TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA

CATEDRA INTERNACIONAL 2008

ING. CARLOS JULIO COLLAZOS

CONTENIDO1. GENERALIDADES1.1. Definiciones 1.2. Conceptos básicos

2. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS E INDUSTRIALES

2.1. Introducción2.2. Clasificación sistemas de tratamiento2.3. Tratamientos preliminares2.4. Tratamientos primarios2.5. Tratamientos secundarios2.6. Tratamiento de lodos

CONTENIDO

3. Tratamiento anaerobio3.1. Ventajas y desventajas de los procesos

anaerobios3.2. Aplicaciones y tendencias3.3. Tipos de reactores3.4. Postratamientos

4. Estudio de casos4.1. Tratamiento de aguas residuales con tecnología

UASB4.2. Evaluación del módulo

1. GENERALIDADES

1.1 Definiciones

DEFINICIONES

AFLUENTELíquido que ingresa a un reservorio o a un proceso de tratamiento

EFLUENTELíquido que sale de un reservorio o de un proceso de tratamiento

EFLUENTE FINALEfluente de una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales - PTAR

DEFINICIONES AGUA RESIDUAL DOMESTICAResiduos líquidos provenientes de viviendas o de edificaciones comerciales o institucionales

AGUA RESIDUAL INDUSTRIALVertimientos líquidos provenientes de actividades de manufactura o de procesamiento de recursos naturales (variable)

AGUAS RESIDUALES MUNICIPALESResiduos líquidos transportados por el alcantarillado de una localidad. Incluye aguas residuales domésticas e industriales. Predominan las aguas residuales de tipo doméstico y se conocen también como aguas negras

DEFINICIONES

SUSTRATOCompuesto o sustancia a degradar

AGUA CRUDAAfluente sin tratar

REACTORReservorio donde se lleva a cabo una transformación fisicoquímica o biológica de un sustrato

SÓLIDOS TOTALESToda sustancia o material contenida en una muestra de agua excluyendo el agua misma

DEFINICIONES

CARGA ORGANICAProducto de la concentración de DQO ó DBO por el caudal

CARGA VOLUMETRICACaudal o masa de un parámetro por unidad de volumen y por unidad de tiempo

CARGA SUPERFICIALCaudal o masa de un parámetro por unidad de área y por unidad de tiempo

DEFINICIONES

TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICOTiempo medio teórico que permanecen las partículas de líquido en un proceso de tratamiento

EDAD DE LODOSTiempo medio de residencia celular en un reactor o proceso de tratamiento

EFICIENCIA DE TRATAMIENTORelación entre la masa (carga) o concentración removida y la masa (carga) o concentración afluente para un proceso o sistema de tratamiento

1. GENERALIDADES

1.2 Conceptos

DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO (DBO)

Es la cantidad de oxígeno necesaria para que una población microbiana heterogénea estabilice la materia orgánica biodegradable presente en una muestra de agua residual

La DBO representa una medida indirecta de la concentración de materia orgánica e inorgánicadegradable o transformable biológicamente

En condiciones normales de laboratorio la DBO se cuantifica a 20ºC durante un período de 5 días, con valores expresados en mg/l O2 (DBO5)

DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO (DBO)

Principales aplicaciones

Medición de la calidad de las aguas residuales y superficialesEstablecimiento de límites de descargaDiseño de unidades de tratamiento biológicoEvaluación de PTARs

DBO - FORMULACION MATEMATICA

Aunque en la práctica se ha demostrado que la DBO no es una reacción de primer orden esta presunción se considera válida

En una reacción de primer orden la variación de la concentración con el tiempo es directamente proporcional a la concentración remanente en cualquier momento

DBO - FORMULACION MATEMATICA

De acuerdo con Streeter y Phelps:

donde:[DBO]: concentración de materia orgánica biodegradableK: constante de velocidad de la reacción

ó[ ] [ ]DBOdtDBOd α−

[ ] [ ]DBOKdtDBOd

=−

DBO - FORMULACION MATEMATICA

También:

Integrando,

donde:

Lt = DBO remanente o por ejercer, mg/LL = DBO total o DBOuc, mg/LK = velocidad de reacción base ℮, d-1 (K = 2,303k)k = velocidad de reacción base 10, d-1

t = tiempo de reacción, d

KLdtdL t =−

ktKtt LLeL −− == 10

DBO - FORMULACION MATEMATICA

De acuerdo con lo anterior, la DBO ejercida en cualquier

tiempo:

También,

donde:

Yt = DBO ejercida después de un tiempo t, mg/L

)10()( ktKttt LLLeLLLY −− −−=−=−=

)101()1( ktKtt LeLY −− −=−=

REPRESENTACION GRAFICA DE LA DBOc

Variación de la DBOc

020406080

100120

0 2 4 6 8Tiempos (d)

DB

O (m

g/l)

Yt= DBOt

Lt

L= DBOuc

DBO NITROGENADA

En la descomposición de la materia orgánica se produce material no carbonáceo como el amoníaco

El nitrógeno amoniacal es oxidado por bacterias nitrificantes a nitrito y nitrato (ciclo del nitrógeno)

Esta demanda de oxígeno se conoce como DBON

REACCIONES DE NITRIFICACION

NH3 + 1,5O2 NO2- + H++H2O

H++NO2- +0,5O2 NO3

-+ H2O

En general:

NH3 + 2O2 NO3-+ H++H2O

En conclusión se requieren 4,57 mg/l de O2para oxidar 1 mg/L de N

Nitrosomonas

Bacterias

Bacterias

Nitrobacter

EFECTO DE LA DBO NITROGENADA

RELACION ENTRE DBOc y DBOn

020406080

100120140160

0 5 10 15 20

TIEMPO (d)

DB

O (m

g/l)

DBOcDBOn

y = L(1-10-kt)

DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO (DQO)

La DQO es una medida de la cantidad de oxígeno consumido en la oxidación química de la materia orgánica presente en una muestra de agua

Para su determinación se emplea un agente oxidante fuerte, en medio ácido y con elevada temperatura, en presencia de un catalizador (sulfato de plata)

PRINCIPIO DE LA DETERMINACION

M. O. +

Las aguas residuales domésticas poseen relaciones promedio :

Entre más baja es esa relación más biodegradable es el residuo

+− + HOCr 272 OHCOCr 22

3 +++

∆CATALIZADOR

5.22.15

−=DBODQO

CARBONO ORGANICO TOTAL (COT)

La determinación involucra la oxidación de la materia orgánica mediante un proceso de combustión, hasta obtener CO2 y H2O

El CO2 liberado es proporcional a la concentración de carbono en la muestra y de esa manera se obtiene el valor de COT

La concentración de COT es también una medida del grado de contaminación de una muestra de agua y por lo tanto puede correlacionarse con la DQO y la DBO

DEMANDA TEORICA DE OXIGENO (DTO)

Cantidad teórica de oxígeno requerido para oxidar la fracción orgánica de un desecho hasta dióxido de carbono y agua

CC66HH1212OO66 + 6O+ 6O2 2 →→ 6CO6CO22 + 6H+ 6H22OO180 180 192 192

Ejemplo: La DTO de una solución de glucosa de 300 mg/L será:DTO = 192/180 x 300 DTO = 321 mg/L

CORRELACION ENTRE COT, DTO, DQO y DBO

100 %100 %

50 %50 %

COTCOT DTODTO DQODQO DBODBOuc DBODBO5uc 5

CLASIFICACIÓN DE LOS SÓLIDOS

SF: Fracción inorgánica

STTSTT

STFSTF

STVSTV

SSTSST

SDTSDT

Sólidos Suspendidos Fijos

SSFSSFSólidos Suspendidos TotalesSólidos Totales

Fijos

Sólidos Totales Totales

SSVSSVSólidos Suspendidos Volátiles

Sólidos Disuelltos FijosSDFSDF

Sólidos Totales Volátiles Sólidos

Disueltos Totales

Sólidos DisuelltosVolátiles

SDVSDV

SV: Fracción orgánica

COMPOSICION APROXIMADA DE UN AGUA RESIDUAL DOMESTICA

InorgInorgáánicos nicos

SalesSales

99.9%99.9% 0.1%0.1%

30%30%70%70%

65%65% 25%25% 10%10%

AGUA RESIDUALAGUA RESIDUAL

AguaAgua SSóólidoslidos

OrgOrgáánicosnicos

ProteProteíínasnas CarbohidratosCarbohidratos GrasasGrasas ArenasArenas MetalesMetales

Fuente: Díaz, C.

CLASIFICACION PROMEDIO DE SOLIDOS EN AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS

TOTALESTOTALES

SuspendidosSuspendidos

DisueltosDisueltos

SedimentablesSedimentables

No sedimentablesNo sedimentables

ColoidalColoidal

SolubleSoluble

OrgOrgáániconico

MineralMineral

OrgOrgáániconico

MineralMineral

OrgOrgáániconico

MineralMineral

OrgOrgáániconico

MineralMineral

50%50% 75%75%

25%25%

75%75%30%30%

50%50%25%25%

80%80%10%10%

70%70%20%20%

40%40%

90%90% 60%60%

Concentración típica del agua residual doméstica

RANGO PARAMETRO UNIDAD Mínimo Máximo Promedio

DBO5 mg/l 110 400 210 DQO mg/l 250 1000 500 SST mg/l 100 350 210 NTK mg/l 20 85 35 Fósforo Total mg/l 4 15 7 Grasas y Aceites mg/l 50 150 90 ColiformesTotales NMP/100 ml 106 109 107 Coliformes Fecales NMP/100 ml 103 107 106 Fuente: Tratamiento de aguas residuales (Romero,J.)

Composición de las aguas residuales industriales

Dependiendo de la naturaleza de la industria, las aguas residuales pueden contener una amplia variedad de contaminantes, entre otros:

Contaminan el aire (H2S y otros COV)Sustancias volátilesInsignificante en la mayoría de los casosAceites y flotantesResistentes a la biodegradación y tóxicosSustancias refractariasProducen eutroficaciónNutrientes (P y N)Afecta la estética de los cuerpos receptoresTurbiedad y colorSon tóxicosMetales pesadosImparten olor, sabor y toxicidadOrgánicos trazasAgotan el oxígeno disuelto y emanan gasesSólidos suspendidosAgotan el oxígeno disueltoOrgánicos solubles

EFECTOSCONTAMINANTE

Concentración de las aguas residuales de industrias típicas

150 - 6001000 - 3000200 - 1700Carbohidratos, sólidos suspendidos

Refinerías de azúcar

2000 - 30002000 - 40001000 - 2000Proteínas, sólidos suspendidos y sulfuros

Curtiembres

8002000 - 40001500 - 2500Proteínas y sólidos suspendidos

Mataderos, frigoríficos

variablevariable500 - 2000Carbohidratos y sólidos suspendidos

Enlatados (frutas)

200 - 4001500 - 30001000 - 2500Carbohidratos, grasas, proteínas

Lácteos

Bajo10000 - 600007000 - 20000CarbohidratosDestilerías

901700500 - 1300Carbohidratos y proteínas

Cervecerías

SST(mg/L)

DQO(mg/L)

DBO5

(mg/L)ContaminantesINDUSTRIA