no en su totalidad. Las concentraciones de éstos varían en el orden de 10 5 a 10 10 NMP/100mL. La mayoría de ellos son formas unicelulares independientes capaces de llevar a cabo en forma individual sus procesos de crecimiento, metabolismo y reproducción. En los lodos existe una concentración elevada de microorganismos patógenos que preocupan si los lodos no son estabilizados correctamente y cuando se intenta dar un posterior uso al lodo, por ejemplo, como mejorador de suelo, donde existe un riesgo de exposición de los humanos o animales a los microorganismos patógenos que contienen estos lodos. No solamente existen bacterias, sino también levaduras, hongos, protozoarios, crustáceo, parásitos, virus, etc. Como microorganismos indicadores de contaminación biológica se consideran los coliformes totales y fecales. Los niveles de densidad de microorganismos indicadores (coliformes totales y coliformes fecales) en lodos primarios, secundarios y mezclados se presentan en la tabla 10.4 Tabla 10.4 Niveles de organismos indicadores (coliformes totales y coliformes fecales) en lodos primarios, secundarios y mezclados Tipos de lodo Primarios Secundarios Mezclados

Coliformes totales Coliformes fecales (NMP/100ml) (NMP/100ml) 1.2 X 108 2.0 X 107 7.0 X 108 8.3 X 106 9 1.1. X 10 1.1. X 105 FUENTE: Lue Hing (1992)

Bacterias patógenas Dos bacterias son las de mayor importancia sanitaria en los lodos, las especies de Salmonella y la bacteria patógena oportunista Pseudomona aeruginosa. Estas se encuentran presentes en los lodos primarios en menores concentraciones que las bacterias indicadoras. Los valores promedio de Salmonella y Pseudomona aeruginosa son de 4.1 X 102 y 2.8 X 103 por gramo de sólido seco, respectivamente.

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Protozoarios y parásitos La identificación de protozoarios y parásitos en los lodos reviste gran importancia, ya que se sabe que en México una de las primeras causas de mortalidad y morbilidad es debida a enfermedades causadas por este tipo de organismos. Aproximadamente el 26 % de la población esta afectada por Ascariasis, el 19.2 % por Uncinariasis, el 19 % por Giardiasis y el 16 % por Amibiasis (Tay, 1976). De acuerdo a las características que se describieron anteriormente se observa que el lodo tiene características benéficas y también contiene contaminantes que en elevadas concentraciones causa efectos a la salud, los cultivos agrícolas y el suelo. La tabla 10.5 presenta las características contaminantes de un lodo residual sin tratamiento. Tabla 10.5 Características contaminantes de los lodos residuales Características Concentración Poca estabilidad Reducción de STV, menor de 38% Conductividad eléctrica 2.96 – 12 mS/cm Alta concentración de microorganismos indicadores y Coliformes fecales (10 5 - 107 NMP/g parásitos Huevos de helmino ( 0.83 – 3.83 HH/g) Metales pesados Cd 11- 54 ppm, Pb 42-3,375 ppm)

10.2 Normatividad sobre lodos residuales Para seleccionar los métodos más apropiados para el tratamiento, reúso y disposición de lodos se debe contar con una normatividad que controle el uso y disposición de estos residuos. En México las principales normas vigentes relativas al manejo de lodos residuales son: • •

Nom-052-SEMARNAT -2005. Nom-004-SEMARNAT-2002

La NOM-052-SEMARNAT- 2005, comprende las pruebas CRETIB que ayudan a definir si un residuo es peligroso o no. Los encargados del manejo de los lodos tienen que demostrar que éstos no presentan ninguna de estas características. • • • • • •

Corrosividad. Reactividad. Explosividad. Toxicidad. Inflamabilidad. Biológico infeccioso.

La NOM-004-SEMARNAT-2002 trata sobre lodos y biosólidos, especificaciones y límites máximos permisibles de contaminantes para su aprovechamiento y disposición final. Los generadores de biosólidos deben controlar la atracción de vectores, lo cual se logra con una reducción de sólidos volátiles por lo menos de 38%, demostrando su efectividad para lo cual se menciona en el Anexo I de dicha norma varias alternativas de tratamiento para alcanzar este propósito. 263

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También se establecen en esta norma los límites máximos permisibles de metales pesados, patógenos y parásitos como se muestra en las tablas 10.6 y 10.7. Tabla 10.6 Límites máximos permisibles para metales en biosólidos Contaminantes (determinados en forma total) Arsénico Cio Cromo Cobre Plomo Mercurio Níquel Zinc

Excelente mg/kg de lodo en base seca 41 39 1,200 1,500 300 17 420 2,800

Bueno mg/kg de lodo en base seca 75 85 3,000 4,300 840 57 420 7,500

Tabla 10.7 Límites máximos permisibles para patógenos y parásitos en lodos y biosólidos Clase

A B C

Indicador bacteriológico de contaminación Coliformes Fecales NMP/g en B.S. < 1,000 < 1,000 < 2’000,000

Patógenos

Parásitos

Salmonella spp NMP/g B.S. <3 <3 < 300

Huevos de Helminto/g B.S. < 1 (a) < de 10 < de 35

En esta misma norma se establecen los criterios para el aprovechamiento de los biosólidos en función del tipo y clase del lodo residual, como se puede observar en la tabla 10.8. Tabla 10.8 Aprovechamiento de biosólidos Tipo

Clase

Excelente

A

Excelente o bueno

B

Excelente o bueno

C

Aprovechamiento Usos urbanos con o público directo durante su aplicación. Los establecidos para clase B y C Usos urbanos sin o público directo durante su aplicación. Los establecidos para la Clase C. Usos forestales. Mejoramiento de suelos. Usos agrícolas.

Tratamientos para obtener lodos Clase A, B y C Los tratamientos para obtener lodos de diferentes clases de acuerdo a su contenido microbiológico se presentan en la figura 10.2.

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L O D O R E S I D U A L

CLASE A Uso sin restricciones

CLASE B y C Uso restringido

Procesos Termofílicos (T> 55°C) Composteo Digestión aerobia Digestión anaerobia Otros procesos: Secado con calor (T> 80°C) Pasteurización (T>70°C, 30 min.) Irradiación con rayos Gamma Irradiación con rayos Beta

Digestión aerobia Secado al aire Digestión anaerobia Estabilización con cal.

Figura 10.2 Tratamientos para obtener lodos Clase A, B y C

10.3 Tratamiento de lodos residuales Los procedimientos para tratar los lodos varían según la fuente y el tipo de aguas residuales de las que se derivan, del proceso utilizado para tratar las aguas residuales y del método último de disposición a la que se destinan los lodos. Para algunos lodos, generalmente de origen industrial, la selección de un tratamiento óptimo y una tecnología de disposición adecuada puede ser difícil, sin embargo pueden emplearse varias estrategias para escoger la mejor solución al sistema. Las evaluaciones experimentales, la legislación y las comparaciones económicas son necesarias para hacer esta selección. Los procesos físicos se utilizan para la reducción del volumen y peso del lodo, por medio de la remoción del agua libre o ligada. En los procesos químicos, se adicionan reactivos químicos al lodo y por medio de reacciones se realizan modificaciones en las propiedades del lodo. Los procesos biológicos se utilizan para oxidar bioquímicamente la materia orgánica contenida en el lodo, mientras que en los procesos térmicos se aplica energía para desaguar, destruir o reducir la toxicidad de los lodos. La tabla 10.9 es una matriz de selección de tecnología que puede orientar, en forma preliminar, la selección de la tecnología apropiada.

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Tabla 10.9 Alternativas tecnológicas Procesos físicos Espesamiento Deshidratación

Procesos químicos Acondicionamiento

Procesos biológicos Digestión aerobia

Proceso térmico

Disposición

Espesamiento por gravedad

Filtro al vació

Incineración

Espesamiento por flotación

Filtro de bandas

Neutralización

Digestión anaerobia

Vitrificación

Relleno

Centrifugación

Filtro prensa

Extracción

Composteo

Oxidación con aire húmedo

Reciclo

Espesamiento filtros de bandas

Centrifugación

Oxidación Reducción

Tratamiento en tierra

Desorción

Aplicación en tierra

Lechos de secado

Estabilización solidificación

Evaporación secado

Decloración

Cristalización

Prensa de tornillo

FUENTE: Lankford and Eckenfelder, Jr. (1990)

Estas son alternativas tecnológicas comúnmente utilizadas para formar trenes de tratamiento para el tratamiento y disposición de lodos residuales.

10.3.1 Espesamiento y deshidratación de lodos El espesamiento y la deshidratación de lodos son procedimientos que se emplean para aumentar el contenido de sólidos en los lodos al eliminar parte de la fracción líquida del mismo. La concentración o espesamiento suele llevarse a cabo mediante procesos físicos, que incluyen el espesado por gravedad, flotación, centrifugación y filtros de banda por gravedad. Para la deshidratación se utilizan equipos que utilizan presión o vacío y que permiten incrementar la concentración de sólidos en el lodo. La reducción del volumen del lodo resulta benéfica para los procesos de tratamiento subsiguientes tales como la digestión, la deshidratación, el secado y la combustión, desde los siguientes puntos de vista: • • •

Disminuye la capacidad de los tanques y de los equipos necesarios. Reduce la cantidad de reactivos químicos necesarios para el acondicionamiento del lodo. Disminuye la cantidad de calor necesario para los digestores y el combustible auxiliar requerido para el secado o incineración, o para ambos.

Los métodos más comunes de espesamiento y deshidratación de lodos son:

266

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• Gravedad • Flotación • Centrifugación Métodos comunes de espesamiento

• Filtro prensa • Filtro banda • Tambor rotatorio • Lechos de secado • Lagunas de lodo

Figura 10.3 Métodos de espesamiento y deshidratación para lodos residuales

En la tabla 10.10 se presenta la reducción del volumen del lodo que es posible alcanzar mediante la aplicación de diferentes procesos de tratamientos físicos para la remoción del agua. Tabla 10.10 Reducción del volumen del lodo mediante tratamientos físicos Reducción del volumen del lodo, % Hasta 5% al 10% del volumen inicial

Proceso Espesamiento

Gravedad, flotación

Sobrepresión o vacío, campos Del 35 al 15% del Deshidratación gravedad reforzados artificialmente volumen inicial Del 50 al 80% del volumen inicial

Secado

Contenido de agua en el lodo espesado, %

Fuerzas físicas aplicadas

85- 95 de

Para lodo tratado biológicamente: evaporación natural, calentamiento ligero. Para lodo no tratado: calentamiento intenso o congelamiento

60-85 40-60 0-60

a) Espesamiento por gravedad Se realiza en un tanque circular similar a uno de sedimentación. El tanque tiene un mecanismo rotatorio de baja velocidad con rastras mecánicas que al hacer o con las partículas del lodo incrementa la sedimentación y compactación. Se obtiene una solución concentrada de lodo en el fondo del tanque y un sobrenadante que se regresa a la entrada de la planta de tratamiento generalmente al sedimentador primario.

Figura 10.4 Esquema de un espesador por gravedad 267

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Tabla 10.11 Ventajas y desventajas del espesador por gravedad Ventajas Mayor capacidad de almacenamiento de lodos Operación sencilla Bajos costos de operación y mantenimiento

Desventajas Mayor área requerida Producción de olor En algunos lodos difícil separación sólido-líquido

Foto 10.1 Espesador por gravedad

b) Espesamiento por flotación con aire disuelto La flotación con aire disuelto es comúnmente utilizada en el espesamiento de lodos activados. En este proceso una porción del efluente se presuriza y se airea hasta una concentración de 70 a 80% de saturación. El líquido presurizado se mezcla con el influente de la corriente de lodo y se libera a la atmósfera en el tanque de flotación. Las partículas de aire permiten la floculación del lodo elevándolo a la superficie, donde se separa.

Efluente

Lodo espesado Tanque de flotación

Mezcla

Tanque de mezclado (polímeros).

Bomba dosificadora.

Válvula reguladora de presión

Recirculación

Influente

Aire Tanque de Presión

Bomba para presurizar

Figura 10.5 Diagrama de un espesador por aire disuelto

268

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Tabla 10.12 Ventajas y desventajas del espesador por flotación Ventajas Desventajas Mayor separación sólido líquido que el espesador por Mayores costos de operación que el de gravedad gravedad Mayor concentración de sólidos y menos área que el Poca capacidad de almacenamiento de gravedad Puede remover arenas y grasas Menor concentración de lodos que con centrífugas

Foto 10.2 Espesador con aire disuelto

c) Espesamiento y deshidratación por medio de centrífugas Se utiliza en el espesamiento y en la • Centrífugas de tazones deshidratación de lodos. En este proceso el lodo Tipos de se introduce en un recipiente rotatorio. La fuerza centrífuga empuja la materia sólida hacia las centrífugas • Centrifugas de canasta paredes del recipiente. Es un proceso muy eficiente y puede conseguir concentración de Figura 10.6 Tipos de centrífugas sólidos totales mayores del 30%. Centrífugas de tazones El lodo se alimenta en forma continua y los sólidos se concentran en la periferia. Un tornillo helicoidal mueve los lodos acumulados hacia el extremo reducido donde ocurre una concentración adicional de sólidos. El lodo se descarga fuera de la centrífuga.

269

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Figura 10.7 Centrífuga de tazones

Tabla 10.13 Ventajas y desventajas de la centrífuga de tazones Ventajas Producción de efluente clarificados sin químicos

Desventajas Puede utilizarse solamente para partículas menores de 400 micras Capacidad de manejar grandes cantidades de lodo Requiere pre-tratamiento y desarenado en un pequeño espacio No produce olores Personal especializado para operación y mantenimiento

Foto 10.3 Centrífugas de tazones

Centrífugas de canasta El lodo líquido es introducido hacia un tazón giratorio montado verticalmente. Los sólidos se acumulan contra la pared del tazón y el centrado es decantado. Cuando la capacidad de remoción de sólidos se ha conseguido, el tazón se desacelera, un mecanismo es posicionado en el tazón para ayudar a remover sólidos acumulados.

Foto 10.4 Centrífuga de canasta

270

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Tabla 10.14 Ventajas y desventajas de la centrífuga de canasta Ventajas Desventajas Puede utilizarse para espesamiento o deshidratación Operación intermitente Flexibilidad para conseguir condiciones del proceso Requiere estructura de soporte especial Menores costos de operación y mantenimiento de Mayor relación costo de inversión/capacidad todas las centrífugas

d) Espesamiento y deshidratación por filtros prensa Los filtros prensa son separadores de líquidos y sólidos a través de filtración por presión. Comprime y deshidrata sólidos hasta obtener del 25% al 60% por peso de los lodos compactados. Las placas filtrantes desmontables están hechas de polipropileno, y las mallas pueden ser de selladas, no selladas o membranas de alta resistencia. Cuenta con un sistema hidráulico-neumático que puede ser automático, semiautomático. La presión de operación varía entre 60 y 80 psi. El espesor del lodo entre 2.5 y 4 cms.

Foto 10.5 Filtros prensa

Tabla 10.15 Ventajas y desventajas de los filtros prensa Ventajas Produce mayor concentración de sólidos en el lodo

Desventajas Operación discontinua Altos costos de inversión y operación Requiere soportes especiales Requiere grandes áreas

e) Espesamiento y deshidratación en filtro banda En este método, la deshidratación se realiza forzando la salida del agua presente en el lodo por la aplicación de presiones elevadas. El contenido de sólidos en el lodo varía de 20 a 25%. Se necesita un acondicionamiento químico previo.

271

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Existen varios diseños y tipos de filtros de bandas. El filtro más conocido es la prensa de banda con tamiz. En este equipo se extiende una capa delgada de lodo sobre la banda giratoria de un tamiz. Después de la deshidratación preliminar por gravedad, se prensa el lodo a través de la banda de la prensa, ubicada encima de la faja filtrante, para ser retirado al llegar al final de la misma. Al extremo de los bandas, se pueden instalar rodillos móviles de soporte y prensado para que estas varíen de dirección, aumentado la presión sobre el lodo con ayuda de otras fuerzas de cizalla. Eficiencia de la filtración puede aumentarse por medio de la vibración de la banda. La parte de la banda que regresa pasa por chorros de lavado.

Figura 10.8 Diagrama de un filtro banda de gravedad

El lodo se comprime y es dividido por una serie de hojas a lo largo y ancho de la banda. El agua liberada pasa a través de la banda. El lodo espesado es vaciado en el extremo del equipo, la banda entra al ciclo de lavado.

Figura 10.9 Espesador de lodos por banda de gravedad

Tabla 10.16 Ventajas y desventajas de los filtros de bandas Ventajas

Desventajas

Dependiendo de la presión puede producir lodos Sensibles a cambios en las características del lodo secos Bajo consumo de energía Operación y mantenimiento continua

272

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Foto 10.6 Espesadores y filtros banda

f) Deshidratación en filtro de vacío por tambores rotatorios Filtro utilizado para deshidratar lodos que consiste en un tambor cilíndrico montado sobre un eje horizontal cubierto con un medio filtrante, figura 10.10 y foto 10.7. Por debajo del medio filtrante se mantiene el vacío durante la mayor parte de cada revolución a los efectos de extraer el agua. La torta deshidratada se remueve mecánicamente.

Figura 10.10 Espesador o filtro de tambor rotatorio

El lodo diluido se mezcla previamente con polímeros. El lodo acondicionado pasa al filtro, separando los sólidos floculados del agua. El lodo espesado sale por un extremo de los tambores. El agua separada cae a través de las mallas. En la figura 10.11 se muestra el funcionamiento del filtro.

Foto 10.7 Filtro rotatorio

273

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Figura 10.11 Diagrama explicativo y vista de un espesador o filtro de tambor rotatorio (Parkson Corporation)

Tabla 10.17 Ventajas y desventajas de los filtros rotatorios Ventajas No requiere personal especializado Poco mantenimiento para operaciones continuos Filtrado con baja cantidad de sólidos suspendidos

Desventajas Mayor consumo de energía por unidad de lodo deshidratado Requiere supervisión continua de la operación Genera ruido (bombas de vacío)

g) Lechos de secado para deshidratación La deshidratación natural de lodos se usa para reducir el contenido del agua de lodos. Una vez seco el lodo se retira y se deposita en vertederos controlados o se utiliza como acondicionador de suelos. En un lecho de secado convencional de arena, el lodo se deshidrata por drenaje a través de la masa de lodo y arena, y por evaporación desde la superficie expuesta al aire. El lecho de arena esta constituido por dos capas: • • •

Una capa de grava 30 cm. Una capa de arena 10-30 cm. Espesor de lodo 20-30 cm.

Sin embargo hay muchas variaciones en la disposición de las capas y en la composición de otros materiales, en la figura 10.12 se puede observar, la colocación de una loseta porosa que ayuda a proteger la capa de gravilla más fina y ayuda a una mejor difusión del lodo líquido. Lo que si se debe considerar siempre es que el lecho lleve un drenaje a través de toda el área de secado; las partículas más gruesas de grava se deben disponer en las capas inferiores y las más finas de gravilla o arena en las partes superiores. 274

Figura 10.12 Corte de un lecho de secado

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Los lechos pueden ser techados o abiertos, depende de la evaporación que se presente en la región donde son construidos, esto último va influir en el tiempo de retención de los lechos, el cual puede varias de 5 a 15 días. Tabla 10.18 Ventajas y desventajas en el uso de lechos de secado Ventajas Desventajas Requiere grandes superficies de terreno. Costo inicial bajo para plantas pequeñas. Requerimientos mínimos de operación y Impacto del clima sobre el diseño. Requerimiento de lodo estabilizado. capacitación. Molestia por olores o impacto visual. Bajo consumo de energía eléctrica. Numerosa mano de obra para la remoción de lodos Baja sensibilidad a la variabilidad del lodo. secos. Bajo consumo de químicos. Posible contaminación de aguas freáticas. Alto contenido de sólidos en la torta seca de lodos. Obtención de permisos.

h) Lagunas para la disposición de lodo líquido El lodo líquido se puede disponer en lagunas, dependiendo de la profundidad de estas el lodo se va a secar o se va a secar y digerir. En las lagunas para secado sólo se pueden verter lodos digeridos, en las lagunas más profundas se van a llevar procesos de digestión aerobia o anaerobia. Los tipos de lagunas comúnmente utilizados son:

Lagunas de lodos

• Lagunas de evaporación • Lagunas aerobias facultativas • Lagunas anaerobias

Figura 10.13 Tipos de lagunas de lodos

Lagunas de evaporación: son usadas para llevar el secado de lodos mediante procesos físicos de percolación y evaporación de lodo. Su profundidad máxima es de 0.60 cm. Lagunas aerobias facultativas: su función es digerir los lodos y secarlos. Mantienen una capa de superficie aerobia libre de espumas o natas por medio de un mezclador de superficie que provee agitación y mezclado. La profundidad va de 3.5 a 4.7 m. Lagunas anaerobias: estas lagunas se aplican a lodos crudos. La profundidad de estas es hasta 4.6 mts. Sedimentan sólidos en el fondo, mantienen una capa de nata sobre la superficie de la misma. En la figura 10.14, se presenta los diferentes criterios para el diseño de las lagunas para lodos.

275

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Laguna evaporación Anaerobia y facultativa

Secado de lodo digerido

0.60 m

3

0.60 m a 1.20 m

Disposición del lodo crudo

CRITERIOS

MÁXIMO NIVEL DE LÍQUIDO

1 VENTAJAS

LIMITACIONES

• Reducción del 45% S.V. • Bajo consumo energético. • Desinfección • Económico.

• Depende del clima. • Área. • Olor y vectores. • Riesgo de contaminación subterránea.

• Carga de sólidos. • Profundidad. • Área • Agitación.

Figura 10.14 Lagunas para lodos residuales

Tabla 10.19 Ventajas y desventajas de las lagunas de secado Ventajas Bajo consumo de energía No requiere adición de químicos Estabilización de materia orgánica Bajos costos de inversión, operación mantenimiento.

Desventajas Generación de olores Posible contaminación de agua superficial y subterránea Problemas de vectores, moscas y mosquitos y Requieren de gran extensión de tierra

10.3.2 Estabilización Los lodos tienen que ser estabilizados para reducir o eliminar el potencial de putrefacción, evitar la generación de malos olores y en algunos casos reducir el contenido de microorganismos patógenos. Existen diferentes métodos para estabilizar los lodos, siendo lo más comunes los de digestión como se muestra en la tabla 10.20. En estos procesos además de la eliminación del olor desagradable, hay una destrucción parcial de los sólidos volátiles, una mejoría en las características de flujo y un aumento en la concentración de nitrógeno soluble. La mayoría de los métodos reducen en una cierta proporción los microorganismos patógenos. La estabilidad del lodo es parámetro que es difícil de medir, por la misma complejidad del material, de tal suerte, que no existe un método estándar para medirlo. La reducción de SSV es un método que se aplica para medir la estabilidad del lodo después de un proceso de digestión y es el recomendado por la NOM 004-SEMANART-2002. Un lodo estable es aquel que puede ser descargado o dispuesto en la naturaleza sin causar daño al ambiente, y que no produce condiciones dañinas o indeseables. De acuerdo con esto, considerando lo que significan las condiciones dañinas o indeseables creadas por un lodo se han propuesto los siguientes parámetros para definir la estabilidad de un lodo (Vesilind, 1988). • • • • 276

Producción de olor Toxicidad Reducción de sólidos suspendidos volátiles Reducción de patógenos

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Tabla 10.20 Posibles métodos para la estabilización de los lodos residuales Tipo de estabilización

Proceso

Método Sin calentamiento (laguna o tanque) Digestión anaerobia mesofílica (25 a 35oC) de una etapa de dos etapas de tres fases Digestión anaerobia termofílica (45 a 55oC) Sin calentamiento Autotérmica (45-70oC) Con aire Con oxígeno digestión autotérmica oxidativa, seguida por digestión anaerobia Pila estática aerada Reactor Camellón

Digestión anaerobia

Digestión Aeróbica oxidativa

Biológica

Proceso dual Composteo con o sin agentes aglutinantes o material reciclado

Química

Adición de hidróxido de calcio (pH>12) Adición de agentes oxidantes modificadores del olor o bactericidas

Hidróxido de calcio hidratado al lodo líquido » adición de óxido de calcio a lodos líquidos o sólidos » cloración, peróxidos, otros agentes oxidantes, bactericidas orgánicos

La decisión para adoptar un método en particular para el tratamiento de los lodos, depende de muchos factores entre los cuales deben considerarse el tipo y características de los lodos, los costos iniciales de construcción y los costos de operación entre otros. •

Digestión anaerobia

Es la solubilización y fermentación de sustancias orgánicas complejas por microorganismos en la ausencia de oxígeno. Los productos de la digestión anaerobia son: gases, células y lodos con una fracción mineral cercana al 60% (lodos estabilizados). Durante las reacciones se libera energía y la materia orgánica se convierte en metano, dióxido de carbono y agua. La digestión anaerobia ocurre en dos fases o etapas: a) Acidogénesis: bacterias productoras de ácidos degradan la materia orgánica a ácidos volátiles. b) Metanogénesis: las bacterias formadoras de metano convierten los ácidos a metano y dióxido de carbono. Clasificación de los digestores anaerobios Los digestores anaerobios son de dos tipos: ο De baja tasa ο De alta tasa

El digestor consiste en un tanque cilíndrico con una pendiente hacia el fondo y bóveda techada. 277

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Digestores de baja tasa El lodo se introduce al tanque, no hay sistema de mezclado, la estabilización se logra en condiciones estratificadas dentro del digestor. El gas metano se acumula en la bóveda, se extrae y se almacena para su uso. Las natas se acumulan en el sobrenadante que se envían al sedimentador primario. El lodo estabilizado sedimenta en el fondo del tanque y es conducido a la siguiente fase de tratamiento, figura 10.15. Estos reactores operan en forma intermitente con un tiempo de retención hidráulico de 30-60 días y una carga de lodos 0.4 – 1.6 kg SSV/m3/d.

Salida del gas

Nata Influente

Sobrenadante Efluente

Lodo digerido

Figura 10.15 Digestor de baja tasa

Digestores de alta tasa

Salida del gas

Son operados en rangos de temperaturas mesofílicas (30-38°C) y termofílicas (50 – 60°C), requieren un sistema de calefacción del lodo, deben de estar aislados del medio. Requieren de un mezclado para mantener una distribución uniforme del contenido, la alimentación debe ser continua o por lotes en intervalos de 30 a 120 minutos, figura 10.16. El tiempo de retención varía entre 10 y 15 días y la carga de lodos de 1.6 – 8.0 kg/SSV/m3/d.

Influente Efluente

Calefactor

Figura 10.16 Digestor anaerobio de alta tasa

Digestión anaerobia en dos etapas Es una extensión de tecnología de digestión de alta velocidad, divide las funciones de fermentación y separación de sólido-líquido en dos tanques en serie, figura 10.17. ο El primer tanque es un sistema de estabilización de alta tasa. Está equipado con unidades de calentamiento y agitación. ο El segundo es para la fase de separación. Esta segunda unidad puede ser también un tanque abierto o una laguna de lodos.

278

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Gas Sobrenadante

Salida de lodo

Entrada de lodo

Salida de gas

Lodo digerido

Figura 10.17 Digestión en dos etapas

Criterios de estabilización Un digestor típico de alta tasa reducirá el contenido de sólidos volátiles del lodo entre 40 y 65 %. Calidad de gas: La producción de gas es directamente proporcional a la cantidad de sólidos volátiles eliminados. Se expresa como volumen de gas por unidad de masa de sólidos volátiles eliminados (m3/kg SV eliminado), tabla 10.21. Tabla 10.21 Composición del biogás generado en los digestores anaerobios GAS Metano (CH4) Bióxido de carbono (CO2) Nitrógeno (N2) Hidrógeno (H2) Ácido sulfhídrico (H2S)

% EN VOLUMEN 55-75 25-45 2-6 0.1-2 1-1.5

Tabla 10.22 Ventajas y desventajas de la digestión anaerobia Ventajas Produce metano, utilizable como fuente de energía. Disminuye la masa total de lodo entre 25 y 45%.

Desventajas Altos costos de capital. Susceptible a perturbaciones. Cambios bruscos en el ambiente. Produce un residuo adecuado para usarse como Produce un sobrenadante de mala calidad. acondicionador de suelo. Inactiva microorganismos patógenos si la digestión Las bacterias productoras de metano crecen a baja se realiza a temperatura termofílica, 50-60°C. velocidad.

•

Digestión aerobia

Está basada en la respiración endógena, ocurre cuando hay poco sustrato disponible y continúa la aeración de los lodos biológicos. Los microorganismos empiezan a consumir su propio protoplasma para obtener energía para reacciones de mantenimiento de las células. 279

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Proceso de digestión aerobia a) El tejido de la célula es oxidado a dióxido de carbono, agua y nitratos. b) Entre el 75 y 80 % del total de las células es oxidada. c) El 20 al 25 % restante no son biodegradables. Variantes del proceso de digestión ο Digestión aerobia convencional ο Digestión aerobia por oxígeno puro ο Digestión aerobia termofílica autotérmica

Digestión aerobia convencional Utiliza tanques abiertos a la atmósfera en los cuales se aplica aire a los lodos espesados, la forma de aplicación del aire es por medios mecánicos (propelas o turbinas) o mediante difusores. En la foto 10.8 un digestor aerobio convencional, en la foto 10.9 un digestor con aeración por medio de difusores.

Foto 10.8 Digestor aerobio convencional

Foto 10.9 Digestor aerobio de lodos con discos difusores

Variaciones del proceso Operación intermitente (por lotes) Originalmente, la digestión aerobia fue diseñada como un proceso por lotes (figura 10.18) y este concepto aún se aplica en muchas instalaciones. Los lodos son bombeados directamente de los clarificadores al digestor aerobio. El tiempo requerido para el llenado del digestor depende del volumen del tanque disponible, volumen de lodo, precipitación y evaporación. Durante la operación de llenado, el lodo bajo digestión es aireado en forma continua. Cuando se llena el tanque, la areación se prolonga durante dos a tres semanas para asegurar que los sólidos están totalmente estabilizados. Entonces la aeración se suspende y los sólidos estabilizados se sedimentan. El líquido clarificado es decantado, y los sólidos espesados son removidos a una concentración entre 2 y 4%. Cuando se ha removido una cantidad suficiente de lodo estabilizado y/o sobrenadante, se repite el ciclo. Entre ciclos, es 280

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normal dejar parte del lodo estabilizado en el aireador para proporcionar la población microbiana necesaria para la degradación de los sólidos. El dispositivo de aireación no necesita operar durante varios días, siempre y cuando no se adicione lodo crudo. Aire Lodo crudo Sobrenadante Lodo estabilizado

Figura 10.18 Reactor aerobio de digestión aerobia operado por lote

Operación continua El proceso de digestión aerobia convencional continuo se asemeja mucho al proceso de lodos activados (figura 10.19). Así como en el proceso por lotes, los sólidos son bombeados directamente desde los clarificadores al digestor aerobio. El aireador opera a un nivel fijo, y el efluente es conducido a un separador de sólidos-líquido (espesador). Parte del lodo estabilizado y espesado es recirculada al tanque de digestión y el resto es removido para continuar con su tratamiento. LODO CRUDO

Digestor aerobio

RECIRCULACIÓN

Espesador

SOBRENADANTE

LODOS ESTABILIZADO

Figura 10.19 Diagrama de flujo para el proceso de digestor aerobio convencional de operación continua

Operación de manera auto-calentado En este proceso, el lodo de los clarificadores normalmente es espesado para proporcionar al digestor una concentración influente de sólidos mayor al 4%. El calor liberado por la biodegradación de los sólidos orgánicos es suficiente para elevar la temperatura del líquido en el digestor hasta 60ºC. Las ventajas de esta manera de operación son: una mayor tasa de destrucción de sólidos orgánicos, por consiguiente requerimientos menores de volumen; producción de un lodo pasteurizado; un requerimiento de oxígeno entre 30 y 40% menor que el del proceso mesofílico, debido a que pocas bacterias nitrificantes existen a este nivel de temperatura; y una mejor separación sólidos-líquido debido a la disminución de la viscosidad del líquido. Las desventajas de este proceso consisten en que tiene que incorporar la operación de espesamiento, ya que los requerimientos de mezclado son mayores debido a un contenido de sólidos superior y a que sistemas aireados sin oxígeno requieren una aireación extremadamente eficiente y tanques aislados. 281

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Tabla 10.23 Ventajas y desventajas de la digestión aerobia Ventajas Desventajas Costo de inversión menores que para la digestión Difícil de deshidratar por medio mecánicos anaerobia para plantas menores de 220 L/s Más fáciles de operar que los digestores anaerobios Altos costos de energía para suministrar el oxígeno, aún en plantas pequeñas No genera malos olores La eficiencia depende de la temperatura, localización y tipo de material del tanque Produce un sobrenadante con bajas concentraciones de DBO, sólidos suspendidos y NH3

•

Digestión Alcalina

El tratamiento de los lodos de aguas residuales con productos químicos, como el cloro y la cal, son efectivos para la estabilización. Inicialmente la cal se utilizó para la reducción de olor, para incrementar el pH en los digestores y para la remoción de fósforo en el tratamiento avanzado de las aguas residuales. Bases teóricas La teoría del proceso de estabilización con cal es simple. La cal se adiciona al lodo para elevar el pH, y requiere un tiempo de o específico. A un pH superior a 12 y con suficiente tiempo de o, los patógenos y microorganismos pueden ser inactivados o destruidos. Las características físicas y químicas del lodo también se alteran por las reacciones que ocurren. La química del proceso no está bien estudiada pero algunas moléculas complejas se transforman por medio de reacciones de hidrólisis y saponificación. Algunas de estas reacciones son: Reacciones con constituyentes inorgánicos +2

+

Ca

2PO4-3

2HCO3-

Calcio + CaO → CaCO3 + H2O

Fósforo + 6H + 3CaO → Ca3(PO4)2 + 3H2O +

Dióxido de carbono CO2 + CaO → CaCO3 Reacciones con constituyentes orgánicos Ácidos RCOOH + CaO → RCOOCaOH Grasas Grasa + CaO→ ácidos grasos

282

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Inicialmente, la adición de cal eleva el pH del lodo. Entonces las reacciones anteriores ocurren. Si la cal que se adiciona no es suficiente, el pH disminuye al ocurrir estas reacciones. Por lo tanto se requiere un exceso de cal. La actividad biológica produce compuestos, tales como dióxido de carbono y ácidos orgánicos que reaccionan con la cal. Si la cal que se adiciona no es suficiente para detener la actividad biológica se producen estos compuestos que reducen el pH, producen malos olores impidiendo la estabilización del lodo. En este proceso no hay reducción directa de materia orgánica lo que causa dos importantes impactos: a) La adición de cal hace al lodo químicamente estable. Si el pH cae por debajo de 11, la descomposición biológica se reanuda, produciendo olores nocivos. b) No hay reducción en la cantidad de lodo para disposición, como ocurre con los métodos de estabilización biológica. Por el contrario, la masa del lodo seco aumenta por la adición de cal y por la precipitación química que se deriva del proceso. La estabilización con cal consiste en la aplicación de la cal para elevar el pH, con un tiempo de o específico. Se cree que con el efecto de la elevación del pH a 12 y con suficiente tiempo de o, los patógenos y microorganismos pueden ser inactivados o destruidos. En la figura 10.20, se muestran los métodos de estabilización alcalina que son usados: pre-estabilización y post-estabilización con cal.

Métodos de estabilización con cal

• Pre-estabilización con cal (aplicación de cal antes de la deshidratación del lodo)

• Post-estabilización con cal (aplicación de cal cuando los lodos han sido deshidratados)

Figura 10.20 Métodos de estabilización alcalina

Pre-estabilización con cal Para la estabilización con cal se deben seguir las siguientes recomendaciones: ο Agregar suficiente cal para elevar el pH a 12. ο pH 12 por 2 horas. ο Alcalinidad residual, pH 11.5 por 22 días.

En las fotos 10.10 y 10.11 se presentan un sistema de encalado de lodos a escala real.

283

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Foto 10.10 Dosificación de cal para espesar el lodo

Foto 10.11 Tanques de encalado

Dosis de cal La adición de cal hace al lodo químicamente estable. Si el pH cae por debajo de 11, la actividad microbiana se reanuda, también la descomposición del material orgánico, produciendo olores nocivos. No hay reducción en la cantidad de lodo para disposición, como ocurre con los métodos biológicos. Por el contrario, la masa del lodo seco aumenta por la adición de cal y por la precipitación química que se deriva del proceso. En las tablas 10.24 y 10.25 se observa las dosis de cal requeridas para diferentes tipos de lodos. Sin embargo la dosis de cal debe determinarse para cada lodo experimentalmente.

284

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Tabla 10.24 Dosis de cal para estabilización de lodo TIPO DE LODO

SÓLIDOS DOSIS DE CAL TOTALES (%) Lbs Ca(OH)2/lbs de sólido seco 4.3 0.12 1.3 0.30 5.5 0.19 FUENTE: Farrel (1974)

Lodo primario Lodo activado Anaeróbico combinado

pH inicial

pH final

6.7 7.1 7.2

12.7 12.6 12.4

Tabla 10.25 Determinaciones de dosis de cal a escala piloto para mantener un pH Mayor de 11 durante 14 días Tipo de lodo Lodo primario Lodo activado Lodo de fosa séptica

Dosis de cal Ca(OH)2 / Lb SS 0.10 – 0.15 0.30 – 0.50 0.1 – 0.30

Eficiencia del proceso de digestión alcalina Eficiencia del proceso Un sistema de encalado o post-encalado reduce el olor y la producción potencial de olor en el lodo, reduce los niveles de patógenos y mejora las características de desaguado del lodo. Reducción de olor La estabilización con cal reduce los olores. Cuando se usan sistemas de mezclado con aire los olores amoniacales se incrementan debido a la desorción de amoníaco. Después de este proceso los olores de reducen por un factor de 104. Otro de los mayores problemas de olor en los sistemas de tratamiento de lodo lo constituye el sulfuro de hidrógeno, este es eliminado en el proceso de encalado cuando el pH se eleva por encima de 9 ya que a estos valores de pH se convierte en formas ionizadas no volátiles (HS-, S=). 100

80

HS–

60

% DE SULFURO TOTAL

SOLUCIÓN MOLAR 10-3

40

H2S S=

20

0 6

7

8

9

10

pH

Figura 10.21 Efecto del pH sobre el equilibrio H2S-HS285

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Reducción de patógenos La pre-estabilización con cal o post-estabilización alcanzan reducciones significativas de patógenos si se mantiene el pH arriba de 12. Las investigaciones demuestran que la estabilización con cal reduce los coliformes totales, coliformes fecales y estreptococos fecales en concentraciones mayores al 99.9% Las concentraciones de Salmonella y Pseudomonas aeruginosa se redujeron por debajo de los límites de detección en experimentos realizados en la planta de Lebanon, Ohio. Westphal y Christensen (1983), investigaron la eficiencia de la cal en el proceso de postencalado con dosis de 13 a 40% como Ca(OH)2. Los resultados indican que la postestabilización con cal proporciona una reducción de patógenos de por lo menos 2 órdenes de magnitud. También reportaron que este proceso tiene la misma eficiencia en reducción de microorganismos patógenos como la digestión aerobia mesofílica, digestión anaerobia y el composteo mesofílico. Existe poca información acerca de la reducción de virus y de huevos de helmintos durante este proceso. Análisis cualitativos realizados con microscopio indican una alta supervivencia de organismos superiores tales como quistes y huevos de Ascaris, así como huevecillos de helmintos, etc., después de 24 horas de encalado con pH superior a 12. Tampoco se ha estudiado si mayores tiempos de o podrían destruir estos organismos. ESTABILIZACIÓN CONVENCIONAL CON CAL (PSRP) ADICIÓN DE CAL

MEZCLADO

LODO

REQUERIMIENTOS:

ALMACENAMIENTO

USO

*PH 12 POR 2 HRS. *PH 11.5 POR 22 HRS. CONSECUTIVAS

Figura 10.22 Proceso convencional de estabilización alcalina

•

Composteo

El composteo es un proceso biológico para la estabilización de los lodos por medio del cual se realiza una degradación aerobia que es realizada por bacterias y hongos a una temperatura termofílica en una mezcla de lodo deshidratado y material acondicionador. Este proceso provee una destrucción significativa de patógenos con temperatura de 40°C durante cinco días consecutivos o también puede alcanzar una destrucción adicional de patógenos con una temperatura de 55°C durante tres días consecutivos de acuerdo a lo establecido en la norma 503 de la EPA (Apéndice B de la norma), 1993. El resultado del proceso de composteo es un sustrato que puede ser utilizado como fertilizante o acondicionador de suelo.

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Proceso de composteo El composteo de lodos residuales consiste en mezclar el lodo residual con un material acondicionador, el cual puede ser cualquier desecho orgánico (basura de jardín, desechos orgánicos agroindustriales, pedacería de madera, etc.). Para que el proceso sea adecuado se deben mantener los factores determinantes del proceso que son: ο Temperatura entre 45 a 60°C. ο Condiciones aerobias mediante ventilación forzada o volteos mecánicos ο Humedad entre 50 y 60%.

Etapas del composteo El proceso de composteo consta básicamente de las siguientes etapas: preparación de materiales acondicionadores, mezclado, estabilización termofílica y curado o estabilización final; además existen dos etapas opcionales que son el secado y el cribado. Preparación de material acondicionador El material acondicionador es cualquier material de alto contenido orgánico que puede mezclarse en el lodo, generalmente son desechos agrícolas, agroindustriales o residuos como basura de jardín o basuras orgánicas. El material acondicionador proporciona las siguientes características al lodo: ο ο ο ο

Proporciona estructura y porosidad. Permitir aeración. Aumentar la relación carbono-nitrógeno (30:1). Aumentar sólidos a 40%.

Mezclado Es la primera etapa del proceso y consiste en obtener una mezcla homogénea al revolver el material acondicionador con el lodo. La mezcla final debe tener una porosidad de 30 a 35% (espacios libres) y una humedad inferior al 60%. El mezclado se puede realizar por medio de diferentes mezcladores estáticos que existen en el mercado o con ayuda de un cargador frontal, fotos 10.12 y 10.13.

Foto 10.12 y 10.13 Etapa de mezclado

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Montaje de las pilas La instalación de las pilas de composteo se lleva a cabo colocando la mezcla de material acondicionador y lodo, se forma una pila con base rectangular, con dimensiones variable de acuerdo al volumen a tratar. En la foto 10.14 se observa como un cargador frontal colocan la mezcla sobre una cama de piedra que sirve de protección al difusor de PVC.

Foto 10.14 Montaje de pila de composteo

Etapa termofílica La etapa termofílica tiene lugar después del mezclado y requiere de tres o cuatro semanas para completarse. Durante este período la mezcla debe tener aeración por medio de difusores colocados en la base de la pila o bien mediante volteo mecánicos hechos con el cargador frontal, con el fin de proporcionar el oxígeno necesario para que los microorganismos realicen la biodegradación y se generen altas temperaturas (50-55 ºC) necesarias para la destrucción de microorganismos patógenos.

Foto 10.15 Etapa termofílica

Es la etapa de alta actividad microbiana caracterizada por la presencia de microorganismos termofílicos y alta reducción de sólidos volátiles biodegradables. Es la etapa que requiere de mayor control, foto 10.15. Curado o estabilización final Se realiza después de la estabilización termofílica y su duración es de aproximadamente 30 días. Esta etapa se caracteriza por bajas temperaturas, menores requerimientos de oxígeno y baja producción de olores. Es una etapa muy importante donde se puede lograr la degradación adicional de compuestos difícilmente biodegradables, foto 10.16.

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Foto 10.16 Etapa de curado

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Secado y cribado Tanto el secado como el cribado son etapas opcionales en el proceso de composteo, tienen como propósito la obtención de un material de mejor calidad. El cribado permite una mejor recuperación del material acondicionador que puede reciclarse al proceso y un producto de tamaño homogéneo dependiendo del uso que quiera darse a la composta, foto 10.17.

Foto 10.17 Equipo de cribado

Equipos y materiales para el composteo En la tabla 10.27 se enlistan los equipos y materiales que son útiles en un sistema de composteo. El camión de volteo sirve para transportar materiales condicionadores y lodo al área de composteo, así como la composta a los sitios de venta. El cargador frontal va a hacer las labores de mezclado y montaje de la pila. La picadora va a fraccionar el material acondicionador hasta dejarlo a un tamaño adecuado de partícula (5 a 10 cm de largo). En un sistema mecanizado las bandas transportadoras van a facilitar el manejo del material haciendo más rápidas las labores de traslado de materiales. Existen en el mercado mezcladores mecánicos que ayudan a hacer el mezclado de los materiales pero no sustituyen a los cargadores en el montaje de las pilas. La cribadora ayuda a obtener una composta de tamaño de partícula homogénea que va a hacer más atractiva para su venta, además ayuda a recuperar material acondicionador que puede ser recirculado al proceso. Tabla 10.26 Equipos y materiales para el composteo CONCEPTO Camión de volteo Cargador frontal Picadora Cargador frontal Cribadora Bandas transportadoras Mezcladores mecánicos Palas, picos y bieldos. Carretillas

En las fotos 10.18 y 10.19 se muestran otros equipos utilizados en un sistema de composteo.

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Foto 10.18 Camión para transporte de lodos a sitio de composteo

Foto 10.19 Picadora para el fraccionamiento del material acondicionador

Aeración Durante el proceso es necesario proporcionar oxígeno a la mezcla en composteo, esto se puede llevar a cabo mediante la aplicación de aeración forzado o mediante el volteo de la mezcla. Aeración forzada Se aplica aire a la masa de lodos por medio de difusores y ventiladores. En las fotos 10.20 y 10.21 se observan los difusores construidos en PVC, los cuales se perforan para que tenga salida el aire, este difusor va conectado a un ventilador centrífugo. El difusor va rodeado de piedras para protección. Encima de esta cama de piedra se coloca la mezcla lodomaterial acondicionador.

Foto 10.20 Difusores de PVC

Foto 10.21 Ventiladores centrífugos

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Aeración por volteo La aeración por volteo se lleva a cabo con un cargador frontal. Durante el primer mes las pilas deben voltearse por lo menos dos veces por semana. En la foto 10.22 se muestra un cargador frontal pequeño volteando material en composteo.

Foto 10.22 Cargador frontal para volúmenes de materiales pequeños

Áreas de un sistema de composteo Para hacer la instalación de un sistema de composteo se requiere de diferentes áreas: ο ο ο ο ο ο

Almacén de lodo y material acondicionador. Área de mezclado. Área de pilas de composteo. Área de pilas en curado. Almacén de composta. Área de análisis para control de proceso.

Calidad de la composta En la tabla 10.27, se presenta la calidad de la composta en comparación con abonos orgánicos. Tabla 10.27. Comparación de nutrimentos de abonos y composta Parámetro pH Materia orgánica % Nitrógeno % Fósforo % Potasio %

•

Vacuno 8.7 48.24 2.10 0.58 3.10

Gallinaza 7.6 29.43 5.10 2.06 2.20

Abonos de: Porcino 7.2 46.90 3.10 0.64 1.83

Ovino 9.0 48.24 2.30 0.72 4.36

Composta 6.3 6.3 5.0 0.94 0.36

Vermicomposteo

El vermicomposteo se define como la digestión de material orgánico por medio de lombrices.

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Además de la digestión de materia orgánica por medio de ingestión, las lombrices también ayudan a la penetración de aire y agua debido a su movilización a través del sustrato. Este movimiento permite el desplazamiento de partículas a lo largo de diferentes estratos. Las lombrices pueden desarrollarse sólo bajo condiciones aerobias, que son provocadas por la porosidad de los materiales donde subsisten y por la misma aeración que estos animales provocan por su desplazamiento a través del material. Las condiciones aerobias así establecidas ayudan al florecimiento de microorganismos aerobios que conjuntamente con las lombrices degradan los desechos. El vermicomposteo es una tecnología basada en la cría intensiva de lombrices para la producción de humus a partir de un sustrato orgánico. Es un proceso de descomposición natural, similar al composteo termofílico, pero en este el material orgánico, además de ser atacado por los microorganismos (hongos, bacterias, actinomicetos y levaduras.) existentes en el medio natural, también lo es por el complejo sistema digestivo de la lombriz. En el intestino de la lombriz ocurren cuatro procesos: ο ο ο ο

Fraccionamiento, Desdoblamiento, Síntesis y Enriquecimiento enzimático y microbiano.

Esto tiene como consecuencia un aumento significativo en la velocidad de degradación y mineralización del residuo, obteniendo un producto de alta calidad. Dicha transformación hace que los niveles de pérdida de nutrientes como nitrógeno y potasio, sean mínimos con relación a los sistemas tradicionales de composteo. El resultado son dos productos de alta calidad: ο El humus y ο Las lombrices.

El proceso de humificación lo llevan a cabo bacterias y hongos, las lombrices actúan sobre las poblaciones de microorganismos, balanceando las floras (consumen las bacterias del ciclo del carbono y favorecen el desarrollo de las del nitrógeno). Tipos de lombrices Las lombrices pertenecen al grupo de los Anélidos o gusanos anillados, reciben este nombre debido a que su cuerpo se encuentra constituido por metámeros o segmentos en forma de anillos, figura 10.23. El cuerpo de estos animales es alargado, cilíndrico, con una fina cutícula, segregada por las células de la epidermis, por donde estos animales efectúan la respiración.

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Figura 10.23 Lombriz

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Las lombrices se mueven por medio de movimientos ondulatorios de su cuerpo. La reproducción es sexuada; existen muchas especies hermafroditas y unisexuales; otros se reproducen de un modo asexual por escisión y por gemación. Las especies de anélidos que se utilizan en el vermicomposteo difieren de las especies que se encuentran comúnmente en el suelo, Appelhof, 1996. En los siguientes incisos se presentan dos diferentes tipos de lombrices: ο Lombrices formadoras de suelo ο Lombrices composteadoras

Lombrices formadoras de suelo Las especies formadoras de suelo facilitan la penetración de aire y agua. Ayudan además al transporte de materiales en los diferentes estratos, estabilizan los agregados y solubilizan los nutrimentos lo que favorece el crecimiento vegetal. Las lombrices de tierra son de una gran importancia económica, porque con su actividad cavadora de tierra, en su estado natural, participan en la fertilización, aireación y formación del suelo, por su efecto marcado sobre la estructuración del mismo, debido a la mezcla permanente y el reciclaje de bases totales, como el calcio, el cual sustraen de las capas más profundas del suelo hacia la superficie, figura 10.24. Entre las especies representativas de este grupo encontramos: ο ο ο ο

Figura 10.24 Lombrices formadoras de suelo FUENTE: Rioja, 1975

Apporrectodea, sp. Microscolex dubius Octalasion cyaneum Lumbricus terrestri

Las lombrices de tierra también pueden encontrarse en depósitos de lodo residual consumiéndolo, sin embargo no pueden ser cultivadas porque escapan de los recipientes, foto 10.23.

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Foto 10.23 Lombrices formadoras de suelo encontradas cerca de lechos de secado de una planta de tratamiento

Lombrices composteadoras Las especies composteadoras, además de realizar las actividades descritas por las lombrices formadoras de suelo, sobreviven en condiciones de alta carga orgánica de material sin estabilizar, por lo que pueden ser utilizadas para transformar residuos orgánicos en humus. Entre las especies más representativas de este grupo tenemos: ο ο ο ο ο

Eisenia foetida Eisenia andrei Perionyx excavatus Eudrilus eugeniae Metaphire californica

En este documento trataremos a la especie Eisenia foetida debido a su importancia en el vermicomposteo.

Foto 10.24 Grupo de lombrices composteadoras alimentadas con lodo residual

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Descripción de Eisenia foetida La lombriz roja E. foetida, es una de las lombrices que más se utilizan en el vermicomposteo, vive normalmente en zonas con un clima templado. Su temperatura corporal oscila entre los 19 y 20°C, foto 10.25. Desde el momento de su nacimiento, las lombrices son autosuficientes; comen solas y sólo necesitan para sobrevivir que el sustrato donde se encuentran sea lo suficientemente húmedo, poroso y tierno para ser perforado por su minúscula boca. Enseguida se describe su morfología, anatomía, forma de vida, reproducción y ciclo hidrológico, potencial reproductor, factores limitantes, alimentación, humedad, temperatura, pH, gases y relación carbono - nitrógeno.

Foto 10.25 Ejemplares de Eisenia foetida alimentadas con lodo residual

a) Morfología Algunas características generales de este espécimen son, figura 10.25. ο ο ο ο

Mide de 6 a 8 cm de longitud. Su diámetro oscila entre los 3 y los 5 mm. Es de color rojo oscuro. Respira a través de la piel.

Figura 10.25 Características generales de E. foetida

La lombriz cuando es adulta pesa casi 1 g, todos los días ingiere una cantidad de comida equivalente a su peso, expidiendo, en forma de humus, el 60% de la misma. El 40% es asimilado y utilizado por la lombriz como sustento.

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b) Anatomía En cada metámero se ubican cinco pares de corazones y un par de riñones. Esta es una de las razones por las que si se parte una lombriz, una de las dos partes sobrevive, precisamente la parte anterior, la que tiene la boca. El clitelium se sitúa en la parte anterior del cuerpo aproximadamente a la altura de su primer tercio, si se considera la longitud total de la lombriz, figura 10.26. El clitelium sólo se puede ver en las lombrices adultas, lo que indica su madurez sexual; es como un anillo de mayor diámetro (espesor) que el resto del cuerpo. Este anillo contiene una glándula que segrega un líquido especial cuya finalidad es la de proteger a los huevos.

Figura 10.26 Clitelium y metámeros

c) Forma de vida Para comer, la lombriz chupa la comida a través de su boca. Cuando aquella llega al estómago, unas glándulas especiales se encargan de segregar carbonato cálcico, cuya finalidad es neutralizar los ácidos presentes en la comida ingerida. La lombriz también está dotada, de sistema circulatorio, nervioso y muscular. Este último, está muy desarrollado tanto en sentido longitudinal como en sentido perimetral (circular); ello le permite a la lombriz efectuar cualquier tipo de movimiento. La lombriz E. foetida, avanza como todas las demás arrastrándose sobre el sustrato, ya que su cuerpo está dotado de una serie de anillos que son capaces de adherirse (clavarse) en el mismo. Para avanzar, la lombriz fija los anillos anteriores en el terreno, encoge el resto del cuerpo hacia la parte anterior (hacia la boca), fija entonces, hallándose encogida los anillos posteriores; a continuación libera los anillos anteriores y, empujando con la parte posterior del cuerpo la parte anterior, inicia el movimiento de avance. En esta fase es cuando abre la boca y chupa la comida. Esta última, después de atravesar todo el aparato digestivo, es expulsada por el ano, que se encuentra en la parte terminal. d) Reproducción y ciclo biológico Cada lombriz está dotada de un aparato genital masculino y de un aparato genital femenino. El aparato genital masculino está integrado por los testículos que son glándulas secretoras de esperma. Su situación es anterior, muy cerca de la boca. El aparato genital femenino recibe el esperma y lo retiene hasta el momento de la fecundación; este aparato se encuentra en una posición relativa posterior al aparato genital masculino. Dos lombrices en fase de acoplamiento giran en sentido opuesto la una de la otra, de esta manera, puede ar el aparato genital masculino de una con el aparato 296

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genital femenino de la otra. Así en cada acoplamiento, una lombriz recibe el esperma de la otra y lo retiene en su propio aparato genital femenino hasta la fecundación. La fecundación se efectúa a través del clitelium, figura 10.26, cuyas glándulas producen el capullo o cápsula (cocoon), foto 10.26. La cápsula tiene un color amarillo-verdoso, con unas dimensiones aproximadas de 2-3 por 2-4 mm, no siendo por lo tanto redonda sino teniendo una forma parecida a una pera muy pequeña, redondeada por una parte y acuminada por la otra. Por esta última emergen las lombrices después de 14-21 días de incubación. Foto 10.26 Cápsulas o capullos de E. foetida

En el momento del nacimiento, las crías rompen la envoltura que ha adquirido un color café más oscuro. El grupo de pequeñas lombrices, cuyo número oscila entre 2 y 21, es de color blanco. A los 5 ó 6 días se parecen fenotípica mente a sus progenitores. E. foetida vive poco más de 4 años en el laboratorio, algunos autores refieren hasta 16 años, un año en condiciones de producción intensiva y a la intemperie. Se reproduce más de una vez por semana. De cada acoplamiento resultan 2 cocones (uno de cada consorte) conteniendo por cocón de 2-4 lombrices (algunos autores mencionan que hasta 21 lombricitas por cocón). Los cocones son abandonados por los progenitores, permaneciendo en el medio de cultivo de las lombrices y librados a su suerte. Las lombrices se reproducen prácticamente durante todo el año, figura 10.27.

Acoplamiento (semanal) Fecundación cruzada de los consortes

Premadurezmadurez (50-65 días posteclosión)

2 cocones

De cada cocón eclosionan 2-4 juveniles (después de una incubación media de 23 días)

Figura 10.27 Ciclo biológico de Eisenia foetida (Dieta: estiércol vacuno, conejo; temperatura: 25ºC; humedad: 80%)

Las lombricitas permanecen en el cocón un tiempo variable, que depende de la temperatura reinante, siendo óptimo el desarrollo entre 20-25ºC, que se corresponde con una permanencia de 14 a 44 días (o más si las temperaturas son inferiores). Se nutren dentro del cocón de las secreciones albuminoideas proporcionadas por el clitelium cuando tiene lugar la copulación. Las lombrices son de desarrollo directo (no proporcionan larvas como ocurre en otros invertebrados), naciendo del cocón pequeños animales parecidos a los padres, con los mismos hábitos alimentarios y similar dieta.

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Estos juveniles, son transparentes y de pocos milímetros de longitud, los cuales al cabo de 50-65 días, con tallas de 2-3 cm, alcanzan la capacidad para reproducirse a su vez, lo que se evidencia con la aparición del clitelium. Los animales siguen creciendo hasta los 6 ó 7 cm de longitud (peso: 0,8 - 1,4 gramos). En una población de lombrices pueden distinguirse 4 estadios o estratos: 1º Cocones. 2º Juveniles (lombrices transparentes, o con pigmento rojo insuficiente para opacar el tubo digestivo que se observa por transparencia). 3º Animales sub-adultos, es decir ya bien pigmentados pero carentes de clitelium. 4º Adultos (clitelados). El clitelium puede perderse en condiciones de malnutrición, estos animales desarrollan el clitelium nuevamente al aportar más nutrientes al medio de cultivo. Las proporciones relativas de estos segmentos poblacionales cambian muy rápidamente y se relacionan con la frecuencia de las subdivisiones en los cultivos, y por ende con el grado de apiñamiento o sobrepoblación de las lombrices en el cultivo, como se verá más adelante. El tamaño del cocón depende del diámetro de la lombriz que lo produce, pero un mayor tamaño no proporciona mayor cantidad de lombrices. e) Potencial reproductor (R") de Eisenia foetida La cantidad de lombrices por cocón constituye la fecundidad (lombrices por puesta). Esta cantidad de lombrices se puede multiplicar por la cantidad de puestas por año (supongamos una puesta/cocón semanal), es decir 52 (son las semanas que tiene el año). Se debe considerar la proporción de animales subadultos y adultos de la población (se suman ambos). Este valor fluctúa mucho en la población. Si la población esta muy apiñada puede dar guarismos próximos al 80% (que en el cálculo -como se verá- deben expresarse como 0,80), mientras que si hubo fugas de animales (emigran principalmente sub-adultos y adultos) de los sectores del cultivo, la suma puede ser muy baja (menos de 20%, o sea 0,20), (Tomado de Curso de Lombricultura, Schuldt), Tabla 10.28. Tabla 10.28. Cálculos para determinar el potencial reproductor de E. Foetida Ejemplo 1. Resultados del muestreo de un vermicultivo muy apiñado. Porcentaje de sub-adultos en la muestra: 45%. Porcentaje de adultos en la muestra: 35%. La suma de ambos da 80%, o sea para el cálculo se consigna 0,80. Suponiendo que sobre 100 animales se obtiene este valor, y la fecundidad es 2,5 lombrices/cocón, entonces R" resulta de multiplicar 100 x 2,5 x 52 x 0,80, es decir 10.400. El significado del valor obtenido es que 100 lombrices en ese instante del cultivo pueden proporcionar en un año 10.400 lombrices, o lo que es lo mismo, cada lombriz potencialmente puede generar 104 lombrices (resultado de dividir 10,400 por 100).

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Ejemplo 2. Resultados del muestreo de un vermicultivo recién sembrado y con baja densidad. Porcentaje de sub-adultos en la muestra: 5%. Porcentaje de adultos en la muestra: 15%. Si la suma da 20%, R"=100x2,5x52x0,20=2.600; es decir cada lombriz produce 26 lombrices/año. FUENTE: Schuldt, 2002.

f) Factores limitantes para los cultivos de lombrices Las condiciones ambientales para un óptimo desarrollo son: ο ο ο ο

Una temperatura de 19 a 20°C, Humedad del 80%, pH de desarrollo entre 6.5 y 7.5 y Baja luminosidad (los rayos ultravioleta las matan).

En estas condiciones una lombriz produce unas 1.500 lombrices por año que producen el 60% de la ingesta en forma de humus. Sin embargo, las lombrices permanecerán y se desarrollarán en los cultivos si poseen alimento adecuado, humedad en torno al 80-90%, temperatura sobre 0ºC y por debajo de los 32-35ºC, con un pH entre 4,5-5 a 8,5-9. Otro factor a tener en cuenta es la capacidad de porte o soporte de cada sustrato/alimento, ya que si la densidad poblacional (número de lombrices por unidad de superficie o volumen) supera esta capacidad, tarde o temprano se producirán fugas. g) Alimentación Los desechos que se pueden procesar a través del vermicomposteo y que constituyen el alimento de las lombrices pueden ser materiales orgánicos de origen diverso, por ejemplo: ο ο ο ο ο ο ο ο

Lodo residual municipal o industrial. Residuos cloacales. Residuos orgánicos de curtidurías. Desperdicios agrícolas o agroindustriales: residuos de cultivos de cebollas y de café. Desperdicios de comida. Basura municipal orgánica y desperdicios de mercados. Basura de jardín. Estiércoles: gallinaza, vacuno y ovino.

El composteo de basura de mercados se ha llevado a cabo en México a escala experimental, (Téllez et. al., 1991), con buenos resultados, ya que se obtuvo un producto con alto contenido de materia orgánica, (41.44%); y altos valores de elementos mayores como nitrógeno, fósforo, potasio y calcio, (0.6-1.3%, 0.1-1.7%, 0.1-2.3%, 0.1-3.0%). Para los materiales más tóxicos se recomienda utilizar un precomposteo aerobio termofílico o anaerobio, el cual reduciría en un gran porcentaje el efecto tóxico de estos materiales para las lombrices y la patogenicidad para los seres humanos como lo reporta Harris, et al., 1990. 299

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El alimento puede consistir de un solo desecho o mezclas de materiales orgánicos crudos siempre y cuando no sean tóxicos. Cuando los materiales son tóxicos es mejor pasarlos por una etapa previa de composteo durante 45-60 días antes de que sean sembradas las lombrices, de este modo en estos materiales se irán desarrollando los organismos (hongos, bacterias, algas, protozoarios) que constituirán el alimento de las lombrices. El procedimiento para preparar el alimento es el siguiente: 1º Se trituran para lograr una granulometría adecuada que puede variar con un tamaño de partículas 1-10 cm, es necesario tomar en cuenta que la labor de las lombrices se facilita si las partículas son más pequeñas. 2º Los materiales ya triturados se mezclan homogéneamente y se humectan para alcanzar un porcentaje de humedad aproximada de 80%, suficiente para que las lombrices puedan deslizarse ágilmente en los residuos. No se debe olvidar que estos animales respiran a través de la piel, por lo que es necesario tener condiciones de humedad adecuadas. h) Humedad Este factor es junto con la temperatura el que determina significativamente el desarrollo y bienestar de la población del cultivo, traduciéndose en un incremento de la misma. La humedad del cultivo conviene que fluctúe entre 80-90%. Este valor corresponde a 4045% del instrumental en uso en el ámbito agronómico (higrómetros). Una prueba rápida para medir el porcentaje de humedad en el sustrato se conoce como prueba de puño, la cual consiste en agarrar una cantidad del sustrato con el puño de una mano, posteriormente se le aplica fuerza, lo normal de un brazo, y si salen de 8 a 10 gotas es que la humedad está en un 80 % aproximadamente. En cualquier caso es mejor utilizar un medidor de humedad. Las lombrices toleran durante horas un exceso de humedad. Cuando llueve torrencialmente las lombrices minimizan el impacto ascendiendo en el sustrato. Lo que debe evitarse es el encharcamiento permanente, de allí que los sectores del cultivo deben emplazarse en un terreno o lechos con buen drenaje y/o escurrimiento. i) Temperatura E. foetida tolera temperaturas entre 0º C y 42ºC, fuera de ese rango muere. Para fines productivos lo óptimo es mantenerla entre 14ºC y 24ºC sobre todo si se requiere una rápida expansión de la población. La temperatura se maneja con la altura de la pila (lecho), alimentos más o menos frescos (recién generados elevan la temperatura), adición de pajas, riego, sombrajos y cobertura apropiada. De esta manera el cultivo prosperará tanto con heladas invernales intensas como durante los días bochornosos del verano. 300

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Existen termómetros digitales muy precisos y de fácil manejo, si bien por una cuestión de costos puede utilizarse alguno de vidrio conteniendo alcohol, o en su defecto, mercurio (conviene que sean largos 40 cm aproximadamente). Conviene medir la temperatura diariamente si se inicia un cultivo, y a distintas profundidades. La mano también orienta respecto de la temperatura del lecho. Una sensación fresca implica temperaturas inferiores a 36ºC, y la tibieza/calor significa temperaturas superiores a los 37ºC. j) pH (Acidez / Alcalinidad) La mayoría de los lodos municipales oscilan en pH de 6.5 a 8.5. Otros materiales orgánicos con una etapa previa de descomposición (pre-compostados), como los estiércoles de herbívoros (los estiércoles/camas aviares y/o de porcinos requieren consideraciones adicionales) y restos vegetales, normalmente se hallan comprendidos entre 5 (ácido) y 9 (alcalino) puntos de esta escala donde 7 representa la neutralidad. MO con estos valores extremos es invadida por las lombrices, evolucionando el pH gradualmente hacia valores cercanos a 7 (6,8 a 7,4) y que caracteriza a la mayoría de las vermicompostas. Estos valores se pueden medir con un peachímetro ya sea digital (los mas caros) o bien recurrir a los que usan los floricultores (económicos), de un solo electrodo (funcionan sin pilas, cargándose con la limpieza/frotación). Existen también papeles que se presionan contra el sustrato y el color que adquieren se compara con una escala que acompaña los mismos y que permite aproximar el pH. k) Gases Las lombrices requieren oxígeno. Este gas presente en el aire en aproximadamente un 20%, posiblemente determine la profundidad hasta la que penetra E.foetida en el sustrato, ya que el dióxido (anhídrido) carbónico, aún en concentraciones elevadas, no afecta mayormente a las lombrices. Consecuentemente, la compactación del sustrato puede circunscribir el accionar de los animales, si bien a la larga lo descompactan. Normalmente, las lombrices no ingresan más allá de los 40 cm de profundidad. El amoníaco y otros compuestos amoniacales gaseosos o solubles en agua pueden causarles daño en concentraciones elevadas. Estos productos son habituales en las fases de descomposición de la materia orgánica rica en proteínas (cárneos, abundante verdura de hoja, orines y algunos estiércoles de animales con mucha proteína residual, por ejemplo los cerdos). Los materiales para cubrir los lechos deben ser porosos como, paja, pasto o sintéticas del tipo semisombra y descartarse todo material no poroso que pudiera entorpecer la libre difusión de los gases.

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l) Relación carbono-nitrógeno Esta relación, en el marco de los procesos de composteo, permite predecir la velocidad a la que transcurrirá el proceso y el avance del mismo. La materia orgánica recién emitida posee siempre el valor mayor de esta relación, mientras que la materia orgánica composteada se caracteriza por relaciones C/N bajas (en torno a 10/1). El lodo residual por lo general tiene relaciones C/N muy bajas 5 a 10, por lo que si es posible obtener otros materiales ricos en carbono como basura de jardín y bagazo de caña, que es conveniente agregarlos para acelerar el proceso. En general para que el proceso de vermicomposteo se desarrolle a buen ritmo, es conveniente que la materia orgánica utilizada presente una relación C/N comprendida entre 40/1 y 30/1. Si la materia orgánica tiene relaciones muy por encima o debajo de esos valores, es recomendable efectuar mezclas hasta adecuar la misma. Es decir la materia orgánica con relaciones altas (aserrín, viruta, papel, pulpa de papel pueden sobrepasar valores de 90/1 y 100/1) requiere la adición de compuestos ricos en nitrógeno (lodo residual, orines, estiércoles de aves, cerdos), mientras que materia orgánica con relaciones bajas requieren del agregado de fibras (carbono). Un estiércol bovino/ovino posee un cociente C/N cercano a 40/1 y el equino no suele ser inferior a 20/1. Las deyecciones de los cerdos rondan 15/1 y las egestas aviares suelen ser inferiores a 10/1. Las camas de aves por el hecho de tener compuestos carbonados (cáscaras de arroz o girasol) ven elevada su relación, que no obstante requiere aún el agregado de fibras (paja de trigo). Con estos datos es factible efectuar las mezclas correctoras requerida para la materia orgánica que pretendemos utilizar como alimento. En la práctica, los estiércoles de bovinos, equinos y conejos no requieren mezclado.

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AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 10 Instrucciones: a continuación se presentan varias preguntas que pretenden reforzar los conocimientos adquiridos, por favor conteste de manera breve. 1. ¿Qué elementos se deben tomar en cuenta al evaluar alternativas para el uso y disposición de los lodos residuales? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 2. Mencione las cuatro formas que presenta el agua contenida en un lodo residual. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 3. ¿Qué parámetros se deben emplear para determinar el contenido de materia orgánica? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 4. Son dos las principales normas vigentes relativas al manejo de lodos residuales, ¿de qué trata la NOM-004-SEMARNAT-2002? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 5. Considerando las alternativas tecnológicas que existen para el tratamiento de lodos residuales, ¿qué proceso utiliza energía para desaguar, destruir o reducir la toxicidad de los lodos? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 6. Mencione cuatro de los métodos más comunes de espesamiento para lodos residuales 306

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_________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 7. ¿Cuáles son los parámetros que permiten definir la estabilidad de un lodo? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 8. ¿El método de pre-estabilización con cal consiste en aplicación de cal antes de? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 9. ¿En qué consiste el proceso de composteo? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 10. ¿Qué características debe tener el sustrato donde vive la lombriz roja E. foetida? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________

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ANEXOS

ANEXO A. TÉCNICAS DE MUESTREO Autor: Hortensia Ruiz Magallanes

Introducción El objeto del muestreo es colectar una porción del material (muestra), cuyas características sean representativas de aquellas que pertenecen al material del cual se tomo la muestra. Esto implica que la proporción o concentración relativa de todos los componentes serán las mismas en las muestras que en el material de donde proceden, y que dichas muestras serán manejadas de tal forma que no se produzcan alteraciones significativas en su composición antes de que se hagan las pruebas correspondientes. Dada la importancia que representa tener la certidumbre de los resultados analíticos de los parámetros para evaluar sistemas de tratamiento, controlar los procesos de tratamiento, manifestar la calidad del efluente tratado o bien para fines de investigación, es necesario tener en claro el siguiente axioma: “el resultado de cualquier procedimiento de prueba no es mejor que la muestra a partir de la cual fue realizado”. La calidad de los resultados depende de las siguientes actividades: a) b) c) d) e)

Formular los objetivos particulares para el programa de muestreo. Colectar muestras representativas. Manejar adecuadamente la muestra y su preservación. Observar los lineamientos de aseguramiento y control de calidad en el campo. Analizar apropiadamente las muestras.

Cada uno de los puntos anteriores es importante para asegurar que los datos obtenidos son validos y confiables.

Objetivos de un programa de muestreo Un programa de muestreo es un documento en el que se define información concerniente al muestreo, además del objetivo básicamente se especifica: • • • • •

El qué Cómo Cuándo Dónde Quién

Para concretar los puntos mencionados, este documento debe contener los siguientes aspectos:

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Objetivo (s): Establecer el propósito del muestreo de manera que quede registrado que el objetivo del muestreo satisface los requerimientos del proyecto. a) Antecedentes: Revisión de la información previa para definir el punto de partida del proyecto o para replantear el programa de monitoreo. b) Mapas e información geográfica: Que servirán para ubicar la zona de estudio y localizar los sitios de muestreo. c) Justificación: Fundamentar lo que se va a realizar. d) Solicitud de análisis: Para asegurar que el laboratorio tiene conocimiento de que llegarán un número determinado de muestras y que estas sean analizadas dentro del tiempo límite. Se debe especificar si existe algún requisito en lo que se refiere al límite mínimo de cuantificación. e) Métodos y procedimientos de campo: Especificar la manera en que se realizará el monitoreo y asegurar que se lleva a cabo el control de calidad en campo. f) Plan de salud y seguridad: Debido a que muchas veces el muestreo se realiza en lugares contaminados y lejanos a cualquier atención médica, es importante estar enterado de los requisitos de seguridad. Se aconseja incluir a los requisitos marcados por la Environmental Protection Agency (EPA), un cuadro en el que se indique el personal participante y la asignación de responsabilidades considerando: • • • • • • • • • • • • • • •

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Visita de reconocimiento del sitio. Determinación de las estaciones de monitoreo, una estación es un sitio específico cerca de o en un cuerpo de agua del que se tomará la muestra, su ubicación es fundamental para el éxito del programa. Fuente de la muestra (agua superficial, agua residual, agua subterránea y suelos). Frecuencia de muestreo y tipo de muestra (simple o compuesta). Procedimiento de colección de muestras (manual o automatizado). Parámetros de campo y aquellos a analizar en laboratorio. Número de muestras. Solicitud de análisis al laboratorio. Determinación del volumen de muestra a colectar en cada punto y por parámetro, incluyendo el necesario para los controles de calidad. Elaboración de la lista de verificación y recabación del material especificado, la Presentación de esta lista puede dividirse en material de muestreo, de la determinación de parámetros de campo, de registro y de seguridad general. Procedimientos de muestreo y control de calidad en campo. Preparación de equipo de campo, que deberá ser calibrado antes de salir. Preparación de preservadores y soluciones, incluyendo los blancos de viaje. Preparación del material de seguridad, en la visita de reconocimiento se observará aquello que es necesario llevar: chalecos salvavidas, botas, guantes, mascarillas, botiquín. El programa de muestreo constituye una herramienta tanto para la realización misma del muestreo como para comprobar que este se diseño de acuerdo al objetivo del proyecto del que forma parte.

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Hay que tomar en cuenta que un programa de muestreo completo es un instrumento para proteger al grupo que realiza el muestro contra errores u omisiones que podrían comprometer o incluso invalidar los resultados del muestreo. Los análisis de laboratorio son caros, son procesos que en ocasiones requieren mucho tiempo, por eso la importancia de asegurar, desde antes de iniciar el muestreo, que las muestras colectadas contribuirán de manera precisa a los objetivos del proyecto.

Preparación Una vez que el plan de muestreo ha sido aprobado por el responsable o que las partes que intervienen están de acuerdo, podrá iniciarse con la etapa de preparación.

Envases y preservadores químicos Los recipientes o envases en los que se colectaran las muestras deben ser de materiales inertes al contenido del agua, en general se recomiendan los recipientes de vidrio o polietileno. Las tapas deben proporcionar un cierre hermético en los recipientes y ser de un material afín al del recipiente. Su capacidad estará en función de los parámetros que se determinarán a esa muestra de agua. Los envases deben estar perfectamente limpios y su lavado depende del tipo de parámetro para el que se tomará la muestra, algunos parámetros requieren de un lavado normal mientras que otros requieren de un tratamiento adicional, como lo es el remojar en ácido el material durante un lapso de tiempo determinado; en cualquiera de los casos se debe tener cuidado de enjuagar con suficiente agua desionizada y en el momento de muestrear enjuagar al menos tres veces con agua de la que se va a muestrear, esto solo para muestras en las que se harán determinaciones fisicoquímicas (excepto para grasas y aceites). En el caso de muestras bacteriológicas se requiere que el envase este esterilizado así que no se debe enjuagar con nada antes de tomar la muestra. Una vez que se están recabando los recipientes para muestreo es muy importante iniciar con una cadena de custodia en la que se registre el tipo y número de recipientes para muestreo; una buena práctica es siempre incluir recipientes extra de muestreo sin olvidar incluir aquellos necesarios para el control de calidad. Algunas muestras requieren de almacenamiento a baja temperatura y/o preservación con productos químicos, esto con el objeto de detener o retardar las reacciones bioquímicas que se llevan a cabo en las muestras hasta el momento de efectuar su análisis. Entre los preservadores químicos mas utilizados están: el ácido clorhídrico, el sulfúrico, nítrico y tiosulfato de sodio. Las botellas en las que se transporten este tipo de material deben estar perfectamente cerradas e identificadas y acompañar la cadena de custodia con la información general del material y su manejo seguro. En la tabla 1 se presentan, dependiendo del parámetro a determinar, las características en cuanto al tipo de material, volumen mínimo, preservación de la muestra y tiempo máximo entre la colecta y el análisis, el tipo de muestra, simple o compuesta. 311

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Tabla 1 Tiempo de almacenamiento, preservación y volumen de muestra RECIPIENTE P – Polietileno V – Vidrio

VOL. MIN. MUESTRA

TIPO MUESTRA

PRESERVACIÓN

TIEMPO LÍMITE DE ANÁLISIS

P, V

500 ml

Simple

4 ° C, sin espacio libre

24 h

DBO

P, V

1,000 ml agua clara 100 ml agua residual

Simple

DQO

V

100 ml

Simple, compuesta

4 °C y H2SO4 pH<2

28d

V y boca ancha

1000 ml, ¾ partes del frasco

Simple

4 °C y HCl pH<2

28 d

Nitrógeno total

P, V

500 ml

Nitrógeno amoniacal

P, V

500 ml

Nitratos

P, V

100 ml

Nitratos+Nitritos

P, V

200 ml

Nitritos

P, V

100 ml

P, V P, V V, frasco Winkler

100 ml 100 ml

Simple, compuesta Simple, compuesta Simple, compuesta Simple, compuesta Simple, compuesta Simple Simple

300 ml

Simple

P, V

100 ml agua residual 500 ml agua clara

Simple, compuesta

4°C

7d

P, V

200 ml

Simple, compuesta

4 °C

7d

Coliformes

P,V, esterilizados

300 ml

Simple

4°C

24 h

Huevos de Helmintos

P, paredes lisas

4,000 ml

Simple

4C 30 mL formol/L muestra

6 Meses

PARÁMETRO Alcalinidad

Grasas y Aceites

Fósforo orto Fósforo Total Oxígeno disuelto Sólidos Suspendidos Totales Sólidos Suspendidos Volatiles

24 h

4 °C y H2SO4 pH<2 4 °C y H2SO4 pH<2 4 °C y H2SO4 pH<2 4 °C y H2SO4 pH<2

28d 7d 48h 28 d

4°C

48 h

4°C 4°C MnSO4, Álcali yoduro, H2SO4

24 h 28 d 28 hr

Revisión del equipo de muestreo de campo La obtención de muestras representativas comúnmente requiere de muchas provisiones y equipo, si tomamos en cuenta que la mayoría de las veces la localización de los sitios de muestreo hace difícil reabastecerse de provisiones o recoger artículos olvidados, para evitar situaciones de este tipo se recomienda recabar el material y equipo de muestreo de acuerdo a una lista de verificación cuyo contenido variará dependiendo de las condiciones particulares del lugar en que se llevará a cabo cada muestreo; al registrar cada artículo que se va colectando se registra en la lista, de tal manera que sea fácil darse cuenta al observar la tabla o lista de verificación lo que pudiera faltar. Se pueden elaborar formatos para verificar la lista de provisiones antes de salir a campo.

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Listas de verificación: En los siguientes párrafos se mencionan algunos de los puntos mas importantes que debe considerarse en cada rubro. a) Supervivencia en campo • Mapa de localización • Radio o teléfono celular (verificar antes si hay sepal) • Credencial • Permiso para muestrear la zona • Agua o electrolitos para beber • Botas de hule y/o botas pantaloneras • Cubrebocas • Mascarilla • Guantes de uso rudo • Pilas de repuesto • Duplicado llaves de vehículo • Extinguidor • Cuerda • Linterna • Impermeable o manga • Jabón y una muda de ropa • Chaleco salvavidas • Cuerda b) Muestreo • Botella o muestreador de Van Dorn • Cable para el muestreador • Cubeta aforada • Cuerda • Embudo • Flexómetro • Recipientes de muestreo • Medidor de flujo, molinete • Cronómetro • Procedimientos • Hoja de campo • Cadena de custodia • Formato de salida de equipo ya autorizado • Mapa de estaciones • Programa de muestreo e itinerario • Oficio de comisión • Procedimientos de muestreo • Procedimientos de operación del equipo campo c) Medición de parámetros en campo • Pipetas pasteur o gotero • Recipientes para medición de parámetros de campo 313

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• • • • • • • • •

Buffer pH 4, 7 y 10 Conductímetro Oxímetro Papel pH Potenciómetro Termómetro Sonda multiparámetros Kit medidor cloro residual con reactivos Pilas repuesto para los equipos

d) Limpieza y descontaminación • Agua • Agua desionizada • Pizeta • Bolsas para basura • Detergente libre de fosfatos Al reunir el equipo para muestreo en campo, debe revisar que las pilas operen apropiadamente, calíbrelo antes de salir. Revise la separación de la columna de mercurio en los termómetros de vidrio y verifique que los muestreadores que utilizará son los apropiados para los parámetros que se determinarán, por ejemplo si tomara una muestra para determinación de metales no utilice un muestreador de este material y sobre todo siempre lave y descontamine el equipo antes de utilizarlo o reutilizarlo entre una estación y otra, los pasos y agentes de limpieza dependerán del tipo de parámetros a monitorear. A continuación se enumeran los pasos que la Agencia de Protección al Ambiente recomienda para la limpieza del equipo de muestreo: 1. Limpiar con detergente sin fosfatos. 2. Enjuagar con agua de la llave. 3. Enjuagar con una solución de ácido nítrico al 10% si es que existe la posibilidad de contaminación de metales. 4. Enjuagar con agua desionizada. 5. Enjuagar con solvente grado plaguicidas (si es que existe la posibilidad de contaminación por medio de orgánicos volátiles). 6. Enjuagar dos veces con agua desionizada. 7. Enjuagar con agua libre de compuestos orgánicos. 8. Secar al aire en un lugar libre de polvo o con una corriente de nitrógeno. 9. Envolver el equipo limpio inorgánico en papel celofán y el limpio orgánico en papel aluminio, para que no se contamine durante el transporte al sitio de muestreo. Además de la limpieza, la calibración del equipo para determinación de parámetros en campo es muy importante, además de verificar el equipo antes de salir, en campo se tiene que re-calibrar, ya que hay una gran variedad de instrumentación usada para el muestreo de calidad del agua.

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Lleve siempre consigo el manual o el procedimiento de operación y calibración del equipo; es muy importante documentar los resultados obtenidos de la calibración en la bitácora de campo ya que esto es la evidencia de que la calibración se realizó conforme a esos procedimientos.

Ubicación de la estación de muestreo Antes de salir revise la información referente a la ubicación y descripción de las estaciones de muestreo, estas deberán estar marcadas exactamente en un mapa ya que de lo contrario se corre el riesgo de tomar muestras que no correspondan al sitio deseado, cuando las haya observe las fotografías, verifique si puede tomar alguna referencia para ubicar el sitio y haga uso de las herramientas para medir distancias y estar seguro de que las muestras que tomará son las que corresponden.

Foto 1 Muestreo

Si usted es el que esta a cargo de organizar el muestreo, saque fotos en cada una de las visitas previas al muestreo para poder comparar si ocurren cambios significativos que pudieran alterar los resultados o que incluso hicieran pensar en cambiar la estación.

El muestreo Una vez que se han realizado las fases de planeación y preparación, todo estará listo para proceder a colectar las muestras representativas; especialmente en esta etapa es importante seguir las recomendaciones en cuanto a los lineamientos de seguridad, por lo que debe conocerlos. Lleve consigo identificación y siempre que sea posible un teléfono o radio de comunicación, notifique a sus compañeros su itinerario y ubicaciones. Nunca debe salir solo a campo, identifique antes de salir la ubicación de clínicas u hospitales más cercanos, adquirir las inmunizaciones apropiadas; recuerde siempre ser precavido pues también de esto depende el éxito del muestreo.

Registro en campo La colecta de muestras no solo involucra el proceso de adquirir físicamente la mejor muestra para el futuro análisis, sino también el caracterizar el ambiente en el que fue tomada la muestra. El objeto de la muestra y de las mediciones en campo es representar con exactitud el agua en ese momento y para ello se requiere de una documentación adecuada que asegure un mantenimiento y control de calidad en el muestreo.

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El registro de las actividades debe realizarse en una bitácora de campo, estos apuntes deben ser tan legibles y completos como sea posible (condiciones climatológicas importantes, tipo y método de muestreo, resultados de las mediciones hechas en campo, calibración de equipo, ubicación del sitio y tipos de muestras utilizadas como control de calidad. Esta bitácora deberá ir firmada por todo el personal que participa en el muestreo. Además de las anotaciones hechas en la bitácora de campo se recomienda utilizar formatos pre-elaborados cuya utilización facilite concentrar el registro de la información referente a las muestras: nombre, lugar de muestreo, número de recipientes por preservación, número total de recipientes por muestra, preservación, parámetro a determinar, hora en la que se tomó cada muestra, registro de muestras dobles, blancos de campo, de viaje, de equipo, nombre del muestreador y, por supuesto, el nombre del responsable de entrega de muestras, esto para seguir con la cadena de custodia. El que una muestra o un grupo de muestras esta en custodia significa que hay un responsable que tiene la posesión física de las muestras, esta responsabilidad termina tan pronto como se hace entrega de las muestras a quien las transportará o a quien las reciba en laboratorio; siempre que haya un cambio de responsable de las muestras los dos involucrados deberán firmar y poner fecha y hora en el formato de custodia. En la lámina 1 se muestra una etiqueta de campo utilizada en el IMTA.

LABORATORIO DE CONTROL DE PROCESOS DE TRATAMIENTO PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

MUESTREADOR:______________ FECHA:__________ HORA:_________ LUGAR DE MUESTREO:_________________________________________ NOMBRE DE MUESTRA:_________________________________________ PRESERVACIÓN:_______________________________________________ ANÁLISIS:_____________________________________________________ No. DE CONTROL:___________________ CASILLERO: _______________

Lámina 1 Formato de etiqueta

Colecta de muestras En base al objetivo del estudio, características del cauce y tipo de agua, las muestras que se colectan pueden ser: a) Simples b) Compuestas

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a) Muestras simples Son aquellas muestras individuales tomadas en un corto periodo y de forma tal que el tiempo empleado en su extracción sea el transcurrido para completar el volumen necesario. Este tipo de muestras se utiliza cuando se considera que el agua a muestrear presenta características uniformes o en un cuerpo de agua cuando el nivel no es demasiado profundo. b) Muestras compuestas Es la que resulta del mezclado de varias muestras simples colectadas en el mismo sitio en diferentes tiempos. Normalmente se colecta cada 6 o 4 horas, en un periodo de 24 horas, siendo el volumen de la muestra proporcional al flujo del agua. La mezcla proporciona una muestra que promedia las variaciones en su composición minimizando costos y reduciendo el número de análisis. El volumen de las muestras deberá ser siempre constante (por ejemplo 200 ml en cada ocasión) a intervalos constantes de tiempo (por ejemplo cada 4 horas), y bien mezclados al final del periodo de composición. Las muestras para compuestos orgánicos volátiles, grasas y aceites, hidrocarburos totales recuperables y microbiológicas nunca deberán ser compuestas. La normatividad mexicana marca, para descargas de aguas residuales, la siguiente frecuencia de muestreo de acuerdo al número de horas por día que opera el proceso generador de la descarga (Tabla 2). Tabla 2 Frecuencia para descargas de aguas residuales HORAS POR DÍA QUE OPERA EL PROCESO Menor que 4 De 4 a 8 Mayo que 8 y hasta 12 Mayor que 12 y hasta 18 Mayor que 18 y hasta 24

NUMERO DE MUESTRAS SIMPLES Mínimo 2 4 4 6 6

INTERVALO ENTRE TOMA DE MUESTRAS SIMPLES MÍNIMO MÁXIMO 1 2 2 3 2 3 3 4

Las muestras compuestas proporcionales al gasto se preparan mediante la siguiente ecuación:  Qi  VMSi = VMC *    Qt  Donde: VMSi = Volumen de cada una de las muestras simples “i”, litros VMC = Volumen de cada muestra compuesta necesaria para realizar la totalidad de los análisis de laboratorio requeridos, litros. Qi = Caudal de la descarga en el momento de tomar la muestra simple, litros/segundo. Qt = ΣQi hasta Qn, litros/segundo.

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Ejemplo: Se desea preparar una muestra compuesta para realizar la manifestación del pago de derechos de descarga a la Comisión Nacional del Agua, los parámetros a analizar y sus volúmenes son los indicados en la tabla 3 para un proceso que opera las 24 horas. El volumen total requerido de acuerdo a esta tabla es de 3.750 litros agregándose un excedente de 1.250 litros para el enjuague previo de los recipientes, con lo cual da un volumen total a preparar de 5 litros (VMC). De acuerdo a la tabla 2, el número de muestras simples son seis, tomadas cada cuatro horas. Tabla 3 Ejemplo de cálculo de muestra compuesta No. de muestra

Gasto (L/s)

Cálculo

Volumen proporcional (L)

1 2 3 4 5 6

200 150 175 200 125 100

VMSi = 5* (200/950) VMSi = 5* (150/950) VMSi = 5* (175/950) VMSi = 5* (200/950) VMSi = 5* (125/950) VMSi = 5* (100/950)

1.05 0.79 0.92 1.05 0.66 0.53

El proceso de colecta de muestras debe considerar una serie de puntos importantes que se mencionan en los siguientes párrafos como medidas de recomendación general, pudiendo variar de acuerdo a las necesidades específicas del programa de muestreo en cuestión.

Muestreo de ríos y arroyos Una vez que se ha logrado transportar hasta el sitio de muestreo todos los artículos necesarios para realizar el muestreo, el primer paso es la determinación de los parámetros de campo seguido de la medición de flujo; después la colecta y preservación de muestras paralelamente a las actividades de registro y finalmente las actividades de limpieza. Parámetros de campo: una vez que ha recalibrado en campo el equipo de acuerdo a los procedimientos de cada equipo, mida y registre los parámetros de campo: temperatura, conductividad eléctrica, pH y OD. Siempre que sea posible la determinación se debe realizar directamente en una sección no perturbada del cuerpo de agua, cuando no sea posible se toma una muestra se realiza la determinación de parámetros de campo en una muestra extraída. Realizar la determinación por triplicado. Si la temperatura se realiza sobre una muestra, se efectúa la determinación a la sombra. De preferencia deben utilizarse termómetros de inmersión parcial, pero si no se tiene puede utilizarse el de inmersión total, haciendo la corrección de temperatura correspondiente, para ello se debe registrar la lectura del termómetro (T0), la altura de la columna de mercurio que emerge del agua (n) y la temperatura medida con un segundo termómetro a la mitad de la altura de la columna emergente (t). Utilizar la siguiente expresión: T (corregida ) = T 0 + kn(T0 − t )

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k es el coeficiente de expansión diferencial de mercurio del vidrio y tiene un valor de 0.00016 °C para termómetros de vidrio con escala en grados Celsius y lecturas de temperatura hasta 100 °C. Para los casos en que la medición de OD se realiza en una muestra contenida en un recipiente, se debe tener cuidado de no agitar o airear la muestra. Si esta medición se realiza directamente en el cuerpo de agua se debe evitar realizar la medición en puntos cercanos a turbulencia, ya que esto favorece la incorporación de aire atmosférico al agua. La conductividad eléctrica debe determinarse de preferencia con las muestras y solución de calibración a temperatura ambiente, en caso que no sea así se debe realizar el cálculo por compensación de temperatura, hay equipos que lo traen ya integrado. En cuanto a las condiciones físicas de la muestra, si trae gran concentración de materia en suspensión es preferible dejarla sedimentar antes de realizar la medición; no se debe dejar la muestra expuesta a la atmósfera por largos periodos de tiempo ya que esto cambia la conductividad. La medición se realiza por triplicado y se reporta el promedio. Para determinar el pH puede primero introducir una tira de papel universal y en base al valor de pH obtenido con la tira podrá seleccionar las dos soluciones patrón que utilizará para calibrar el potenciómetro. Una vez que sumerja el electrodo espere hasta que la lectura se estabilice y realice también esta determinación por triplicado. Existen varios métodos, aquí describiremos el de sección y velocidad. Antes de colectar las muestras anote la velocidad de flujo del río: • • • •

• •

Ubique un canal derecho en el que el flujo sea uniforme y libre de remolinos o turbulencia excesiva, mida el área de la sección transversal. Para determinar el área de la sección transversal primero debe determinar el ancho del río, extienda un cable o cinta de medir de un extremo a otro del río y en dirección perpendicular al sentido del flujo, registre el dato. Sobre la misma cuerda debe segmentar en varias secciones el ancho del río, tratando de que a través de estas no pase más del 5% del flujo total. El siguiente paso es medir la profundidad a diferentes alturas en la vertical que divide a los segmentos (esto puede hacerse mediante una sonda o directamente con alguna varilla) y posteriormente se mide la velocidad del agua en cada nivel (la velocidad puede determinarse con un molinete o por ejemplo tomando el tiempo en que un flotador recorre una distancia conocida). Se promedia el valor de la velocidad obtenida para cada nivel y se repite la operación para cada línea de división hasta llegar a la otra orilla. Una vez que se conoce la velocidad promedio, el ancho y profundidad en cada incremento se puede calcular el flujo total en cada segmento, sume los flujos de cada segmento para calcular el flujo total del río y registre todos estos datos y cálculos en su libreta de campo.

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Foto 2 Aforo de río

Muestreo en tomas Cada toma de muestreo debe tener una válvula de cierre que permita el paso libre de las aguas residuales y de los materiales que pueda contener, además de proporcionar un cierre hermético de la toma. Esta válvula y los rios necesarios para su instalación deben de ser de materiales similares a los de la toma o conductos en los que se instalen. La toma debe tener un diámetro adecuado con la menor longitud posible, situando las válvulas de tal manera que las muestras sean representativas de la descarga. Para tomar la muestra se deja fluir un volumen aproximadamente igual a 10 veces la cantidad de la muestra y a continuación se llena el recipiente de muestreo.

Muestreo en descargas libres Cuando las aguas residuales fluyen libremente en forma de chorro, debe emplearse el siguiente procedimiento: • • •

El recipiente muestreador se debe enjuagar repetidas veces antes de efectuar el muestreo. Se introduce el recipiente muestreador en la descarga o de ser posible se toma directamente la muestra en su recipiente. La muestra se transfiere del recipiente muestreador al recipiente para la muestra cuidando que esta siga siendo representativa. La muestra debe agitarse constantemente para que no se sedimente.

Muestreo en canales y colectores • •

320

Se recomienda tomar las muestras en el centro del canal o colector, de preferencia en lugares donde el flujo sea turbulento a fin de asegurar un buen mezclado. Si se va a evaluar el contenido de grasas y aceites, se deben tomar porciones, a nivel superficial, cuando no haya mucha turbulencia para asegurar una mayor representatividad.

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• •

Excepto para determinación de parámetros microbiológicos y grasas y aceites, el recipiente muestreador se debe enjuagar repetidas veces con el agua por muestrear antes de colectar la muestra. El recipiente muestreador o botella Van Dorr atado y sostenido con la mano, se introduce en el agua y se extrae la muestra a un tercio de la profundidad total.

Muestreo en tanques y lagos Como en el muestreo de ríos y arroyos, mida primero los parámetros de campo, temperatura, conductividad eléctrica, pH y el OD para evaluar la variabilidad y estratificación tridimensional. Tome muestras por todo el lago y a diferentes profundidades, al menos tres. Si el lago está estratificado, anote la profundidad y el espesor de la capa de arriba, de zonas de transición y de las capas de abajo sin mezclar la muestra con el sedimento del fondo. En lagos poco profundos se considera que la concentración de OD es moderadamente uniforme con la profundidad, en estos casos se recomienda sacar la muestra del centro del lago a una profundidad de 30 cm.

Procedimientos de muestreo Muestreo manual El muestreo manual se realiza por una persona entrenada para recolectar las muestras en los sitios y tiempos definidos. Esto implica la necesidad de un desplazamiento continuo del muestreador durante el tiempo para generar las muestras simples y/o las compuestas (Foto 3). El procedimiento general utilizado para el muestreo en corrientes es el siguiente: • • •

•

Foto 3. Muestreo manual

Se localiza el sitio de acuerdo a su ubicación previa en el plano y se procede a la recolección de la muestra dependiendo del sitio del que se trate. Se calibra el equipo de campo. Los recipientes de muestreo deberán ser previamente identificados por medio de una etiqueta autoadherible e impermeable con marcador a de tinta indeleble, de tal manera que en el momento de tomar la muestra se llenen los espacios, anotando la fecha y la hora en que se toma la muestra, nombre de la muestra, preservación y los parámetros a analizar. El número de control y casillero son datos que el laboratorio asignara para dar una identificación única a la muestra y localizarla en el momento que se requiera, en la lámina 1 se muestra el ejemplo de una etiqueta para identificación de muestras. 321

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•

•

•

Realice la determinación de los parámetros de campo y enseguida, tome la muestra o haga la determinación de los parámetros de campo en la muestra misma, según las condiciones. Recuerde enjuagar tres veces el recipiente antes de depositar el volumen adecuado. Se repite el procedimiento de muestreo hasta llenar el recipiente para los análisis de laboratorio con la excepción de que para la determinación de parámetros microbiológicos y grasas y aceites el recipiente muestreador no se debe enjuagar agua de la muestra. Preservar las muestras de acuerdo a lo indicado en la tabla 1 y en el punto 6.

Muestreo automático Los muestreadores automáticos son equipos que permiten la obtención de muestras compuestas proporcionales al flujo y a intervalos previamente programados. Los equipos existentes en el mercado, pueden incluir recipientes de diferentes capacidades, determinación de parámetros de campo incluyendo el gasto y la preservación a temperatura de refrigeración. Las ventajas de estos equipos es que permiten reducir el error humano siendo su principal desventaja su costo. Se permite el empleo de muestreadores automáticos siempre y cuando se operen de acuerdo con las instrucciones del fabricante, además de darles el mantenimiento adecuado, asegurando de esta manera la obtención de muestras representativas. Se pueden utilizar en descargas libres, canales y colectores.

Preservación de muestras Las muestras se preservan con el objeto de detener o retardar las reacciones químicas que sufren después de su recolección alterando su composición original. En la tabla 1 se detallo el tipo a utilizar dependiendo de la determinación que se vaya a realizar. Los preservadores pueden adicionarse previamente en los recipientes adecuados, como es el caso de la adición de tiosulfato de sodio para muestras con cloro residual para análisis microbiológico pero en general para el resto de los parámetros se recomienda realizar la preservación inmediatamente después de colectar la muestra. Si la muestra se preserva en campo, se debe seguir el siguiente procedimiento: • • • • •

322

Los reactivos de preservación deben adicionarse con pipetas o goteros con escala a cada recipiente. El preservador debe ser grado reactivo analítico o de alta pureza y los datos de su procedencia deben quedar registrados en bitácora. Se deben utilizar reactivos recientes para cada muestreo. Después de la adición de los reactivos se debe verificar el pH, utilizando papel pH o potenciómetro de campo. Si es necesario, debe adicionarse mas reactivo para alcanzar el pH indicado para cada parámetro. La misma cantidad de preservador se debe añadir a todos los blancos correspondientes. La preservación con ácidos se debe de hacer en un área ventilada o en una campana de extracción. Cualquier reacción inusual se debe registrar en los registros u hojas de campo.

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• •

Todos los reactivos para la preservación de las muestras se deben transportar en recipientes de plástico o de teflón para evitar su rompimiento y en contenedores diferentes a los de transporte de las muestras. Todas las muestras deberán mantenerse en hielo mientras llegan hasta el laboratorio, una vez que se haga la entrega de muestras estas ingresaran a un refrigerador para mantenerlas a 4 °C hasta el momento de su análisis.

Control y aseguramiento de calidad en campo El Control de la Calidad es una serie de procedimientos dentro de la metodología de análisis que coadyuvan para la precisión (Grado de concordancia entre las replicas de resultados analíticos de un mismo parámetro procesadas bajo las mismas condiciones) y exactitud (Concordancia entre un valor determinado experimentalmente y el valor de referencia aceptado. Se expresa en concentración o como el porcentaje de recuperación obtenido del análisis de muestras adicionadas y/o sintéticas) de los resultados analíticos. El Aseguramiento de la Calidad es un plan definido para la operación de todo laboratorio que especifica procedimientos estandarizados de operación con lo que se asegura que los resultados tengan un alto nivel de confiabilidad y sean adecuados para los objetivos establecidos. La calidad de los datos resultantes de las actividades de muestreo depende del cumplimiento de las siguientes actividades: • • • • •

Colectar muestras representativas Uso de equipo apropiado de muestreo Toma de muestras y preservación apropiadas Adecuada identificación y cadena de custodia de las muestras Seguimiento del aseguramiento y control de la calidad en el campo

Blancos de equipo Los blancos de equipo se utilizan para detectar cualquier contaminación que implique al equipo de muestreo. Se debe obtener al menos un blanco de equipo por cada 20 muestras del parámetro en cuestión. El blanco de equipo se prepara en el campo antes del muestreo, utilizando agua libre del analito en el equipo que debió limpiarse previamente, la preservación y documentación para este blanco debe ser la misma que para el resto de muestras.

Blancos de viaje El objeto de los blancos de viaje es verificar si ocurre la contaminación durante la colección o transportación. Los blancos de viaje se deben preparar en el laboratorio, antes de iniciar el viaje. Se llena un recipiente con agua deionizada libre del analito en cuestión y se preserva de la misma manera que cualquier muestra para la misma determinación. 323

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Blancos de campos La preparación de los blancos de campo se realiza al menos en una de las estaciones de muestreo que puede ser la que se considere con mayor grado de contaminación; se prepara con agua deionizada y el recipiente se deja abierto el tiempo que dura la toma de muestras en esa estación de muestreo, al igual que todas las muestras de control de control de calidad, los blancos de campo se preservan de la misma manera que las muestras de estudio. Para análisis microbiológicos no se prepara blanco de campo.

Muestras dobles Se toma una muestra dos veces en el mismo sitio de muestreo pero se colectan de manera independiente; la identificación de la muestra doble debe ser tal que aunque en el registro de campo se especifique cual es la muestra doble, el analista no conozca este dato. Se aconseja distribuir las distintas muestras control en distintas estaciones de muestreo.

Muestras divididas Sirven para constatar el trabajo de análisis, la muestra se toma en un recipiente, se mezcla perfectamente y se reparte equitativamente en recipientes adecuados, se preservan y se hace el registro correspondiente para enviarlas a dos o más laboratorios distintos.

324

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ANEXO B. PRÁCTICA DE MUESTREO Generalidades Ante la presencia del creciente problema de contaminación, se han desarrollado procesos para tratar de conocerlo y controlarlo, por lo que resulta necesario muestrear los cuerpos de agua y descargas de aguas residuales para determinar, mediante análisis de laboratorio, las características cualitativas y cuantitativas de los compuestos de interés definidos en un marco de estudio. El propósito del muestreo es colectar un volumen de agua (muestra), de tal manera que sus características sean representativas de aquellas que pertenecen a las de la masa de agua que se va a examinar; lo anterior significa que la muestra debe tomarse en forma tal que no se produzca ningún cambio durante el tiempo que transcurra desde la recolección hasta la determinación analítica. Los análisis de laboratorio son caros y son procesos que en ocasiones requieren mucho tiempo, por eso la importancia de asegurar, desde antes de iniciar el muestreo, que las muestras que se colecten contribuirán de manera precisa a los objetivos del proyecto y que además, una vez en campo, el monitoreo se realizará en el orden correcto de acuerdo al tipo de agua y con los controles de calidad que permitan garantizar la confiabilidad del proceso. Existen dos tipos de muestras: • •

Simples Compuestas

Las primeras son muestras puntuales que se toman en un determinado momento, de tal forma que el tiempo empleado para su extracción es el que transcurre para obtener el volumen necesario. La muestra compuesta en cambio, es la que resulta de la mezcla de varias muestras simples tomadas en el mismo sitio pero en horarios distintos, de tal manera que ésta sea representativa de la calidad de agua de la estación de monitoreo. Una muestra es la evidencia física de la calidad del agua en un momento determinado y de ahí la importancia de manejarla adecuadamente. Un formato de cadena de custodia permite mantener y documentar la posesión de la muestra para garantizar su integridad. Dependiendo del tipo de agua a muestrear, se deben seguir ciertos lineamientos en cuanto al orden en que se deben colectar las muestras para los diferentes parámetros, lo mismo que para la determinación de parámetros de campo, es importante por ello, llevar consigo a los muestreos el procedimiento correspondiente, de manera que se pueda consultar en todo momento.

325

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Procedimiento 1. Realizar una visita de reconocimiento a la planta de tratamiento para identificar el punto de muestreo, si es posible realizar un registro fotográfico. 2. Elaborar el programa de muestreo de acuerdo a lo especificado en el procedimiento “plan de muestreo”. Se debe asegurar que el programa de muestreo contribuirá al objetivo del proyecto. Turnar este programa para su aceptación. 3. De acuerdo al programa de muestreo y a lo observado en la visita de reconocimiento, elaborar la lista de verificación de material, de equipo, de supervivencia en campo, de limpieza, de salud y seguridad, de procedimientos y/o formatos.

4. Recabar el material especificado en la lista de verificación: a) En el caso de equipos de medición en campo se requiere realizar su calibración antes de salir. b) Verificar el tipo de envase que se requiere para tomar las muestras, su capacidad y si es necesario algún lavado especial. c) Colocar en cada recipiente una etiqueta autoadherible e impermeable para registrar la identificación de la muestra correspondiente. 5. Blanco de viaje Vaciar agua desionizada en recipiente que deberá permanecer tapado durante el tiempo que dure el muestreo. El volumen de agua desionizada debe ser igual al que se tomará de la muestra para el mismo parámetro. 6. Una vez en campo: a) Localizar las estaciones de muestreo e instalarse para la toma de muestras. b) En alguna de las estaciones de muestreo preparar el blanco de campo. Vaciar agua desionizada a un recipiente que deberá permanecer destapado durante el tiempo en que se toman las muestras de esa estación, el volumen de agua desionizada debe ser igual al que se tomará de la muestra para el mismo parámetro. 326

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c) Consultar el procedimiento de muestreo para verificar la secuencia en que se deben tomar las muestras de acuerdo a los parámetros que se requieran.

d) Colecta de muestras. Enjuagar mínimo tres veces el envase de muestreo con agua de la muestra, excepto para aquellos parámetros que se indique que no es necesario. Siempre que sea posible se debe tomar la muestra directamente en el envase de muestreo, en caso contrario, se utiliza un recipiente de muestreo adecuado a las condiciones de la estación, el recipiente muestreador deberá estar limpio y al igual que los envases para muestreo se debe enjuagar repetidas veces con el agua de estudio antes de tomar la muestra, que deberá trasvasar al envase preparado. e) Identificación de la muestra. Cada envase debe tener una etiqueta autoadherible e impermeable sobre la que se deberá registrar la información correspondiente con marcador de tinta permanente. f) De acuerdo al procedimiento de muestreo, se debe realizar una muestra doble por muestreo para cada parámetro, esta se obtiene tomando de manera independiente, muestras del mismo sitio y hora. Una se identifica como la muestra que es y la otra con un nombre distinto, de manera que el analista no conozca su procedencia. 327

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g) Recalibrar los equipos con los que hará las mediciones en campo y proceder a realizar la determinación. h) Preservar las muestras de acuerdo a los parámetros y a lo indicado en el procedimiento de muestreo.

i) Empacar las muestras de tal manera que puedan ser transportadas al laboratorio de manera segura. j) La información obtenida durante el muestreo se debe registrar en los formatos correspondientes, los cuales pueden ser la hoja de campo o bitácoras personales y se realizará paralelamente con las diferentes actividades del muestreo. k) Enjuagar repetidas veces con agua desionizada el material utilizado durante el monitoreo. 7. Realizar la entrega de muestras con la documentación correspondiente al encargado de hacer la recepción de muestras en el laboratorio.

328

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CLIENTE Y/O PROYECTO No. DE CONTROL: 123 /2004 PTAR-IMTA DIRECCIÓN: FECHA DE ENTREGA: PASEO CUAUHNAHUAC 8532 COL. PROGRESO; JIUTEPEC, MOR. 30/03/04 ELABORÓ: VoBo RESP. DEL PROYECTO: MARIA DE LOS ANGELES FARFAN GUERRERO M.I. LUCIANO SANDOVAL YOVAL OBJETIVO: Realizar el muestreo y análisis de aguas de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales del IMTA para control y operación asegurando que la calidad del efluente cumpla con los límites máximos permisibles indicados en la norma NOM. ECOL-001-1996 y la Ley Federal de Desechos del agua (LFDA). JUSTIFICACIÓN: Para llevar un control de la operación de la planta de tratamiento es necesario realizar muestreos y análisis periódicos, lo cual permitirá realizar los ajustes necesarios para cumplir con la calidad de descarga requeridas. ANTECEDENTES: Desde su arranque en 1997, el nuevo módulo de aireación extendida ha venido funcionando de manera óptima, cumpliendo con los límites más estrictos de la NOM.ECOL-001-1996 para cuerpos receptores tipo C sien do que la LFDA, le requiere el cumplimiento para cuerpos receptores tipo A. La planta remueve consistentemente materia orgánica (DBO5) por arriba del 95% y nitrógeno total con una eficiencia del 90%, ahorrando un 70% de la energía requerida en la aireación. Adicionalmente, la desinfección química ha sido sustituida con desinfección natural ahorrando reactivo, personal, refacciones y energía. El agua tratada se aprovecha en reuso en la agricultura, acuacultura, riego de jardines y aprovechamiento de lodos residuales como abono orgánico.

329

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PERSONAL PARTICIPANTE: Guadalupe Martínez, Beatriz Peña Loera, Ma. de los Angeles Farfan Guerrero, Marco Antonio Moreno, José Luis Moreno, Alejandro Flores, Guillermo Capetillo. ASIGNACIÓN DE ACTIVIDADES: NOMBRE: ACTIVIDAD: FECHA DE CUMPLIMIENTO: Guadalupe Martínez Análisis de parámetros de laboratorio 30/03/04 M.A. Farfán Toma de muestras y preservación y análisis de parámetros de 30/03/04 laboratorio Beatriz Peña Loera análisis de parámetros de laboratorio 30/03/04 José Luis Moreno Toma de muestras 30/03/04 Alejandro Flores Fitz Toma de muestras 30/03/04 Guillermo Capetillo Toma de muestras 30/03/04

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1

2

3 4

5

7

6

TA1 TA2 VISITA PROSPECTIVA: Se establecieron los puntos de muestreo en los siguientes sitios dentro de la planta de tratamiento, identificándose como: P0 blanco de campo P1 Influente general P2 tanque de regulación P3 tanque de aireación 1 P4 tanque de aireación 2 P5 Retorno de lodos P6 Purga de lodos P7 Efluente clarificador P8 Efluente laguna P9 muestra doble

331

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LUGAR DE MUESTREO:P PTAR

TIPO DE MUESTREO: SIMPLE ( X ), COMPUESTO ( ) OTRO ( ):

FECHA DE MUESTREO:

TIPO DE MUESTRA: Agua

FECHA PROGRAMADA DE ENTREGA DE MUESTRAS:

NÚMERO TOTAL DE MUESTRAS:10

PARÁMETROS A MUESTREAR (marque con una X, los parámetros de interés) Q.A. FISICOQUIMICOS FQ2: ( preservación: con H2SO4) )

FQ1: (preservación: sólo hielo)

( ) 500 mL

SUSTANCIAS ACTIVAS METILENO (SAAM)

AL

AZUL

DE

CROMATOGRAFIA DE GASES PRESERVACIÓN: sólo hielo

( ) 400 mL

MICROSISTINA LR

SÓLIDOS DISUELTOS TOTALES SOLIDOS SEDIMENTABLES

NITRÓGENO TOTAL ( ) 200 -1000 mL NITRÓGENO ORGANICO ( ) 1000 mL NITRÓGENO AMONIACAL

( ) 1200 mL ( ) 500 mL ( ) 500 mL

OTROS : diferentes preservaciones y envases PLAGUICIDAS ORGANOCLORADOS ( ) 1000 mL

HIDRÓXIDOS, CARBONATOS Y BICARBONATOS

( )

200 mL NITRÓGENO TOTAL KJELDAHL

( ) 600 mL

COMPUESTOS ORGÁNICOS VOLÁTILES POR PURGA Y TRAMPA (TRIHALOMETANOS, BTEX,)

( )

20-40 mL

CROMO HEXAVALENTE FÓSFORO (ORTO) FÓSFORO TOTAL, ORGÁNICO

( ) ( ) ( )

300 mL 100 mL 200 mL

( )

BIFENILOS POLICLORADOS

( )

1000 mL

SOLIDOS TOTALES SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES

( x ) 100 - 500 mL

MATERIA ORGÁNICA

( ( ( (

FLUORUROS CONDUCTIVIDAD NITRÓGENO DE NITRITOS NITRÓGENO DE NITRATOS

) ) ) )

200 mL 300 mL 200 mL 200 mL

NITRÓGENO DE NITRATOS MAS NITRITOS

VOLUMEN TOTAL:

( ) 100 mL

AA: ( preservadas con HNO3 )

( ) 500 mL

DUREZA TOTAL Y DE CALCIO

ALCALINIDAD TOTAL

( ) 500 mL

ACIDOS VOLÁTILES

( ) 400 mL

CLORUROS

( ) 200 mL ( ) 200 mL

DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGENO

( x ) 100 -1000 mL

1000 mL

MICROBIOLOGÍA

FQ3: ( preservadas con HCl) GRASAS Y ACEITES ( ) 1000 mL ( ) VOLUMEN TOTAL:

ACIDEZ TOTAL

COLOR APARENTE Y/O VERDADERO

200 mL ( )

( )

PRESERVACIÓN: sólo hielo COLIFORMES FECALES Y TOTALES ESTREPTOCOCOS FECALES ENTEROCOCOS FECALES

( x ) 300 mL ( ) 300 mL

OTROS : diferentes preservaciones y envases

( ) 400 mL ( )

(

HUEVOS DE HELMINTO

)

4000 mL

( )

VIbrio cholerae

300 mL

VOLUMEN TOTAL: OTROS: (diferentes preservaciones y envases) FENOLES TOTALES SULFUROS

HIDROBIOLOGÍA Y EVALUACION AMBIENTAL PRESERVACIÓN: sólo hielo

( ) 1000 mL ( )

300 mL

TOXICIDAD: Vibrio fisheri, Daphnia magna, Selenastrum c. Lactuca sativa , Hidra atenuata.

( ) 250, 600, 150, 150, 150, mL

BORO

( ) 300 mL

OXIGENO DISUELTO

SULFATOS

( ) 200 mL

DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO

TURBIDEZ

( ) 100 mL

Sólidos suspendidos volatiles

AA: ( preservadas con HNO3 ) (250 mL / elemento) ( ) ( ) As ( ) Cd ( ) Cu ( ) Cr ( ) Hg ( ) Ni ( ) Pb ( ) Zn ( ) Ag ( ) Al ( ) B ( ) Ba ( ) ( ) Be ( ) Bi ( ) Ca ( ) Co ( ) Fe ( ) K ( ) Li ( ) Mg ( ) Mn ( ) Mb ( ) Na ( ) P ( ) ( ) Se ( ) Sb ( ) Si ( ) Tl ( ) V ( ) Sn ( ) Av ( ) W ( ) ( ) ( ) ( ) VOLUMEN TOTAL: ( ) PARAMETROS DE CAMPO: ), CONDUCTIVIDAD ELECTRICA , C.E. ( ), CLORO RESIDUAL ( ), TEMPERATURA ( ), GASTO ( ), OTRO: ( )

(x ) VOLUMEN TOTAL: POTABILIZACIÓN OTROS : (diferentes preservaciones y envases) CARBONO ORGÁNICO TOTAL ( ) 250mL POTENCIAL DE HIDRÓGENO, pH. ( OBSERVACIONES:

332

EXTRACTABLES CON CLOROFORMO

( ) 30 mL ( x ) 100 mL ( ) 800 mL

GENOTOXICIDAD

( )

1000 - 4 000 mL ( )

CLOROFILA

1000 mL

ABSORCIÓN ATÓMICA

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1565 LABORAOTORIO DE CALIDAD DEL AGUA CADENA DE CUSTODIA AREA:

PROYECTO:

TIPO DE MUESTRA:

CASILLERO:

ANÁLISIS

No. FCO.

Fecha de edición:

FIRMA

D 29

INGRESO FECHA

M 08

A 02

HORA

FECHA DE MUESTREO: No. MUESTRAS: No. FCOS

Sustituye a:

ANÁLISIS FECHA I T

FIRMA

D 08

M 10

No. FCOS.

A 98

No. CONTROL:

DISPOSICIÓN FECHA FIRMA

Revisión: 1

OBSERVACIONES

Hoja: de:

FMLC08-A1

333

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LABORAOTORIO DE CALIDAD DEL AGUA CADENA DE CUSTODIA DE LA MUESTRA

CUARTO FRIO PARAMETRO O PRESERVACIÓN

SALIDA ANALISTA (FIRMA):

FECHA:

HORA:

FIRMA: . NOMBRE: ( )FERNANDO FLORES P.

FMLC08-A2

334

D 29

M 08

HORA:

LAS MUESTRAS PARA: FQ1( ), FQ2( ), DQO( ), FENOLES( ), S( ), GyA( ), AA( ), THM´s( ), BTEX( ), PLAGUIC.( ) INGRESARON AL CUARTO FRIO: hrs. TOXICICIDAD ( ), GENOTOXICIDAD ( ), . ( ) OBSERVACIONES:

RECEPCIÓN:

Fecha de edición:

ENTRADA FECHA:

ANALISTA (FIRMA):

A 02

Sustituye a:

D 00

M 00

A 00

Revisión: 0

Hoja: de:

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1300 LABORAOTORIO DE CALIDAD DEL AGUA REGISTRO DE CAMPO NOMBRE/FIRMA MUESTREADOR:

FECHA DE MUESTREO: FECHA DE RECEPCIÓN: SOMBREADA SÓLO PARA G.C.)

(ÁREA HORA:

RESP. DE ENTREGA DE MUESTRAS:

NOMBRE/FIRMA RECEPTOR:

CONTROL No.:

CLIENTE Y/O PROYECTO: No.

NOMBRE DE LA MUESTRA

TIPO DE MUESTRA: HORA

No. RECIPIENTES POR PRESERVACIÓN SOLO H2SO4 HNO3 HCl FORMOL HIELO

EDTA

NaO H

TOTAL D E RECIPI ENTES QAF MB HBA QAC HB A

PARÁMETROS POR PRESERVACIÓN : ( ) DE ACUERDO CON EL PLAN DE MUESTREO SOLO HIELO: NaOH: H2SO4: EDTA: HNO3: FORMOL: HCl: OTROS: VERIFICACIÓN PRESERVACIÓN IDENTIFICACIÓN RECIPIENTE VOLUMEN C NC C NC C NC C NC C OBSERVACIONES: EL LABORATORIO NO SE HACE RESPONSABLE DE LOS RESULTADOS EMITIDOS DE LAS MUESTRAS REALIZARÁN A PETICIÓN DEL CLIENTE, FIRMAS: DEBIDO A QUE: Fecha de edición: D M A Sustituye a: D M A Revisión: 5 Hoja: 21 05 03 30 06 02

TIEMPO NC , LAS MUESTRAS SE de:

FMLC09 335

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LABORAOTORIO DE CALIDAD DEL AGUA CADENA DE CUSTODIA CAMPO RECIPIENTES DE MUESTREO:

SOLUCIONES:

PLASTICO

ESTÉRILES

Cantidad:

Área, firma y fecha:

Cantidad:

Área, firma y fecha:

Cantidad:

Área, firma y fecha:

Cantidad:

Área, firma y fecha:

Cantidad:

Área, firma y fecha:

Cantidad:

Área, firma y fecha:

Cantidad:

Área, firma y fecha:

Cantidad:

Área, firma y fecha:

Cantidad:

Nombre:

Cantidad:

Nombre:

Cantidad:

Área, fecha: Área, fecha:

Nombre:

Cantidad:

firma

y Nombre:

Cantidad:

Area, firma y fecha:

firma

y Nombre:

Cantidad:

Area, firma y fecha:

Área, firma y fecha: Nombre:

Cantidad:

Area, firma y fecha:

Nombre y Firma:

RECIBE:

EMPAQUE No. hielera

VIDRIO

Área, firma y fecha:

Fecha:

TRANSPORTE No. frascos

Fecha

Hora

No. hielera Fecha

Hora

No. frascos

FIRMA:

T= FIRMA:

T= FIRMA:

NOMBRE: OBSERVACIONES: Fecha de edición:

NOMBRE:

NOMBRE:

FMLC09-B

336

D 21

M 05

A 03

Sustituye a:

D 14

M 0.80

A 01

RECEPCIÓN Fecha

Revisión: 5

Hoja:

Hora

de:

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ANEXO C. CÁLCULO DE LA RECIRCULACIÓN Y PURGA DE LODOS R.S. RAMALHO CONVENCIONAL Datos de entrada Q

L/s

m3/d

mg/L

Kg/m3

AERACIÓN EXTENDIDA

METCALF & EDDY AERACIÓN CONVENCIONAL EXTENDIDA

Kg/m3

mg/L

DBO5 entrada DBO5 salida SSVLM SSVr recirculación SSVs a la salida Volumen (m3) TMRC = Tiempo medio de retención celular (d) Kd = Respiración endógena, 0.01 a 0.06 (1/d) Y = Metabolismo celular, 0.5 a 0.6 (kg SSVLM / kg DBO consumida)

(3 a 15 d)

(20 a 40 d)

a) Cálculo del tiempo de residencia (tr) (4 a 8 h) Tr = V / Q tr = Tiempo de residencia b) Cálculo de microorganismos

la

h

relación

alimento

(15 a 36 h) min

h

min

h

(4 a 8 h) min

h

(20 a 30 h) min

/ A/M = (Qi*DBOe) / V*SSVLM)

A/M = DBOe / tr * SSVLM A/M = Realación alimento / microorganismos

(0.2 a 0.6 Kg DBO5/kg SSVLM d)

(0.05 a 0.15 Kg DBO5/kg SSVLM d)

(0.04 a 0.10 Kg DBO5/kg SSVLM d)

337

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

c) Cálculo de producción neta de biomasa (∆SSV) ∆SSV = Y*Q*( DBOe – DBOs) – Kd*SSVLM*Vr Kg/d

Kg/h

mg/s

Kg/d

Kg/h

mg/s

∆SSV = (SSVLM*Vr) / TMRC Kg/d Kg/d

∆SSV = Producción neta de biomasa d) Cálculo de la relación de recirculación ( R ) R = (SSVLM -( 0,23*Y*( DBOe – DBOs))) / (SSVR – SSVLM) R = ( 1 - (V / (Qi* TMRC))) / (( SSVr / SSVLM)-1) 0.25 a 0.75 0.5 a 1.5

R = (Q * SSVLM - DSSV) / Q (SSVR – SSVLM) R = Relación de recirculación e) Cálculo del gasto de recirculación (Qr)

m3/d

m3/h

L/s

m3/d

m3/h

L/s

m3/d

m3/d

m3/d

m3/h

L/s

m3/d

m3/h

L/s

m3/d

m3/d

L/s

Qp=(((Vr*SSVLM)/TMRC)-(Q*SSVs))/(SSVrSSVs) m3/d m3/d

Qr = R * Q f) Cálculo del gasto combinado (Qo) Qo = Q + Qr Qo = Gatos combinado g) Cálculo del gasto de purga de lodos (Qp)

Qp = (DSSV - Q* DBOs) / (SSVR - SSVs) Qp = Gasto de puerga de lodos

338

m3/d

L/h

L/s

m3/d

L/h

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

h) Cálculo de los SSV a la entrada del tanque de aeración (SSVo) SSVo = (Qr*SSVr) / Qo kg/m3 SSVo = Sólidos suspendidos volátiles a la entrada del reactor (kg/m3)

mg/L

kg/m3

mg/L

kg/m3 mg/L

kg/m3 mg/L

Estos deben ser iguales o muy próximos a los SSVLM i) Tiempo medio de retención celular (edad de lodos) TMRC = (SSVLM * Vr) / DSSV 5 a 15 d

20 a 60 d

TMRC = Tiempo medio de retención celular (d)

339

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

ANEXO D. CALENDARIOS DE ACTIVIDADES Arranque de una PTAR de Lodos Activados sin inóculo. Actividad 1. Introducir agua residual al tanque de aeración 2. Iniciar con alimentación de metanol (10 mg/L). 3. Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. 4. Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. 5. Analizar SSTLM, SSVLM, DBO5 o en su defecto la DQO y SST o en su defecto turbiedad. 6. Registro de la información en el formato 2.1. 7. Graficar los datos y analizar la información para poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. 8. Iniciar operación en el sedimentador con recirculación del 100%. 9. Calcular recirculación y purga de lodos, con la información anterior y realizar los ajustes necesarios. 10. Continuar con un flujo continuo de agua residual. 11. Continuar con pruebas de sedimentabilidad y registros en formato 2.2. Calendario de actividades Actividad 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 340

Día 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 1

2

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Arranque de una PTAR de Lodos Activados con inóculo. Actividades 1. Prueba de difusores. 2. Llenado con agua residual. 3. Agregar el inóculo. 4. Incremento de gasto de entrada 5. Iniciar con alimentación de metanol (10 mg/L). 6. Iniciar operación en el sedimentador con recirculación del 100%. 7. Monitorear la formación de la espuma y contener su desarrollo. 8. Mantener una concentración de oxigeno disuelto de 2 ± 0.5 mg/L, monitorear de ser posible cada hora. 9. Analizar SSTLM, SSVLM, DBO5 o en su defecto la DQO y SST o en su defecto turbiedad. 10. Registro de la información en el formato 2.1. 11. Graficar los datos y analizar la información para poder establecer la eficiencia del proceso alcanzada hasta el momento. 12. Calcular recirculación y purga de lodos, con la información anterior y realizar los ajustes necesarios. 13. Continuar con un flujo continuo de agua residual. 14. Continuar con pruebas de sedimentabilidad y registros en formato 2.2.

341

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Calendario de actividades Actividad 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

342

Día 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R P R X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 1

2

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

ANEXO E. FORMATOS DE CONTROL DE ARRANQUE Y UESTA EN MARCHA Formato 1.1 Calidad del agua residual y tratada Nombre de la planta: Parámetro Q = Gasto (L/s) DBO5 = Demanda bioquímica de oxígeno (mg/L) DQO = Demanda química de oxígeno (mg/L) SST = Sólidos suspendidos totales (mg/L) SSV = Sólidos suspendidos volátiles (mg/L) SSVLM = SSV en el licor mezclado (mg/L) SSVr = SSV en la recirculación (mg/L) NH3 = Nitrógeno amoniacal (mg/L) NO3- = Nitrógeno de nitratos (mg/L) NT = Nitrógeno Total (mg/L) PT = Fósforo total (mg/L) T = Temperatura (°C) pH = Potencial Hidrógeno A/M = Relación alimento microorganismos Grasas y aceites (mg/L)

Diseño Entrada Salida 260 116 10 80

20

26.5

5

Real Entrada Salida

0.171 9.2

Formato 1.2 Lista y verificación de equipos por unidad de proceso Nombre de la planta:

Equipo

Equipo

Clave

Clave

Tanque de regulación u homogenización Arranca Amper Sí No

Amper

Reactor biológico ”A” Arranca Sí No

Si es “No” identificar posible causa

Si es “No” identificar posible causa

343

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Equipo

Equipo

Equipo

Equipo

Equipo

Equipo

Equipo

344

Clave

Clave

Clave

Clave

Clave

Clave

Clave

Sedimentador secundario “A” Arranca Amper Sí No

Amper

Amper

Amper

Amper

Desinfección “A” Arranca Sí No

Si es “No” identificar posible causa

Caja o tanque de lodos Arranca Sí No

Si es “No” identificar posible causa

Deshidratación de lodos Arranca Sí No

Si es “No” identificar posible causa

Reactor biológico “B” Arranca Sí No

Si es “No” identificar posible causa

Sedimentador secundario “B” Arranca Amper Sí No

Amper

Si es “No” identificar posible causa

Desinfección “B” Arranca Sí No

Si es “No” identificar posible causa

Si es “No” identificar posible causa

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Formato 2.1 Registro de parámetros de control de arranque Nombre de la planta:

Mes/año:

Analista: Parámetro SSTLM SSVLM Día 1 2 3 3 4 5 6 7 8 9 0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Módulo: DBO

ENTRADA DQO SST TURB. DBO

SALIDA DQO SST TURB.

345

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Formato 2.2 Registro de prueba de sedimentabilidad e IVL Nombre de la planta:

Mes/año:

Analista: Día

346

Módulo: Hora

SST mg/L

5 min

10 min

15 min

20 min

25 min

Volumen de lodo (ml/L)

30 min

IVL ml/g

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Formato 2.3 Volúmenes de inóculo Lugar de procedencia: Módulo 1 Día Volumen (m3) SST (mg/L) Módulo 2 Día Volumen (m3) SST (mg/L)

347

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348

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Š

BIBLIOGRAFÍA

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349

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

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352

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

RESPUESTA A LAS AUTOEVALUACIONES Capítulo 1 1.- Compuestos infecciosos y tóxicos; materiales que afectan el balance de oxígeno en el agua; compuestos orgánicos persistentes; Nutrientes; Materia suspendida; temperatura. 2.- Dilución; dispersión; sedimentación; desinfección y temperatura. 3.- pH; temperatura; color; turbiedad; sabor; olor; sólidos totales; sólidos sedimentables; sólidos suspendidos; conductividad; radioactividad; alcalinidad; acidez; dureza y OD. 4.- En la escala de pH. 5.- Producir un efluente que pueda ser descargado sin causar daños al medio ambiente. 6.- Cribado, regulación, sedimentación, flotación y filtración. 7.- Oxidación química, intercambio iónico. 8.- Con base en la forma en que los microorganismos utilizan el oxigeno. 9.- Lagunas anaerobias, lagunas facultativas y lagunas de maduración. 10.- Funciona en ausencia de oxigeno libre y los microorganismos que intervienen resisten periodos largos sin alimentación.

Capítulo 2 1.- Pretratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario y tratamiento terciario o avanzado. 2.- Lodos activados y sus variantes, filtros rociadores, biodiscos, sistemas lagunares y sistemas anaerobios. 3.- Por qué es un proceso altamente estable y sus eficiencias de remoción son mejores. 4.- Lagunas de estabilización y proceso de lodos activados. 5.- En 20%

Capítulo 3 1.- Bacterias, protozoarios y algas. 2.- De esfera, bastón recto, bastón curvo, espiral y formas filamentosas. 353

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

3.- Rotíferos. 4.- Se alimentan de bacterias y eliminan la turbiedad del efluente. 5.- Bacilos Gram negativos 6.- Que actúan como agentes limpiadores al alimentarse de bacterias de nado libre. 7.- Para identificar y enumerar diferentes tipos de microorganismos. 8.- Amplifican la imagen.

Capítulo 4 1.- Sedimentador. 2.- En el tanque de aeración. 3.- Zanjas de oxidación, Alimentación escalonada, Aeración reducida, Oxígeno Puro y Proceso Kraus. 4.- Habrá demasiado alimento para los microorganismos del sistema, la biomasa se incrementará y por lo tanto se deberá purgar con más frecuencia. 5.- Entre 25 y 32 oC.

Capítulo 5 1.- Remover los sólidos suspendidos del agua tratada. 2.- Circulares, cuadrados, rectangulares, hexagonales y octagonales. 3.- La purga de lodos, para evitar problemas de septicidad y crecimiento o desaparición del manto de lodos. 4.- Por que son los que proporcionan el oxigeno para que los microorganismos aerobios puedan oxidar la materia orgánica. 5.- Engrasado y aceitado de engranes y baleros, revisión de cables eléctricos y mecanismos de fijación, revisión del desgaste de bandas. 6.- Inyección de gas (aire u oxigeno), a presión bajo la superficie liquida. 7.- Difusores porosos. 8.- Los sopladores. 9.- Comprimiendo un volumen fijo de aire (gas) y encauzándolo para eliminar la presión. 354

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

10.- Un soplador en funciones y otro de reserva.

Capítulo 6 1.- Para conocer las posibles causas de un mal funcionamiento, determinar los parámetros de operación y conocer las eficiencias del proceso. 2.- Visual y analítico 3.- Que no se transfiere el suficiente oxígeno al tanque de aereación y que es anaerobio. 4.- Que los niveles de sólidos no son adecuados o que el lodo no tiene la edad requerida. 5.- Porque permiten monitorear el funcionamiento de una planta de tratamiento. 6.- Que una alta carga orgánica o una sustancia alta mente tóxica ingrese al sistema. 7.- Los sólidos suspendidos y sólidos suspendidos volátiles 8.- Con la purga y recirculación de los lodos activados. 9.- DBO5, influente, velocidad de reproducción celular, temperatura, SSLM y SS en la recirculación. 10.- Si es alta disminuir la purga de lodos y aumentar la recirculación, si es baja aumentar la purga de lodos y disminuir la recirculación.

Capítulo 7 1.- 0.5 a 0.6 Kg de SSVLM producidos/ Kg de sustrato consumido 2.- ∆SSV, Qi, Se, SSVr y SSVe 3.- Registros físicos y Registros de desempeño 4.- Elaborar y comprender que un plan adecuado de mantenimiento del equipo mecánico y electromecánico proporciona en mejor control del proceso. 5.- Para contrarrestar los problemas operativos

Capítulo 9 1.- Para prevenir enfermedades y accidentes en la planta. 2.- Hepatitis A infecciosa, infecciones virales, infestación de parásitos, enfermedades gastrointestinales y anormalidades en fosas nasales, oídos y piel por infecciones. 355

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

3.- La observación de prácticas de higiene personal. 4.- Contra la hepatitis A y B; influenza; sarampión; paperas; neumonía; rubéola; tétanos y difteria.

Capítulo 10 1.- Por sólidos y biomasa que son removidos de los tanques de sedimentación. 2.- La conversión de productos de desechos solubles de efluentes primarios y partículas que escapan el tratamiento primario. 3.- Tóxicos inorgánicos y tóxicos orgánicos. 4.- Virus, actinomicetos, hongos y algas. 5.- Nom-052-ecol/93, Nom-004-semarnat-2002. 6.- Gravedad, flotación, centrifugación, filtro prensa, filtro banda, tambor rotatorio, lechos de secado y lagunas de lodo. 7.- En reducir el contenido de sólidos suspendidos volátiles de los lodos a través de la oxidación biológica, la oxidación química o mediante la aplicación del calor. 8.- La deshidratación del lodo. 9.- Consiste en mezclar el lodo residual con un material acondicionador, el cual puede ser cualquier desecho orgánico. 10.- Lo suficientemente húmedo, poroso y tierno.

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INSTRUCTORES Datos personales: Nombre: Edad: Nacionalidad:

Gabriela Eleonora Moeller Chávez 56 años Mexicana

Puesto actual: Fecha de Actualización: 07/06/2006 Título: Coordinadora Área de adscripción: Coordinación de Tratamiento y Calidad del Agua Teléfono(s): + 52 (777) 3293622 + 52 (777) 329-36-00 ext. 432 Fax: + 52 (777) 3293663 Email: [email protected] Principales líneas de investigación: Tratamiento de aguas residuales por métodos convenvionales y no convencionales; Procesos biológicos de tratamiento; Reúso de aguas; manejo, tratamiento y disposición de lodos residuales; Calidad del agua; Microbiología del agua. Capacitación. Educación: Químico farmaceútico biólogo, UNAM, 1974. Ingeniería Sanitaria, UNAM, 1978. Ingeniería, UNAM, 1999. Experiencia laboral: Universidad Nacional Autónoma de México. Fac. de Ing., Secretaria Académica de la DEPFI, 1983-1987. Universidad Nacional Autónoma de México. Fac. de Ing., Jefe de la Sección de Ing. Ambiental, DEPFI, 1990-1992. Universidad Nacional Autónoma de México. Fac. de Ing., Profesor Titular A de tiempo completo, 1987-1996. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Subcoordinadora de Potabilización y Tratamiento, 1994-1996. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Especialista en Hidráulica Titular A, 19961999. Formación: En actividades de docencia y capacitación e investigación. Microbiología del agua, de alimentos y clínica.Tratamiento de agua, Química de los alimentos.

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Otras actividades profesionales: Experiencia en docencia, investigación y istración en el área de Ing. Ambiental. Ha realizado asesorías a organismos públicos y privados. Consultor nacional para el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo de la ONU. Arbitro para la revisión de artículos de las revistas Ingeniería Hidráulica en México, Water Science and Technology del Reino Unido,Arbitro para la revisión de proyectos para apoyos del CONACYT. Miembro del Comité Asesor de la red del Valle de México (CNA-CONACYT), Presidenta de la Comisión de Ingreso, Evaluación y Promoción del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua.(1998-1999).Diplomado en liderazgo gerencial. Investigador Nacional NIvel I. Miembro Titular de la Academia de Ingeniería. Habilidades: istración de recursos y personal. Manejo de grupos.Manejo de equipo especializado de laboratorio. Manejo de técnicas microbiólógicas. Control de reactores. Principales distinciones y reconocimientos: Reconocimientos: Mención honorífica en examen profesional, dos premios nacionales por la presentación del mejor trabajo en Congresos de Ingeniería Sanitaria y Ambiental en México (1986, 1988). Medalla AIDIS-VENEZUELA en el XXIV Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, noviembre 1994. Premio "Pedro J. Caballero", por contribución técnica nacional para el avance de la Ingeniería Sanitaria y Ambiental. 1996. Medalla de reconocimiento como profesor de la UNAM. Investigador Nacional Nivel 1.Sistema Nacional de Investigadores, SEP-CONACYT Membresía en sociedades profesionales: Asociaciones a las que pertenece: Pertenece a varias asociaciones gremiales nacionales e internacionales relacionadas con Ingeniería Sanitaria, Ambiental y Microbiología.FEMISCA, Federación Mexicana de Ing. Sanitaria y Ciencias Ambientales; AIDIS,Asociación Interamericana de Ing. Sanitaria y Ambiental; AMH Asociación Mexicana de Hidráulica; IWA, International Water Association. Publicaciones y conferencias: Ha publicado más de 60 trabajos entre proyectos de investigacion, artículos en revistas nacionales e internacionales con arbitraje y artículos en congresos nacionales e internacionales. Ha impartido cursos de temas relativos a su campo en diversas instituciones organizados por la UNAM, UAM, IMTA, PEMEX, CELANESE, etc. A nivel maestría ha impartido asignaturas relacionadas con MIcrobiología y tratamiento de aguas en diferentes instituciones nacionales y coordinado en dos ocasiones la Maestría en Ing. Ambiental de la DEPFI-UNAM

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Datos personales: Nombre: Edad: Nacionalidad:

Luciano Sandoval Yoval 41 años Mexicano

Puesto actual: Fecha de Actualización: 28/05/2007 Título: Especialista en Hidráulica III (Asociado C) Área de adscripción: Coordinación de Tratamiento y Calidad del Agua Teléfono(s): + 52 (777) 3293663 + 52 (777) 329-36-00 ext. 430 Fax: + 52 (777) 3293622 Email: [email protected] Principales líneas de investigación: Calidad del agua superficial. Tratamiento del agua y sus residuos. Tratamiento de aguas residuales de plantas petroquímicas. Tratamiento de aguas residuales municipales. Procesos de lodos activados. Tratamiento de aguas residuales municipales por el proceso de lodos activados. Reuso de agua residual municipal tratada en acuacultura y agricultura de suelo e hidropónia Educación: Ingeniería química, Universidad Nacional Autónoma de México, 1990. Ingeniería ambiental, Universidad Nacional Autónoma de México, 1995. Experiencia laboral: Instituto Mexicano de Tecnoligía del Agua, Especialista en Hidráulica, 1997. Comisión Nacional del Agua, Especialista en Hidráulica, 1995,1997. Instituto Nacional de Ecología, Asesor ambiental, 1991-1994. Universidad Nacional Autónoma de México, Profesor de asignatura A, 1993, 1999-2001. Fabrica de papel y celulosa de San Rafael, Supervisor de turno, 1991. Formación: 38 cursos de capacitación relacionados con la calidad y tratamiento de aguas y aguas residuales y el tratamiento de sus subproductos. Habilidades: Determinaciones analíticas e interpretación de parámetros de calidad del agua. Manejo de paquetería de Microsoft.Experiencia en la operación de plantas de tratamiento de agua residuales de lodos activados. Principales distinciones y reconocimientos: Premio de la Organización Panamericana de la Salud "Mejor trabajo técnico relacionado en salud ambiental", Congreso Nacional de la FEMISCA 2004. Premio a la inovación tecnológica Abel Wolman 1998, Reconicimiento por la empresa Vitro P.Q. 1998 y 1999, por la labor desarrollada en el proyecto de reducción del volumen de lodos de plantas potabilizadoras y recuperación del coagulante.

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Membresía en sociedades profesionales: Miembro de la Asociación Mexicana de Aguas A.C. Miembro de AWWA sección mexicana Publicaciones y conferencias: 33 publicasiones relacionadas con la calidad y potabilización del agua y aguas residuales y sus residuos.

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Datos personales: Nombre: Edad: Nacionalidad:

Mercedes Esperanza Ramirez Camperos 48 años Colombiana

Puesto actual: Fecha de Actualización: 23/05/2007 Título: Especialista en Hidráulica II (Asociado B) Área de adscripción: Coordinación de Tratamiento y Calidad del Agua Teléfono(s): + 52 (777) 3293622 + 52 (777) 329-36-00 ext. 432 Fax: + 52 (777) 3293663 Email: [email protected] Principales líneas de investigación: Tratamiento de aguas residuales; Procesos biológicos de tratamiento; Reúso de agua; manejo, tratamiento y disposición de lodos residuales; remoción de contaminantes tóxicos y recalcitrantes Educación: Ingeniería Química, Universidad Industrial de Santander, 1981. Ingeniería Ambiental, Universidad Nacional Autónoma de México, 1988. Experiencia laboral: Degremont de México, Ingeniera de Proyectos, 1981-1983. Sistemas y Proyectos Futura, Ingeniera de Proyectos, 1985-1987. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, Especialista de Hidraúlica, 1987 a la fecha. Universidad Nacional Autónoma de México, Profesor de Asignatura, 1993 a la fecha. Formación: Cursos especializados sobre tratamiento de aguas y lodos residuales, diplomado en liderazgo gerencial, normas ambientales, residuos peligrosos, evaluación de proyectos Otras actividades profesionales: Profesora de asignatura en la División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería de la UNAM (Campus Morelos) Habilidades: Manejo de equipo de laboratorio. Diseño y control sistemas a nivel piloto. Principales distinciones y reconocimientos: Reconocimientos de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Sanitaria y Ambiental y de la AIDIS por tabajos presentados en congresos, Reconocimientos del IMTA por desempeño en el trabajo. Botón de oro AIDIS Membresía en sociedades profesionales: Miembro de la Federación Mexicana de Ingeniería Ambiental, Sociedad Mexicana de Hidráulica, International Water Association. Sociedad Mexicano de aguas

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OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Publicaciones y conferencias: Más de 30 trabajos publicados en congresos nacionales e internacionales,7 artículos en revistas con arbitraje, 10 conferencias por invitación

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