Procesos y Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales

Pretratamiento de Aguas Residuales

El pretratamiento se debe realizar por medio de procesos físicos y/o mecánicos, como rejillas, desarenadores y trampas de grasa, dispuestos convencionalmente de modo que permitan la retención y remoción del material extraño presente en las aguas negras y que pueda interferir en los procesos de tratamiento posteriores.

Rejillas

La selección de las rejillas es responsabilidad del diseñador, siempre y cuando cumplan con las recomendaciones mínimas establecidas.

Tipos de rejillas

• De limpieza manual.
• De limpieza mecánica.
• En forma de canasta.
• Retenedoras de fibra.

Localización de rejillas

Deben colocarse aguas arriba de las estaciones de bombeo y estar provistas de escaleras de acceso, iluminación y ventilación adecuadas.

Espaciamiento de rejillas

• Rejillas de limpieza manual: espaciamiento entre barras de 15 a 50 mm.
• Rejillas de limpieza mecánica: espaciamiento entre barras de 3 a 77 mm.

Velocidades del flujo

• Velocidad mínima de aproximación: Para garantizar una acumulación adecuada, debe estar entre 0,3 y 0,6 m/s para rejillas de limpieza manual, y entre 0,3 y 0,9 m/s para las de limpieza automática.
• Velocidad mínima entre barras: Debe estar entre 0,3 y 0,6 m/s para rejillas de limpieza manual, y entre 0,6 y 1,2 m/s para las de limpieza mecánica.

*EJERCICIO: Cálculo de pérdida de carga a través de una reja.

Sistema de control para rejillas mecánicas

Para niveles de complejidad medio-alto y alto, se debe contar con dispositivos de tiempo y controles automáticos auxiliares que pongan en marcha el mecanismo de limpieza cuando el agua llegue a su nivel máximo determinado.

Remoción de Grasas

Los sedimentadores primarios pueden usarse como sistemas de remoción de grasa. Si es así, debe asegurarse que exista la capacidad de almacenamiento y los dispositivos mecánicos que permitan la evacuación del sobrenadante en forma segura y oportuna para evitar interferencias en los procesos posteriores y la generación de malos olores.

Desarenadores

En los cuatro niveles de complejidad, deben emplearse desarenadores cuando sea necesario cumplir con los siguientes objetivos:

1. Protección de equipos mecánicos contra la abrasión.
2. Reducción de la formación de depósitos pesados en tuberías, conductos y canales.
3. Reducción de la frecuencia de limpieza de la arena acumulada en tanques de sedimentación primaria y digestores de lodos.
4. Minimización de la pérdida de volumen en tanques de tratamiento biológico.
5. Instalación antes de equipos sensibles como centrífugas, intercambiadores de calor y bombas de diafragma de alta presión.

Geometría

Las dimensiones típicas para diferentes tipos de desarenadores son:

• Desarenador de flujo horizontal:
  • Profundidad: 2 – 5 m.
  • Relación largo/ancho: 2.5:1 a 5:1.
  • Relación ancho/profundidad: 1:1 a 5:1.
• Desarenador aireado:
  • Profundidad: 2 – 5 m.
  • Longitud: 8 – 20 m.
  • Ancho: 2.5 – 7 m.
  • Relación largo/ancho: 3:1 a 5:1.
  • Relación ancho/profundidad: 1:1 a 5:1.
• Desarenador tipo vórtice:
  • Profundidad: 2.5 – 5 m.
  • Cámara superior: 1 – 7 m.
  • Cámara inferior: 1 – 2 m.

Localización

Se deben localizar después de las rejillas y antes de los tanques de sedimentación primaria y las estaciones de bombeo.

Parámetros de Diseño

• Velocidad del agua: Deben diseñarse para controlar la velocidad en un rango de 0,2 m/s a 0,4 m/s.
• Número de unidades: Es característico de cada diseño, pero se requiere un mínimo de dos unidades para facilitar la limpieza.
• Tasa de desbordamiento superficial: Se recomienda un rango entre 700 y 1600 m³/m²/día. Estos valores pueden expresarse en términos de velocidad de sedimentación, variando aproximadamente entre 30 m/h y 65 m/h.
• Tiempo de retención hidráulico: Debe basarse en el tamaño de las partículas a separar. Se recomienda un tiempo entre 20 segundos y 3 minutos, lo cual se logra mediante dispositivos que regulan la velocidad del flujo.

Estructura de control de caudal

Se recomienda controlar la velocidad en el desarenador mediante vertederos tipo Sutro o proporcionales, o con secciones transversales que garanticen los rangos de velocidad especificados para diferentes alturas de la lámina de agua.

Operación y Mantenimiento

Se recomienda que los desarenadores con un caudal inferior a 50 L/s sean limpiados manualmente. Para caudales mayores de 150 L/s, se recomienda una limpieza mecánica. Para caudales intermedios, se debe justificar la selección.

Limpieza manual del desarenador

1. Medición periódica del lecho de arena acumulado.
2. Aislamiento del desarenador cuando la arena ocupe 2/3 de su volumen.
3. Drenaje del agua residual en la cámara.
4. Remoción de la arena.
5. Estimación de la cantidad de arena removida.
6. Transporte del material removido.
7. Lavado del desarenador.
8. Análisis de una muestra de la arena removida en términos de sólidos volátiles.
9. Verificación de la cantidad de arena en unidades subsecuentes.
10. Remoción de la arena retenida en otras unidades de tratamiento, si es necesario.

Limpieza mecánica del desarenador

Debe cumplir con lo anterior, además de:

1. Mantenimiento de los equipos según el manual del fabricante.
2. Asegurar que el movimiento del equipo esté libre de obstrucciones.
3. Lavado diario con chorros de agua en paredes y raspadores.
4. Vaciado y revisión al menos una vez al año.

Para evitar excesos de materia orgánica en el material removido:

• Aumentar la velocidad.
• Disminuir el tiempo de retención (remover la arena con mayor frecuencia, poner en funcionamiento otro vertedero o aumentar el área de la sección transversal de la cámara).

Producción y Almacenamiento de Arenas

La producción de arenas varía según la localidad, el tipo de alcantarillado y las características del área. Cuando no sea posible removerla por carga hidráulica, la canaleta debe tener espacio suficiente para la evacuación con palas. Se recomienda una entrada media de arena de 0,5 m³/min y una máxima de 0,6 m³/min por metro de desarenador. Las áreas de manejo de arenas deben tener superficies impermeables, antideslizantes y drenajes adecuados. Los medios de acarreo deben tener protección para evitar pérdidas.

Tratamiento Primario

Sedimentadores Primarios

Su función es la remoción de sólidos suspendidos y DBO en aguas residuales mediante el proceso físico de asentamiento en tanques de sedimentación. Se recomienda usar el método de laboratorio por tandas para estimar la tasa de desbordamiento superficial, el tiempo de retención y el porcentaje de remoción. Se deben utilizar gráficas de porcentaje de remoción de DBO y sólidos suspendidos en función de la tasa de desbordamiento y del tipo de clarificador. Si es necesario, se pueden adicionar coagulantes para incrementar la eficiencia.

Geometría

Las dimensiones están determinadas por el caudal a tratar y deben diseñarse para el caudal máximo esperado.

• Tanques rectangulares: Relación largo/ancho entre 1.5:1 y 15:1.
• Tanques circulares: Diámetro entre 3 y 60 m, con una pendiente de fondo del 6% al 17%.
• Nota: No se recomiendan tanques cuadrados. Los hexagonales u ortogonales se consideran circulares si tienen equipo rotatorio.

Se debe escoger la mayor área calculada de acuerdo a las siguientes tasas de desbordamiento superficial:

• Caudal medio: 33 m³/m²/día.
• Caudal pico (sostenido por 3 h): 57 m³/m²/día.
• Caudal pico: 65 m³/m²/día.

Tiempo de retención

Se basa en el caudal y el volumen del tanque. Se recomienda un período de retención mínimo de 1.0 hora para sedimentadores circulares y rectangulares.

Profundidad

• Tanques circulares: Rango de 2,5 a 4 m.
• Tanques rectangulares: Rango de 2 a 5 m.

Tasa de Desbordamiento Superficial (TDS)

• Con tratamiento secundario: Para flujo medio, de 32 a 48 m³/m²/día; para flujo pico horario, de 80 a 120 m³/m²/día.
• Con sistema de retorno de lodos activados: Para flujo medio, de 25 a 32 m³/m²/día; para flujo pico horario, de 50 a 70 m³/m²/día.

El diseñador debe escoger una TDS apropiada para el tipo de suspensión a separar.

Profundidad de almacenamiento de lodos

Depende del tipo de limpieza. Se recomienda una capa de lodos de 30 a 45 cm por motivos operacionales.

Entradas y Salidas

Las entradas deben dispersar y difundir homogéneamente el flujo para evitar cortocircuitos. Se recomienda una distancia mínima de 3.0 m entre entrada y salida, y una velocidad de entrada de 0,3 m/s. Las estructuras de disipación deben situarse a una distancia de 0,6 a 0,9 m de la entrada y sumergidas de 0,45 a 0,60 m. Deben usarse deflectores de espuma en la salida si no hay limpieza mecánica. La carga del vertedero de salida no debe ser mayor de 133 m³/m/día para plantas < 4000 m³/día, y hasta 500 m³/m/día para plantas mayores.

Rebosaderos y Colocación de Pantallas

En tanques rectangulares, la localización de los rebosaderos debe evitar la salida de partículas suspendidas. En los circulares, las pantallas deben colocarse debajo de la estructura de alimentación. Para los rectangulares, las pantallas deben tener una extensión de 150 a 300 mm por debajo de los puntos de entrada.

Control de Olores

• Distancia mínima de amortiguamiento de 120 m.
• Evitar la acumulación excesiva de lodos.
• Quitar la capa de natas al menos dos veces al día.
• Si un tanque se descompone, debe drenarse y limpiarse.
• Según el Estudio de Impacto Ambiental (EIA), puede ser necesario cubrir el tanque y tratar los olores.

Operación y Mantenimiento

Se debe contar con un manual que contemple: plan de limpieza, control de olores, operación en caudales mínimo y máximo, manejo de lodos, prevención de cortocircuitos, arranque y control de lodos flotantes.

Tamices

No se recomienda su uso para los niveles de complejidad bajo y medio.

Tipos de tamices

Se recomiendan los microtamices en forma de disco, rotativos de bandeja, rotativos cilíndricos y estáticos.

Capacidad hidráulica

• Rotativo de bandeja: 0.6 – 2.5 m³/m²/d.
• Rotativo cilíndrico: 0.005 – 0.04 m³/m²/d.
• Disco: 0.004 – 0.04 m³/m²/d.

Eficiencia

Se debe obtener una remoción de sólidos suspendidos mínima del 15% al 30% para microtamices rotativos de bandeja y cilíndricos, y del 40% al 50% para los de disco. Los microtamices rotativos cilíndricos deben remover el 55% de sólidos sedimentables, el 37% de grasas y el 95% de sólidos flotantes.

Características Típicas

1. Tamices en forma de disco: Malla de acero inoxidable con aberturas de 2 a 60 mallas por pulgada.
2. Tamices rotativos por bandeja: Serie de bandejas inclinadas con tamices rectangulares sobrepuestos.
3. Tamices rotativos cilíndricos: Rotan lentamente, con aberturas entre 0,50 y 1,50 mm.

Operación y Mantenimiento

No requiere personal especializado y puede ser automatizado. Se recomienda alternar dos tamices cada 24 horas. En caso de obstrucción, lavar con agua a presión. Si la velocidad del agua es menor a la de diseño, aplicar aireación para mantener el material en suspensión.

Control de olores y remoción de material cernido

Según el EIA, se deben recoger los gases y tratarlos. La disposición de los sólidos retenidos puede ser por secado e incineración o en un relleno sanitario sellado.

Resumen de las Fases del Tratamiento de Aguas Residuales

Pretratamiento (Separación de Sólidos)

• Desbaste: Hacer pasar el agua por barrotes (rejillas).
• Tamizado: Filtración sobre un soporte delgado.
• Dilaceración: Triturar la materia sólida e incorporarla al proceso de la planta.
• Desarenado: Eliminar partículas superiores a 220 micras para evitar daños corrosivos y proteger de la abrasión al resto de la planta. El agua circula por un canal a velocidad controlada, permitiendo la sedimentación.
• Desaceitado y Desengrasado: Elimina grasas, aceites, espumas y otros materiales flotantes. Se realiza por flotación, a menudo con insuflación de aire para mejorar la flotabilidad.
• Preaireación: Mejora la tratabilidad del agua, controla olores, mejora la separación de grasas, favorece la floculación de sólidos y mantiene el oxígeno en la decantación, incrementando la eliminación de DBO₅.

Tratamiento Primario (Fisicoquímico)

Hace uso de sales inorgánicas para generar una floculación de partículas en suspensión y su posterior precipitación. Al agua, previamente alcalinizada, se le agregan electrolitos coagulantes (sulfato de aluminio, sulfato ferroso, sulfato férrico, cloruro férrico) para coagular y flocular. Con la decantación se obtiene el fango primario.

Tratamiento Secundario (Biológico)

Es un procedimiento biológico de depuración, generalmente aerobio, que elimina la contaminación orgánica disuelta. Utiliza bacterias aerobias para remover cerca del 90% de los productos biodegradables.