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CAPITULO 3: DISEO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE BETULIA (SANTANDER) 2

3.1 ETAPAS DEL PROCESO DE TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL

El tratamiento del agua se ha dividido en cuatro etapas:

Tratamiento Primario: Consiste bsicamente en una etapa preliminar como lo es lamedicin del caudal y posteriormente se procede a retirar materiales flotantes o pesados quecomnmente vienen en las aguas residuales y que disminuyen la eficiencia del tratamientotales como plsticos, papeles, arenas y dems slidos no orgnicos, que solo ocasionandaos al proceso. Los residuos que realmente interesan para el proceso son los de tipoorgnico (heces fecales, residuos de alimentos, etc). Estos son:

a) Medicin de caudal (Canaleta Parshall)b) Desarenadoc) Cribado

Tratamiento Secundario:Consiste en la biodegradacin de la materia orgnica a travs dela combinacin de procesos anaerobios y aerobios para que se generen las bacteriasresponsables de realizar la descomposicin y asimilacin de los nutrientes provenientes delagua residual y consecuentemente la reduccin de la contaminacin (medida como DBO yDQO). Estos son:

a) Tanque imhoff modificado (Proceso Anaerobio)b) Tanque de aireacinc) Filtro percolador aerobio (con recirculacin)

Tratamiento Terciario: Consiste en acondicionar el agua para las condiciones ideales para

que se desarrolle la vida acutica superior (peces, tortugas, ranas, etc) y pueda seraprovechada por el hombre para sus cultivos, ganadera, recreacin, aseo, alimentacin ydems usos del hogar.

a) Desinfeccin con Perxido de Hidrgeno (H2O2)b) Aireacin final (en graderas)

Tratamiento de lodos: Consiste en acondicionar la recepcin, filtrado, secado yacondicionamiento de los lodos con el fin de evitar que stos contaminen de nuevo el aguadepurada o la fuente hdrica en forma directa o indirecta. A travs de este tratamiento sehace posible el aprovechamiento de los lodos para la agricultura. Estos son:

c) Lecho de secadod) Recirculacin de lixiviados (al desarenador)e) Compostaje


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Figura 3. 1. Diagrama de Procesos de Tratamiento del agua en la PTAR de Betulia

Proceso Aerobio(Filtro percolador)

Desinfeccin(Con Perxido de Hidrogeno)

Aireacin Final(Cascadas de piedra)

Tanque deAireacin

Medicin de caudal

(Canaleta Parshal)

Proceso Anaerobio(Tanque Imhoff)

Desarenador concribado

Extraccin de Lodos

Lixiviados

Turbina de aire

Aire

Bomba derecirculacin de

lixiviados

Quebrada

Extraccin deLodos


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3.2 EXPLICACIN DE LOS PROCESOS UNITRARIOS QUE CONFORMAN ELTRATAMIENTO

3.2.1 CANALETA PARSHALL

El objetivo de la Canaleta Parshall es el de servir como estructura de aforo, es decir,permitir medir el caudal de agua residual que ingresa diariamente a la PTAR con elfin poder llevar una medicin y a su vez un mejor control de los procesos

Figura 3. 2. Esquema general de una Canaleta Parshall

La canaleta Parshall est constituida por tres partes fundamentales que son: laentrada, la garganta y la salida. La entrada est formada por dos paredes verticalessimtricas y convergentes, el fondo es inclinado con pendiente ascendente 4:1

La garganta esta formada por dos paredes verticales paralelas, el fondo es inclinadocon una pendiente descendente 2,67:1, la distancia de la seccin de la gargantadetermina el tamao del medidor y se designa por W. La salida est formada por dosparedes verticales divergentes y el fondo es ligeramente inclinado con una pendienteascendente de 17,9:1

En la canaleta parshall se pueden presentar dos tipos de flujo. Un flujo a descargalibre para lo cual es solo necesario medir la carga Ha para determinar el caudal; unflujo en que se presenta la sumersin o ahogamiento para el cual se toman lascargas Ha y Hb. (Ver figura 3.2)

Ha

HbG


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Se ha seleccionado dos desarenadores de flujo horizontal equipado con cuadrodivisiones en el tanque las cuales permiten una mayor retencin de los slidossedimentables (arenas, piedras, pequeos objetos metlicos, etc) con el fin de que elagua que ingrese a la PTAR mantenga nicamente los slidos suspendidos, que es

donde se encuentra la materia orgnica. En la parte superior de cada divisin deldesarenador se encuentran las cribas o mallas en acero, las cuales tienen comofuncin retener algunos materiales como pelos, trapos, papeles, hojas y semillas defrutos y otros materiales que son comunes en alas aguas residuales domesticasurbanas. (Ver figura 3.3).

La funcin del Cribado, es la separacin de grandes slidos inorgnicos uorgnicos que flotan o estn suspendidos, tales como trozos de madera, vidrio, tela,papel, plstico, semillas de frutas, o en general basura, que va a deteriorar elproceso biolgico al cual va a ser sometida el agua en su primer proceso, u

obstruccin de tuberas y daos en las bombas. El cribado est formado por cribas(mallas, cedazos o cernedores tipo parrilla) que estn formadas por barras paralelas,espaciadas entre 0.5 cm y 5.0 cms de acuerdo con el tamao del material que sedesee retirar del agua residual, las cuales se instalan con una inclinacin de 60con la vertical, para proporcionar una fcil limpieza manual.

Para el caso de la PTAR de Betulia se ha dispuesto de un sistema de cribado queconsta bsicamente de tres cribas por unidad, las cuales se colocan en serie y seencargan de retener todos aquellos objetos que de una u otra forma vienen dentro delas aguas residuales. Estas tres cribas o tamices estn dispuestas a una distancia de75 cm entre cada una de ellas, todas en un ngulo 60 . Cada tamiz siguiente presenta

una reduccin interespacial en su enrejado, 2.0 cm, 1.0 cm y 0.5 cm respectivamente,con el fin de permitir retener diferentes tamaos de partculas a medida que el aguapasa a travs del desarenador. (ver figuras 3.3 y 3.4)

Figura 3. 4. Descripcin de accesorios para el Desarenador con cribado

Rastrillo de lim iezaCompuerta de 6 Criba o rejillas


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3.2.3 TANQUE IMHOFF MODIFICADO

En Betulia las aguas residuales domsticas tienen temperaturas superiores a 13grados centgrados durante los 12 meses del ao, lo que hace posible utilizar unproceso anaerobio como alternativa de tratamiento, el cual no requiere del uso deenerga elctrica, lo que representa una alta economa en la operacin de la planta.

El tanque imhoff modificado propuesto para la PTAR de Betulia consiste en unestanque anaerobio construido en concreto hermticamente cerrado, que rene loscriterios del tanque Imhoff, as como los criterios del UASB y el tanque sptico. Eneste sistema de tratamiento anaerobio se pretende lograr la biodigestin de lamateria orgnica con eficiencias de remocin comprendidos entre el 60% y el 70 %de la DQO y DBO, en funcin de la concentracin inicial del agua residual.

Siendo conscientes de que con este slo proceso no se alcanza a lograr la eficienciarequerida por la legislacin ambiental colombiana (Decreto 1594/84), se hacomplementado el tratamiento con un proceso aerobio, como lo es el filtro percoladoraerobio, pasando el agua previamente por un tanque de aireacin, y finalizando elproceso de tratamiento con una oxidacin qumica con perxido de hidrgeno y unaoxigenacin del agua a travs de las graderas de aireacin.

Adicionalmente el tanque imhoff generar 3 subproductos tales como biogas, lodoestabilizado (el cual se seca en el que lecho de secado) y agua tratada rica ennutrientes, que pueden generar ingresos que podran servir para minimizar los costos

de operacin de la planta. En este proyecto no se propone la utilizacin del biogs,ya que esto implicara un mayor costo tanto en la construccin como en la operacin,pero hacia el futuro se puede proyectar su optimizacin. El lodo estabilizado, esprcticamente un abono orgnico que se puede aprovechar directamente paraaplicacin a los cultivos, cuado se hallan realizado anlisis de la composicin de losnutrientes esenciales (N, P, K) y minerales (Fe, Cu, Na, etc)

El proceso "anaerobio" (descomposicin en ausencia de aire) utilizado para eltratamiento de aguas residuales orgnicas, requiere un tiempo de retencin del aguaen los tanques con el fin de concentrar la flora bacteriana de tipo anaerobio y permitirque realicen su trabajo de biodegradacin. Esta flora bacteriana es la encargada de

realizar la fermentacin, disminucin de la materia orgnica en el efluente final yestabilizacin del lodo, en un tiempo de 24 a 36 horas.

Mediante la fermentacin del agua, las bacterias actan sobre el manto de lodo quese empieza a formar hacindoles perder su peso y convirtindolos en lodos flotantes,que a su vez siguen atrapando materia orgnica y liberando gas metano. Lo cualpermite mejorar la eficiencia del tratamiento.


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3.2.3.1 Explicacin del funcionamiento hidrulico del tanque Imhoff

Los tanques imhoff, son tambin tanques de doble propsito, debido a que en sucmara superior (A) permite lasedimentacinde las aguas negras, mientras que un

su cmara inferior (B) permite la digestin de la materia orgnica (recibida porgravedad) despus de un tiempo de permanencia del agua bajo condicionesanaerobias y velocidades muy lentas del agua.(ver figura 3.5).

Figura 3. 5. Vista frontal de un Tanque Imhoff

Las aguas negras entran por la tubera (PVC) de entrada "a".Las aguas negraspueden dirigirse a travs de las cmaras de sedimentacin "A" en cualquier sentido,depositados los slidos sedimentables, las aguas negras salen clarificadas despusde 36 horas por el canal de salida (en la direccin opuesta a la entrada a). Losslidos se sedimentan deslizndose por las superficies lisas de las paredesinclinadas, atravesando la ranura de 0.5 cm (hacia abajo), para depositarse en lacmara de digestin "B", donde permanecen unos cuarenta (40) das, o hasta quesean bien digeridos. Los gases provenientes de la digestin suben por las ventosas

de gas "D", debido a que las paredes solapadas impiden su paso a travs de lascmaras de sedimentacin, asegurando as mejor rendimiento. Los slidos digeridosse extraen bajo carga esttica mediante la tubera de lodos E, asegurndose de noextraer ms del 30% del lodo, ya que la eficiencia del sistema depende de lacantidad de lodo acumulado, el cual acta internamente como filtro, reteniendo losslidos recin ingresados. El tiempo de vaciado del lodo se debe determinar durantela puesta en marcha del sistema. Estos lodos fluyen libremente gracias a la accin dela gravedad, hasta el lecho de secado, lugar donde posteriormente se secan para seraprovechados.

a A

B

DD

ELodos


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3.2.3.4 Clculos hidrulicos, Dimensiones y Caractersticas operacionales

Datos preliminares:

Poblacin Servida: 1500 habitantes

Tiempo de Retencin Total del agua en el proceso anaerobio = 36 horas Tiempo de Retencin Total en el tanque imhoff = 12 horas

Tiempo de retencin total en los tanques auxiliares al imhoff = 12 horas por cada tanque

Factor de Biodegradabilidad de la Materia orgnica en el sistema anaerobio = 0.6

Caudal: Q = 3.10 Lts/seg = 11,16 m3/h

Necesitamos hallar el volumen (en m3) del tanque Imhoff para que se realiza la Biodigestin en untiempo de 36 horas, tiempo para el cual se espera que la materia orgnica se biodegrade en un factordel 0,6, con la cual produce una eficiencia del 60% en la reducin de la DBO5

Partiendo de que: Q = V/tDonde: Q = Caudal (en m3/hora)

V = Volumen (en m3)t = Tiempo de retencin (en horas)

Despejando: V[m3] = Q[m3/h] x t[h]V = 11,16 m3/h x 36 h = 401,76 m3

V = LxAxHL = V/(AxH)L = ?

Mediante el anlisis matemtico realizado en la tabla 3.1 podemos evaluar las dimensiones deltanque que generan menores costos para la construccin:Hallamos la longitud del tanque,partiendo de valores fijos de A y H. Adems hallamos el costo del tanque, para un espesor deparedes y pisos p = 20 cm, calculando el m3de concreto a $250,000

.Tabla 3. 1. Anlisis matemtico para hallar el menor costo de construccin del tanque imhoff

A H Lrea del Piso

y Tapa =2(AxL)

rea ParedHorizontal =

2(LxH)

rea ParedVertical =

2(AxH)

reas totalesde paredes y

pisos

Volumen deConcretop = 20 cm

Costo de laObra ($)

2 2 100,44 401,76 401,76 8,00 811,52 162,30 40.576.000

2 3 66,96 267,84 401,76 12,00 681,60 136,32 34.080.0003 2 66,96 401,76 267,84 12,00 681,60 136,32 34.080.000

3 3 44,64 267,84 267,84 18,00 553,68 110,74 27.684.0002,5 2,5 64,28 321,41 321,41 12,50 655,32 131,06 32.765.8002,6 3 51,51 267,84 309,05 15,60 592,49 118,50 29.624.308

2,7 3 49,60 267,84 297,60 16,20 581,64 116,33 29.082.0002,8 3 47,83 267,84 286,97 16,80 571,61 114,32 28.580.5712,9 3 46,18 267,84 277,08 17,40 562,32 112,46 28.115.793

L= Largo

A = Ancho

H = Alto


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3.2.5 FILTRO PERCOLADOR AEROBIO

El filtro percolador aerobio llamado tambin filtro biolgico o bacteriano, consiste en

un lecho formado por un medio sumamente permeable al que los microorganismosse adhieren y a travs del cual se filtra el agua residual. El principio defuncionamiento del filtro consiste en que el agua previamente tamizada y decantadaes roseada sobre el medio filtrante, en este caso grava o piedra, sobre el cual actanlos microorganismos depuradores, permitiendo se deja que se filtre el agua peroreteniendo parte de sus nutrientes orgnicos en el lecho. El tamao de las piedras deque consta el medio filtrante est entre 2.5 10 cm de dimetro, iniciando condimetros ms grandes y finalizando con los ms pequeos.

Figura 3. 8. Forma tridimensional y corte transversal de los tanques auxiliares

Dependiendo de la facilidad y precios del mercado, el filtro percolador tambin se

puede rellenar con llenar gravas plsticas (las cuales se producen con plsticosreciclados). Este material es un excelente medio filtrante y tiene la ventaja de que esmuy liviano con respecto a la piedra y adems permite el lavado mucho ms rpidoen caso de saturacin y taponamiento del lecho.

La materia orgnica que se halla presente en el agua residual es degradada por lapoblacin de microorganismos adherida al medio, esta materia es absorbida sobreuna capa viscosa (pelcula biolgica), en cuyas capas externas es degradada por losmicroorganismos aerobios, a medida que los microorganismos crecen el espesor de

Llegada de agua

Tubera perforada

Entrada deaire

Oxigenacin ydistribucin delagua en el filtro

Filtro percoladoren funcionamiento

Lecho de piedra

Lecho grava

Espacio vacopara aireacin

Corte Lateral -Filtro percolador

Falso piso


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Tabla 3. 3. Anlisis del mejoramiento de la carga hidrulica al aumentar la recirculacin

Tipo de caudalCaudal en

(m3/h)Caudal en(m3/da)

rea filtrante(m2)

Carga Hidrulica(m3/m2.da)

Caudal de llegadaa la PTAR

11,16 267,84 30 8,928

Caudal dellegada a la

PTAR + Caudalde Recirculacin

2*(11,16) = 22,32535,68 30 17,856

Se observa que al realizar una recirculacin igual al caudal de entrada a la Planta deTratamiento de Aguas Residuales (3.1 Lts/seg = 11,16 m3/h = 267,84 m3/da), sepuede llegar a obtener un filtro de alta carga hidrulica, el cual tiene un mayorbeneficio para la estabilizacin del Nitrgeno presente en el agua residual.

Mediante la tabla 3.4, se realiza el anlisis matemtico para hallar el volumen

mximo del filtro percolador con el cual se consigue la menor Carga Orgnicavolumtrica diaria ( en Kg DBO/m3.dia) para obtener un lecho filtrante de alta carga,los cuales de acuerdo con las investigaciones cientficas estn comprendidos entre0.50 y 0.95 Kg DBO/m3.da, valor que permite disminuir adecuadamente el agua paraque las bacterias puedan trabajar.

Tabla 3. 4.

Anlisis de la disminucin de la DBO al aumentar el volumen del lecho filtranteCarga Orgnica diaria

(Kg de DBO5/da)Volumen del filtro (m3) Carga Orgnica volumtrica diaria

( Kg DBO/m3.dia)63,042 30 2,1063,04 60 1,05

63,0490 0,70

Se observa que el volumen ideal del lecho filtrante es de 90 m3, con lo cual sequedan los siguientes valores el diseo del lecho filtrante:

Altura = 3 m Ancho = 3 m Largo = 10 m

Debido a que el filtro requiere de un volumen adicional para decepcionar el agua, ascomo una cmara de ventilacin para que ingrese aire al agua, las dimensiones para

la construccin del filtro aumentan, en 50 cm hacia arriba y 50 cm hacia abajo, msel espesor del falso fondo y el piso, por lo tanto los valores para la construccin son:

Caractersticas del Filtro Percolador

2El valor de la Carga Orgnica fue de 63,04 Kg de DBO5/da, valor obtenido a partir del monitoreo yanlisis de laboratorio, al multiplicar el caudal por la DBO5.


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Volumen de relleno: 90 m3Ancho: 3 m3

Largo: 10 m3

Altura total: 4.3 m3

Profundidad del lecho: 3 m3Carga hidrulica: 17,856 m3/m2/hCarga orgnica: 63,04 Kg DBO5/dCarga volumtrica: 0,70 Kg DBO5/m

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Caractersticas del relleno

Tamao de la Grava: de 2.5 a 5.0 cm

Tamao de la Piedra (Bolo): de 8 a15 cm

Volumen de grava requerido = 75 m3

Volumen de piedra requerido = 15 m3

Proveedores en Bucaramanga

Tuberas y accesorios = ALDIA S.A Hierro y otros = ALDIA S.A


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Tabla 3. 5. Evaluacin de los Perxidos frente a otros oxidantes qumicos

Tipo de accin PerxidosCompuestos

basadosen Cloro

Compuestosbasados en

Iodo

Amonioscuaternarios

Corrosivo de metales No No No NoDeterioras plsticos y cauchos No No No NoAccin detergente S No S SEficacia contra materia orgnica S Moderada Moderada NoBuena accin antibacterial S Moderada S ModeradaBuena accin antiviral S S S NoResiduos persistentes No Si Baja SRapidez de la accin Rpida Rpida Rpida ModeradaAgua tratada Indicada parabaos

S No S No

Txico No S Algunos NoIrritante No S Algunos NoBuena accin antiviral S S S No

Fuente: Drs. Alexander & Murihead, Revista Water and Waste, England, 1990

Una vez el agua halla realizado el recorrido por el filtro percolador, se espera unaeficiencia de remocin del 65%, por lo cual la carga de DBO5ser de 22.06 en Kg deDBO5/da, luego el agua pasa por el sistema de aireacin y filtro percolador, con locual la eficiencia esperada es del 85% dando una DBO5 residual de 9.45 Kg deDBO5/da, y con las graderas de aireacin se espera llegar al 90% de eficiencia,para una DBO5 final de 3.15 Kg de DBO5/da. Para eliminar la DBO5 restante sedebe realizar la oxidacin final con H2O2, con lo cual se espera reducir lacontaminacin completamente, dejando el agua apta para la vida. En el siguientecuadro se muestra el anlisis realizado a la secuencia del proceso y la eficienciaesperada en cada unidad del tratamiento, antes de aplicar el H2O2.

Tabla 3. 6. Evaluacin de eficiencias esperadas en cada etapa del proceso

Carga DBOinicial

en Kg de DBO5/da

Carga DBOa la salida del Imhoff

(60% eficiencia)en Kg de DBO5/da

Carga DBO a la salida delFiltro percolador(85% eficiencia)

en Kg de DBO5/da

Carga DBO despusde la aireacin final

(90% eficiencia)en Kg de DBO5/da

63,04 22.06 9,45 3,15Fuente: Equipo de trabajo PTAR Betulia


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3.2.8.3 Estabilizacin del lodo

Si se pretende reutilizar positivamente el lodo para el reacondicionamiento de lossuelos o para preparacin de abonos orgnicos, es imperativo que los materiales

putrescibles presentes en el lodo sean descompuestos con el objeto de evitar oloresen el sitio de aplicacin y eliminar la atraccin de los roedores u otros "vectores" quepuedan diseminar contaminantes en la poblacin humana. Los procesos deestabilizacin tpicos son la digestin anaerbica o aerbica, el compost, lalombricultura entre otros.

3.2.8.4 Manejo del lixiviado de los lodos filtrados en el lechos de secado

El lixiviado (liquido percolado de los lodos) es captado en un pequeo crcamo, de0.6 x 0.6 m2, para ser bombeados de nuevo al desarenador y ser pasados de nuevo

por el proceso de tratamiento.

Para la recirculacin de los lodos hacia el desarenador, se tiene una bombasumergible de 2.0 HP, que succiona el lixiviado del crcamo del Lecho de Secado ylo bombea al desarenador.

La bomba es instalada dentro del crcamo y debe estar protegida elctricamentemediante un sensor flotador (elctrico) para evitar deterioro o dao de la bomba.

3.3 SUGERENCIAS PARA LA OPERACIN DE LA PLANTA

a) Diariamente

Limpieza de las cribas y canaletas de acceso y de salida. Se utilizan losrastrillos de limpieza.

Limpieza de desarenadores. Remocin de slidos sedimentados y flotantes.Rotura de capa de la chimenea de gases. Se utiliza agua a presin en lo posible

del propio sedimentador y se rompe con un desmenuzador (ver plano). En loposible ir retirando el exceso.

Todos los elementos retirados de las canaletas, sedimentadores y digestores

sean unitarios o de doble accin deben ser enterrados en pozos.

b) Semanalmente

Limpieza de las ranuras del tanque Imhoff con cadena. Limpieza profunda en vertederos. Tomar las alturas de lodos para hallar el porcentaje de lodos del tanque Imhoff.


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LISTA DE TABLAS

Tabla 3. 1. Anlisis matemtico para hallar el menor costo de construccin del tanque imhoff.......... 13

Tabla 3. 2. Anlisis para encontrar el menor costo de la obra aprovechando las divisiones ............... 14

Tabla 3. 3. Anlisis del mejoramiento de la carga hidrulica al aumentar la recirculacin................ ... 22

Tabla 3. 4. Anlisis de la disminucin de la DBO al aumentar el volumen del lecho filtrante.............. 22

Tabla 3. 5. Evaluacin de los Perxidos frente a otros oxidantes qumicos......................... ............... 26

Tabla 3. 6. Evaluacin de eficiencias esperadas en cada etapa del proceso...................................... 26

Tabla 3. 7. Costos por oxidacin de 3,15 Kg de DBO5/da ........................ .......................... ............... 27

Tabla 3. 8. Anlisis matemtico para hallar el ancho de canal ideal (b)............................... ............... 30


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