Diseño de planta de tratamiento de aguas residuales

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UNIVERSIDAD CATÓLICA SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL AMBIENTAL APLICACIÓN DE METODOLOGÍA EN EL DISEÑO DE SISTEMAS DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN DESARROLLADO PARA EL DISTRITO DE SANTA ROSA – CHICLAYO TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL AMBIENTAL GARY WILFREDO RACHO FONSECA Chiclayo 22 de abril del 2015

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  1. 1. UNIVERSIDAD CATLICA SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO FACULTAD DE INGENIERA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL AMBIENTAL APLICACIN DE METODOLOGA EN EL DISEO DE SISTEMAS DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIN DESARROLLADO PARA EL DISTRITO DE SANTA ROSA CHICLAYO TESIS PARA OPTAR EL TTULO DE INGENIERO CIVIL AMBIENTAL GARY WILFREDO RACHO FONSECA Chiclayo 22 de abril del 2015
  2. 2. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 APLICACIN DE METODOLOGA EN EL DISEO DE SISTEMAS DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIN DESARROLLADO PARA EL DISTRITO DE SANTA ROSA CHICLAYO POR: GARY WILFREDO RACHO FONSECA Presentada a la Facultad de Ingeniera de la Universidad Catlica Santo Toribio de Mogrovejo para optar el ttulo de INGENIERO CIVIL AMBIENTAL APROBADA POR EL JURADO INTEGRADO POR ___________________________ Ing Csar Eduardo Cachay Lazo PRESIDENTE _____________________ ___________________________ Ing Alin Jos Gil Alarcn Ing Anbal Teodoro Daz Orrego SECRETARIO ASESOR
  3. 3. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 EPGRAFE El xito es el resultado de la constancia, de la responsabilidad, del esfuerzo, la organizacin y lo ms importante, del equilibrio entre la razn y el corazn. Si una persona es perseverante, aunque sea dura de entendimiento, se har inteligente, y aunque sea dbil se transformara en fuerte. Te dars cuenta de que lo que hoy parece un sacrificio, maana terminar siendo el mayor logro de tu vida. Hay una fuerza motriz ms poderosa que le vapor, la electricidad y la energa atmica: la voluntad. Nunca consideres el estudio como una obligacin, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber. El genio se hace con un 1% de talento, y un 99% de trabajo. Daria todo lo que s, por la mitad de lo que ignoro. El dinero va y viene, eso ya lo sabemos, lo ms importante en la vida es la gente que est contigo aqu y ahora! Hay muchas personas que te dirn que t no puedes, lo que tienes que hacer es voltear y decir: Observa como lo hago! El verdadero luchador acepta su derrota con humildad, se prepara para volverlo a intentar, busca estrategias que le puedan ayudar, y por nada del mundo puede quedarse con la idea de haber sido derrotado! Uno de los mayores placeres de la vida es lograr aquello que otros dijeron que no lo lograras!
  4. 4. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 AGRADECIMIENTOS A Dios, creador del universo, por permitirme ser parte de este mundo en que vivimos, y de esta forma poder aportar con mi granito de arena en pos del mejoramiento de la humanidad. A mi madre, por haberme sabido inculcar en todo momento el concepto de superacin con humildad, respeto, honestidad, y responsabilidad, gracias por educarme con amor y disciplina, por ser mi amiga y orgullo de mi vida. A mi to, por darme el apoyo moral y econmico, factores muy importantes para hacer posible el desarrollo de este proyecto. A mi asesor, por su continuo apoyo en asesora durante el desarrollo de este proyecto. Agradecer a todas aquellas personas que de una u otra forma contribuyen con la realizacin de este proyecto, entre ellas estn mis amigos, conocidos y familiares.
  5. 5. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 NDICE Epgrafe Agradecimientos ndice de cuadros ndice de figuras ndice de grficos I. INTRODUCCIN .................................................................. 1 II. MARCO TERICO ................................................................ 4 2.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA ....................................... 4 2.2. DEFINICIONES Y CARACTERSTICAS...................................5 2.2.1. Agua residual ..................................................................................................5 2.2.2. Principales caractersticas de las aguas residuales....................................5 2.2.2.1. Caractersticas fsicas..............................................................................6 2.2.2.2. Caractersticas qumicas.........................................................................6 2.2.2.3. Caractersticas biolgicas...................................................................... 8 2.2.2.3.1. Demanda qumica de oxgeno (DQO) ...........................................9 2.2.2.3.2. Demanda bioqumica de oxgeno (DBO) .....................................9 2.3. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS ..... 9 2.3.1. Pre-tratamiento ............................................................................................10 2.3.1.1. Desbaste .................................................................................................10 2.3.1.2. Desarenado ............................................................................................ 11 2.3.1.3. Desengrasado......................................................................................... 11 2.3.2. Tratamiento primario..................................................................................12 2.3.2.1. Sedimentacin primaria.......................................................................12 2.3.2.2. Tanques de imhoff.................................................................................12 2.3.3. Tratamiento secundario ..............................................................................13 2.3.3.1. Lodos activados .....................................................................................13 2.3.3.2. Lagunas de estabilizacin ....................................................................14 2.3.3.3. Lecho de lodos (UASB)......................................................................... 15 2.3.4. Tratamientos terciarios ...............................................................................16 2.3.5. Tratamiento de residuos obtenidos de la depuracin de las aguas residuales ......................................................................................................16 2.3.5.1. Sistemas de eliminacin o reutilizacin del fango............................ 17 2.4. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE LAGUNAS DE ESTABILIZACIN............................................. 17 2.4.1. Concepto de laguna de estabilizacin........................................................ 17 2.4.2.Objetivos de las lagunas de estabilizacin................................................18 2.4.3.Ventajas y desventajas.................................................................................18 2.4.3.1. Ventajas ..................................................................................................18 2.4.3.2. Desventajas ............................................................................................18 2.4.4.Clasificacin ..................................................................................................19 2.4.4.1. De acuerdo al proceso biolgico desarrollado...................................19 2.4.4.2. De acuerdo al lugar que ocupan; con relacin a otros procesos.....19 2.4.4.3. De acuerdo a la disposicin de las unidades .................................... 20 2.4.5.Funcionamiento de las lagunas................................................................. 20 2.4.5.1. Mecanismos de funcionamiento ........................................................ 20 2.5. METODOLOGA DE DISEO EN EL SISTEMA DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIN ................................................................... 21
  6. 6. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 2.5.1. Sistema de pre-tratamiento y medicin de caudales ..............................21 2.5.1.1. Proceso de pre-tratamiento .................................................................22 2.5.1.2. Dimensionamiento de canaletas parshall para medicin de caudales ..................................................................................................................... 29 2.5.2.Sistema de lagunas de estabilizacin.........................................................35 2.5.2.1. Simplicidad de las lagunas...................................................................35 2.5.2.2. Complejidad del proceso y requisitos de operacin y mantenimiento ......................................................................................................................35 2.5.2.3. Requisitos de terreno............................................................................35 2.5.2.4. Reso de las aguas residuales..............................................................36 2.5.2.5. Diseos eficientes en el sistema de lagunas de estabilizacin........36 2.5.2.5.1. El uso de dispositivos entradas y salidas mltiples...................37 2.5.2.5.2.El uso de mamparas para modelar el flujo de tipo pistn........39 2.6. RESO DE AGUAS RESIDUALES Y MANEJO DE LODOS ........41 2.6.1. Aprovechamiento de aguas residuales tratadas en la agricultura.........41 2.6.1.1. Directrices sobre la calidad de los efluentes empleados en agricultura.................................................................................................. 42 2.6.1.2. Normas de calidad vigentes sobre la utilizacin de aguas residuales proteccin sanitaria en el uso de aguas residuales................................45 2.6.1.3. Proteccin sanitaria en el uso de agua residual ............................... 46 2.6.1.3.1. Mtodos de aplicacin de agua s residuales en cultivos agrcolas ......................................................................................................... 46 2.6.1.3.2.Control de la exposicin humana ................................................47 2.6.2.Manejo de lodos............................................................................................47 2.6.2.1. Tratamiento y secado de lodos........................................................... 48 2.6.2.1.1. Digestin anaerobia...................................................................... 48 2.6.2.1.2.Tratamiento con cal ...................................................................... 49 2.6.2.1.3.Patio de secar................................................................................. 49 2.7. GUA PARA LA OPERACIN Y MANTENIMIENTO DEL SISTEMA DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIN ....................................... 51 2.7.1. Personal, responsabilidades y equipamiento administrativo ................52 2.7.1.1. Personal necesario ................................................................................52 2.7.1.2. Descripcin de responsabilidades ......................................................52 2.7.1.3. Requerimientos administrativos.........................................................56 2.7.1.4. Documentacin requerida por el jefe de planta................................57 2.7.1.5. Equipo de trabajo..................................................................................57 2.7.1.6. Requerimientos complementarios..................................................... 58 2.7.2. Puesta en marcha de las lagunas de estabilizacin .................................59 2.7.2.1. Aspectos previos....................................................................................59 2.7.2.2. Llenado de las lagunas anaerbicas....................................................59 2.7.2.3. Llenado de las lagunas facultativas ................................................... 60 2.7.3. Operacin normal, principales problemas de funcionamiento y posibles soluciones..................................................................................................... 60 2.7.3.1. Conductos.............................................................................................. 60 2.7.3.2. Cmara de rejas .................................................................................... 60 2.7.3.3. Desarenador...........................................................................................61 2.7.3.4. Medidor de caudal.................................................................................61 2.7.3.5. Estructuras de distribucin .................................................................61 2.7.3.6. Estructuras de ingreso, interconexin y salida de lagunas .............61 2.7.3.7. Lagunas de estabilizacin...................................................................... 62 2.7.4.Monitoreo..................................................................................................... 66
  7. 7. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 2.7.4.1. Parmetros y frecuencia de muestreo ............................................... 66 2.7.4.2. Equipos de laboratorio requeridos .................................................... 66 2.7.5. Limpieza de las lagunas de estabilizacin ................................................67 2.7.5.1. Limpieza de las lagunas anaerbicas..................................................67 2.7.5.2. Limpieza de las lagunas facultativas ................................................. 68 III. MATERIALES Y MTODOS ............................................ 69 3.1. DISEO DE LA INVESTIGACIN ........................................... 69 3.1.1. Tipo de investigacin.................................................................................. 69 3.1.2. Hiptesis y variables................................................................................... 69 3.1.3. Poblacin, muestra de estudio y muestreo............................................... 71 3.1.4. Mtodos, tcnicas e instrumentos de recoleccin de datos.................... 71 3.2. METODOLOGA ......................................................................72 3.2.1. Metodologa para el clculo de poblacin.................................................72 3.2.2.Metodologa para levantamiento topogrfico ..........................................72 3.2.3.Metodologa para la ejecucin de ensayos de mecnica de suelos........72 3.2.4.Metodologa para anlisis de ensayos de calidad de agua residual.......73 IV.RESULTADOS .................................................................... 74 4.1. DESCRIPCIN GENERAL DEL REA DE ESTUDIO.................74 4.1.1. Ubicacin datos referenciales de la zona ..................................................74 4.1.1.1. Topografa ..............................................................................................74 4.1.1.2. Clima .......................................................................................................74 4.1.1.3. Vientos ....................................................................................................75 4.1.2. Urbanstico...................................................................................................75 4.1.2.1. Superficie territorial..............................................................................75 4.1.2.2. Urbanismo..............................................................................................75 4.1.3. Sistemas de saneamiento existentes..........................................................75 4.1.3.1. Sistema de agua potable.......................................................................75 4.1.3.2. Sistema de alcantarillado .....................................................................78 4.1.4. Poblacin de censos realizados y proyecciones segn INEI ................. 80 4.2. ESTUDIOS BSICOS DEL PROYECTO .....................................81 4.2.1. Estudio topogrfico................................................................................81 4.2.1.1. Conclusiones ..........................................................................................91 4.2.2.Estudio de mecnica de suelos ..........................................................91 4.2.2.1. Conclusiones y recomendaciones ...................................................... 94 4.2.3.Estudio de calidad de agua residual................................................97 4.2.3.1. Conclusiones y recomendaciones ...................................................... 98 4.2.4.Evaluacin de impacto ambiental ................................................... 99 4.2.4.1. Generalidades ....................................................................................... 99 4.2.4.2. Lnea base - aspectos de impacto ambiental...................................102 4.2.4.3. Identificacin de impactos ambientales ..........................................104 4.2.4.4. Descripcin de impactos ambientales generados...........................106 4.2.4.5. Matriz de leopold identificacin de impactos ambientales ........ 110 4.2.4.6. Matriz de leopold estudio de impactos ambientales ................... 112 4.2.4.7. Interpretacin del estudio de impactos ambientales..................... 113 4.2.4.8. Medidas preventivas, correctivas y/o de mitigacin...................... 119 4.3. CLCULO DE POBLACIN FUTURA ..................................... 124 4.3.1. Seleccin del modelo de crecimiento poblacional.................................126 4.4. DISEO HIDRULICO SISTEMA DE PRE-TRATAMIENTO 127 4.4.1. Caudal promedio diario de afluente ........................................................ 127
  8. 8. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 4.4.1.1. Contribucin promedio de viviendas............................................... 127 4.4.1.2. Contribucin por infiltracin en la red............................................128 4.4.1.3. Contribucin por infiltracin en el emisor ............................................128 4.4.2.Canal de aproximacin antes de la rejillas .............................................128 4.4.3.Cmara de rejillas.......................................................................................128 4.4.4.Canal desarenador......................................................................................129 4.4.5.Canaleta parshall........................................................................................130 4.5. DISEO HIDRULICO CANALES DE CONDUCCIN.......... 132 4.5.1. Tipos de canales..........................................................................................132 4.5.2.Canal 2 - caractersticas.............................................................................132 4.5.3.Canal 1 - caractersticas .............................................................................133 4.5.4.Canal 0 - caractersticas ............................................................................134 4.6. DISEO HIDRULICO SISTEMA DE LAGUAS DE ESTABILIZACIN ................................................................. 135 4.6.1. Diseo de lagunas facultativas ................................................................. 135 4.6.1.1. Remocin de carga bacteriana patgena .........................................138 4.6.1.2. Estabilizacin de materia orgnica...................................................139 4.6.1.3. Dimensionamiento de altura de lodos y periodo de limpieza.......140 4.6.2.Diseo de lagunas de maduracin...........................................................142 4.6.2.1. Remocin de carga bacteriana patgena .........................................144 4.6.3.Verificacin de la eficiencia encontrada .................................................145 4.6.3.1. Eficiencia de lagunas facultativas .....................................................145 4.6.3.2. Eficiencia de laguna de maduracin.................................................145 4.6.3.3. Eficiencia en todo el sistema .............................................................146 4.7. DISEO ESTRUCTURAL - DIQUES........................................146 4.7.1. Dimensionamiento de los diques.............................................................146 4.7.1.1. Ancho de la corona..............................................................................146 4.7.1.2. Altura del borde libre..........................................................................146 4.7.1.3. Altura del dique ...................................................................................148 4.7.1.4. Determinacin del espesor de fondo................................................148 4.7.2.Anlisis de estabilidad del dique..............................................................149 4.7.2.1. Clculo de fuerzas verticales..............................................................149 4.7.2.2. Clculo de fuerzas horizontales.........................................................150 4.7.2.3. Factor de seguridad al desplazamiento............................................150 4.8. DISEO ESTRUCTURAL MAMPARAS TRANSVERSALES... 152 4.8.1. Verificacin por fuerza cortante............................................................... 155 4.9. ESPECIFICACIONES TCNICAS PARTIDAS RESALTANTES .............................................................................................. 156 4.10. IMGENES DEL PROYECTO EN 3D.....................................160 4.11.PRESUPUESTO FINAL DE LA PTAR ...................................... 162 V. DISCUSIN.......................................................................167 VI.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................170 VII. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ................................172 VIII. ANEXOS
  9. 9. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 NDICE DE CUADROS Cuadro Pg. Cuadro N 01. Relacin entre algunos constituyentes inorgnicos con el agua residual. 7 Cuadro N 02. Composicin tpica de un agua residual domstica. 9 Cuadro N 03. Normas de diseo para rejillas manuales. 22 Cuadro N 04. Normas de diseo recomendadas para desarenadores horizontales. 28 Cuadro N 05. Rangos de caudales para canaletas parshall con flujo libre. 31 Cuadro N 06. Cantidades de slidos arenosos encontradas en aguas residuales en amrica latina y los EE.UU. 31 Cuadro N 07. Complejidad y requisitos de capacitacin y monitoreo. 35 Cuadro N 08. Muestra el rea requerida para varios procesos de tratamiento. 36 Cuadro N 09 Casos estudiados sobre sistemas de tratamiento y disposicin final de aguas residuales en Latinoamrica. 43 Cuadro N 10. Casos estudiados sobre el aprovechamiento de aguas residuales en cultivos agrcolas en Latinoamrica. 43 Cuadro N 11. Directrices recomendadas sobre la calidad microbiolgica de las aguas residuales empleadas en agricultura (OMS, 1989). 44 Cuadro N 12. Normativa de la agencia de proteccin ambiental (EE. UU.), sobre la utilizacin de aguas residuales para uso agrcola. 45 Cuadro N 13. Personal necesario para la gestin de lagunas de estabilizacin. 52 Cuadro N 14. Herramientas para personal obrero. 57 Cuadro N 15. Equipos requeridos por operadores. 57 Cuadro N 16. Equipo de apoyo. 58 Cuadro N 17. Cmara de rejas, desarenador y medidor de caudal. 61 Cuadro N 18. Lagunas anaerbicas. 62 Cuadro N 19. Lagunas facultativas. 63 Cuadro N 20. Monitoreo para lagunas anaerobias y facultativas. 67 Cuadro N 21. Muestras obtenidas en el rea de estudio para la realizacin de ensayos de mecnica de suelos. 72
  10. 10. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 Cuadro N 22. Muestras a realizar en la caracterizacin del agua residual. 73 Cuadro N 23. Caractersticas de la red de distribucin de agua potable. 77 Cuadro N 24. Conexiones domiciliarias de agua potable. 78 Cuadro N 25. Caractersticas de la red de alcantarillado. 79 Cuadro N 26. Conexiones domiciliarias de alcantarillado. 79 Cuadro N 27. Poblacin nominalmente censada, por sexo, segn censo 1993, 2005 y 2007. 80 Cuadro N 28. Poblacin estimada al 30 de junio de aos calendarios, por sexo, para el periodo 2012 2014. 81 Cuadro N 29. Coordenadas UTM WGS 84 obtenidas en el rea de estudio. 83 Cuadro N 30. Descripcin de calicatas realizas en el rea de estudio. 91 Cuadro N 31. Resumen de ensayos realizados en laboratorio de mecnica de suelos. 93 Cuadro N 32. Valores de parmetros de agua residual obtenidos de los ensayo en laboratorio de la mezcla compuesta. 98 Cuadro N 33. Medios, componentes y factores ambientales presentes en el proyecto. 106 Cuadro N 34. Escalas de valoracin para matriz de Leopold. 111 Cuadro N 35. Poblacin nominalmente censada, por sexo, segn censo 1993, 2005 y 2007. 124 Cuadro N 36. Poblacin estimada al 30 de junio de aos calendarios, para el periodo 2012 2014. 124 Cuadro N 37. Lmites mximos permisibles para los efluentes de PTAR. 145 Cuadro N 38. Requisitos de materiales para conformacin de diques. 147
  11. 11. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 NDICE DE IMGENES Imgenes Pg. Imgenes N 01. Esquema del tanque imhoff. 13 Imgenes N 02. Representacin esquemtica del proceso de lodos activados. 14 Imgenes N 03. Sistema de tratamiento por lagunas de estabilizacin. 15 Imgenes N 04. Esquema del sistema UASB. 16 Imgenes N 05. Secuencia completa de tratamientos de aguas residuales domsticas. 17 Imgenes N 06. Solidos flotantes y gruesos dentro de la laguna. 22 Imgenes N 07. Caudal interrumpido por causa de material atrapado en la rejilla. 23 Imgenes N 08. Detalle inclinacin de una rejilla con plataforma de drenaje. 24 Imgenes N 09. Detalle de una rejilla de metal con plataforma de drenaje. 24 Imgenes N 10. Detalle de canaleta de desvo (By-pass). 25 Imgenes N 11. Detalle de rejillas hechas con barras de acero de refuerzo. 25 Imgenes N 12. El canal a la izquierda tiene demasiada turbulencia para tener una velocidad uniforme. El canal a la derecha tiene suficiente largo para asegurar una velocidad uniforme sin turbulencia. 27 Imgenes N 13. rea reservada para enterrar los slidos arenosos y gruesos tan pronto como los saque con el mnimo de manejo. 27 Imgenes N 14. Muestran una instalacin tpica de una rejilla, un desarenador horizontal con dos cmaras y una canaleta parshall prefabricada. 29 Imgenes N 15. Una canaleta parshall al extremo de un desarenador rectangular. 29 Imgenes N 16. Un desarenador rectangular lleno de solidos arenosos en el fondo. 32 Imgenes N 17. Canaleta parshall fabricada in-situ de concreto. 32 Imgenes N 18. Cultivos de lechuga y rabanito regada con agua tratada en Carapongo lima. 36 Imgenes N 19. Una batera de dos lagunas facultativas en paralelo con dispositivos de entradas y salidas mltiples, 37
  12. 12. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 seguida por una laguna de maduracin en serie canalizada con mamparas transversales. Este diseo es el ms recomendado para las municipalidades. Imgenes N 20. Laguna facultativa con dispositivo de entrada simple (Catacamas, Honduras). 38 Imgenes N 21. Laguna facultativa con dispositivo de entrada y salida mltiple (Chinendega, Nicaragua). 38 Imgenes N 22. Un ejemplo de una laguna de maduracin canalizada con mamparas para modelar flujo de tipo pistn y generar una mezcla completa (Masaya, Nicaragua). 40 Imgenes N 23. Laguna de maduracin que est canalizada con mamparas; en la foto resalta el color verde del agua, esto de debido a la presencia excesiva de algas, productores de clorofila y por ende el color verde del agua (Morocel, Honduras). 40 Imgenes N 24. Otros ejemplos de lagunas de maduracin que estn canalizadas con mamparas; en la foto se puede apreciar que las mamparas estn demasiado arriba del nivel del agua y prohben la insolacin solar por la sombra que forman (Morocel, Honduras). 41 Imgenes N 25. Cultivos de maz regado con aguas residuales. 42 Imgenes N 26. Ejemplo de lodos secos que son mezclados con tierras agrcolas. 48 Imgenes N 27. Tanque cerrado para la digestin y estabilizacin anaerobia del lodo. 49 Imgenes N 28. Estabilizacin y esterilizacin del lodo con cal. 49 Imgenes N 29. rea reservada para el almacenamiento y secado del lodo. 50 Imgenes N 30. Despus de secar, los lodos empiezan a formar grietas, los cuales facilitan el secado de las capas inferiores. 50 Imgenes N 31. Incorporacin del rea reservada del lodo al sistema de lagunas de estabilizacin. 51 Imgenes N 32. Ubicacin geogrfica del distrito de Santa Rosa. 74 Imgenes N 33. Curvas de nivel elaboradas del rea de estudio. 90 Imgenes N 34. Perfil estratigrfico del terreno a partir de las calicatas realizadas. 96 Imgenes N 35. Ubicacin de la zona de proyecto. 102
  13. 13. VISTA DEL PROYECTO CONCLUIDO www.youtube.com/watch?v=kTU2Jw3Giq4 NDICE DE FOTOGRAFAS Fotografas Pg. Fotografas N 01. Reconocimiento del rea de estudio por parte de las autoridades. 82 Fotografas N 02. Levantamiento topogrfico del rea de estudio. 82 Fotografas N 03. Extraccin de muestras del terreno para estudio de mecnica de suelos. 92 Fotografas N 04. Realizacin de ensayos en el laboratorio de suelos. 93 Fotografas N 05. Extraccin de muestras de agua residual para el anlisis en el laboratorio. 97 Fotografas N 06. Ubicacin satelital del distrito Santa Rosa. 103 Fotografas N 07. Planta general de la PTAR. 160 Fotografas N 08. Sistema de pre-tratamiento. 160 Fotografas N 09. Entradas mltiples a lagunas facultativas. 160 Fotografas N 10. Salidas mltiples de laguna facultativa. 161 Fotografas N 11. Mamparas transversales en Lagunas de maduracin. 161 Fotografas N 12. Entrada principal a PTAR. 161
  14. 14. RESUMEN El distrito de Santa Rosa de la provincia de Chiclayo cuenta con una planta de tratamiento de aguas residuales inoperativa, debido a su mala ubicacin. Por ende, se presenta una necesidad latente y la exigencia de un nuevo diseo y una ubicacin ms apropiada de la misma. Esta realidad, motiv esta investigacin. La idea central de este estudio se orient a dar a conocer y aplicar una metodologa apropiada para el diseo de sistemas de lagunas de estabilizacin, investigacin realizada en base de metodologas recogidas de experiencias desarrolladas en pases centroamericanos y en estudios realizados posteriormente. Estas experiencias obtuvieron buenos resultados y sus metodologas se fundamentaron en una buena operacin de la planta de tratamiento de aguas residuales para buscar un efluente de mejor calidad que cumpla con los estndares exigidos en las normas e intentar dar un reso en la agricultura u otra actividad. Las conclusiones finales demandaron una nueva ubicacin, as como el diseo de las diferentes estructuras que la componen y un anlisis del presupuesto total del proyecto. Esta propuesta soluciona un problema lgido, dando a conocer una metodologa eficiente que pueda ser tomada en cuenta en la elaboracin de los prximos proyectos de esta naturaleza. Palabras claves: Metodologa, planta de tratamiento, diseo, efluente. ABSTRACT The district of Santa Rosa in the province of Chiclayo has an inoperable treatment plant wastewater, due to its poor location. Therefore, we present a latent need and requirement of a new design and a more appropriate location of it. This fact motivated this research. The central idea of this study was aimed to publicize and implement "an appropriate methodology for the design of stabilization pond systems" research based methodologies collected from experiences in Central America and in subsequent studies. These experiences obtained good results and methodologies were based on a good operation of the treatment plant wastewater to seek a better quality effluent that meets the standards required by the rules and try to give a reuse in agriculture or other activity. The final conclusions are demanding a new location and layout of the different structures that compose and analysis of the total project budget. This proposal would solve a fever problem, revealing an efficient methodology that can be taken into account in the preparation of the upcoming projects of this nature. Keywords: Methodology, treatment plant, design, effluent.
  15. 15. 1 I. INTRODUCCIN. Las aguas residuales son generadas por residencias, instituciones, actividades comerciales e industriales, estas son tratadas a travs de procesos diversos que tienen la finalidad de remover contaminantes fsicos, qumicos y biolgicos en el caso del agua efluente del uso humano. (Ynez, 2004). En el planeta existe una gran cantidad de agua residual, producto de las actividades del hombre. Agua que no recibe un tratamiento adecuado, que contamina lagos, lagunas y ocanos, las que afectan a los ecosistemas y arrecifes, y que son las causantes de enfermedades como diarrea, clera y la gastroenteritis, las que se encuentran entre las tres principales causas de muerte en el mundo y en la regin Latinoamericana. (Fabin, 1980). En Amrica Latina, solo el 10% de las aguas residuales colectadas en alcantarillados reciben algn tratamiento antes de ser dispuestas en los cuerpos de agua, como ros y mares. Esto significa que alrededor de 400 m3/s de desages vienen contaminando el medio ambiente y constituyen un vector de transmisin de parsitos, bacterias y virus patgenos. (OMS, 2011). El tratamiento de las aguas servidas constituye un factor importante en la proteccin de la salud pblica y del medio ambiente, puesto que la volcadura de aguas residuales sin tratamiento previo en un cuerpo receptor es una fuente de contaminacin. Se estima que durante el ao 2010, los sistemas de alcantarillado administrados por las empresas de saneamiento en el Per recolectaron aproximadamente 786.4 millones de metros cbicos de aguas residuales, provenientes de conexiones domiciliarias, de los cuales 401.9 millones de metros cbicos fueron generados en las ciudades de Lima y Callao. Sin embargo, debido a la inexistencia de una adecuada infraestructura a nivel nacional, solamente el 35% de este volumen recibe algn tipo de tratamiento previo a su descarga en un cuerpo receptor; es decir 275.0 millones de metros cbicos de aguas residuales se estaran volcando directamente a un cuerpo receptor sin un tratamiento previo. (SUNASS, 2011). Los datos anteriores nos muestran que existe una alta deficiencia en la cobertura del tratamiento de sus aguas residuales en nuestro pas. Por esto, el gobierno central tiene como meta principal dentro de los programas de descontaminacin del recurso hdrico, la promocin y financiacin de sistemas de tratamiento de aguas residuales municipales para los prximos aos. Esto ha llevado a implementar diversos tipos de tratamiento y como es lgico, se han encontrado inconvenientes en su funcionamiento que apenas se comienzan a detectar. En nuestro medio, la provincia de Chiclayo cuenta con una planta de tratamiento de aguas residuales, en ella hay limitaciones en el funcionamiento de las lagunas de estabilizacin. En consecuencia, la mayor parte de las aguas servidas, o aguas negras, van directamente a los ros, canales o al mar, siendo fuentes de contaminacin y un peligro para la salud. Todo lo cual explica que se debe poner especial nfasis para enfrentar este problema que afecta a la salud tanto pblica como ambiental en nuestra regin. Entre las diferentes formas de tratamiento de las aguas residuales, las lagunas de estabilizacin constituyen una de las alternativas que ms se acerca a reunir
  16. 16. 2 condiciones econmicas para nuestro medio, tanto por su bajo costo como por su fcil construccin y operacin. En la implementacin de estas lagunas, se encuentran algunos problemas de funcionamiento y mala ubicacin, entre los que se aprecian ineficiencias de remocin o comunidades de organismos presentes no esperados. (Cuervo, 1987). El distrito de Santa Rosa atraviesa un problema latente, se trata de la mala ubicacin del sistema de lagunas de estabilizacin que hoy cuenta, zona en construccin que se encuentra ubicada al ingreso de la ciudad, frente al terminal pesquero de la misma. Si entrara en funcionamiento, ocasionara daos sanitarios, ecolgicos y econmicos directos a la poblacin cercana. Afectara la salud de la poblacin y el medio ambiente del distrito tendra un impacto negativo en el turismo. Adems, golpeara econmicamente a cientos de familias que subsisten de la comercializacin de pescados y mariscos. La necesidad de realizar estudios para la nueva ubicacin del sistema de lagunas de estabilizacin se torna en un requerimiento inmediato y muy prioritario, a fin de resolver los problemas de funcionamiento e impacto ambiental. Teniendo en cuenta lo expuesto, se elabor el estudio para el rediseo del sistema de lagunas de estabilizacin, aplicando metodologas nuevas y eficientes que se vienen dando en pases desarrollados. Estas, a travs de nuevos anlisis y estudios de operacin, optimizan recursos y mejoran la funcionalidad del sistema; cumpliendo tambin con los parmetros impuestos por los organismos de ley y normas de diseo para su ptimo funcionamiento. Frente a la problemtica expuesta y considerando la apremiante necesidad que presenta el distrito de Santa Rosa, surgi la siguiente interrogante: Cul es el diseo final del sistema de lagunas de estabilizacin? Producto del estudio y anlisis concienzudo, se plante la siguiente hiptesis: La aplicacin de metodologa apropiada para el diseo de sistemas de lagunas de estabilizacin desarrollada en este proyecto ser tomada en cuenta en los prximos diseos de sistemas en nuestro pas; tambin ayudar a solucionar un problema actual por la que est atravesando este distrito. Para responder a la interrogante antes mencionada se propuso como objetivo general elaborar el proyecto de una planta de tratamiento de aguas residuales, aplicando la metodologa de diseo que sea viable, econmica y funcional acorde a la necesidad actual de la localidad. Asimismo, como objetivos especficos: Estudiar los parmetros de las descargas residuales que se vienen dando en la actualidad, y compararlos con los valores mximos permitidos en la normativa ambiental en vigor. Evaluar el impacto ambiental, con el fin de elaborar instrumentos eficaces, para la toma de decisiones sobre la viabilidad ambiental del proyecto. Aplicar nuevas tcnicas de diseo que se vienen utilizando en pases desarrollados, de esta manera complementar al sistema actual de tratamiento en nuestro pas. Establecer criterios para el mantenimiento del sistema, de esta manera lograr su ptima funcionalidad dentro del periodo de tiempo para la cual fue diseada.
  17. 17. 3 Adems, se presentan justificaciones de carcter social, tcnico y ambiental que respaldan la viabilidad de la investigacin: Social: Esta investigacin tiene como motivacin ayudar a resolver la problemtica actual que se presenta en uno de los distritos de la provincia de Chiclayo. Nos referimos al distrito de Santa Rosa, que tiene un problema muy grave en cuanto a tratamiento de las aguas residuales producto de la actividad humana. Se comprueba que la mala ubicacin del sistema de lagunas de estabilizacin que hoy cuenta el distrito, deja inoperativo este sistema que no cumple los parmetros establecidos por los reglamentos de ley. Por tanto, hasta la fecha las aguas residuales producidas en dicha ciudad son vertidas directamente al mar, lo que causa un dao irremediable tanto a la salud pblica como al ambiente. Su ubicacin al ingreso del distrito, adems de atentar contra la imagen de la ciudad de Santa Rosa, expone a la poblacin a un constante vector de enfermedades de la piel y respiratorias, especialmente a los nios que siempre son los primeros afectados. Tcnica: Las lagunas de estabilizacin son los sistemas de tratamiento biolgico de lquidos residuales ms sencillos de operar y mantener, (Ruddy, 1999). El presente proyecto es importante porque proporcionar una metodologa eficiente en el diseo de lagunas de estabilizacin, aplicando nuevas tcnicas metodolgicas utilizadas en pases desarrollados y cuyas diversas investigaciones han trado consigo buenos resultados. De esta manera se fomentar el diseo con esta metodologa que se adapta a nuestro medio, teniendo en cuenta la funcionalidad y economa del sistema. Ambiental: Es necesario tomar conciencia y decidir la accin ms conveniente frente a la situacin por la que atraviesa el distrito, producto de la poca o ninguna atencin que se ha brindado a las aguas residuales. Situacin que est ligada con problemas que se pueden dar a corto y largo plazo. Cuando nos referimos a problemas de corto plazo podremos encontrar a las enfermedades gastrointestinales; y cuando nos referimos a problemas a largo plazo podemos mencionar a los malos vertimientos y contaminacin de los mantos acuferos que a la larga son tambin lo causantes de los cambios climticos en el mundo.
  18. 18. 4 II. MARCO TERICO. 2.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA. Entre los diversos estudios y bibliografa relacionada con el tema Aplicacin de metodologa en el diseo de sistemas de lagunas de estabilizacin desarrollado para el distrito Santa Rosa Chiclayo, encontramos las siguientes: Stewart, Oakley. 2011. Tratamiento de aguas residuales domsticas en Centroamrica. EE.UU: Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional. Presenta las experiencias de los expertos regionales en la gestin de tratamiento de aguas residuales en Centroamrica. Proporciona a los entes pblicos encargados de la regulacin de aguas residuales, ingenieros sanitarios, planificadores, consultores, supervisores de obras, ingenieros municipales y operadores de plantas de tratamiento de aguas residuales, los instrumentos necesarios para incorporar en su trabajo las variables de diseo, construccin, operacin, mantenimiento, monitoreo, manejo de lodos, reso y sostenibilidad para que los sistemas tengan xito a largo plazo. Salguero, Louis. 2010. Manual de diseo, construccin, operacin, mantenimiento, monitoreo y sostenibilidad. EE.UU: Universidad Estatal de California. La introduccin comienza con una presentacin de la situacin de las aguas residuales en Centroamrica, sus efectos en la salud y la contaminacin. El segundo captulo presenta los resultados del proyecto de monitoreo de varias lagunas de estabilizacin en Honduras, tal vez el proyecto de monitoreo ms amplio de Centroamrica en el tema de tratamiento de aguas residuales, que provee conclusiones importantes sobre el funcionamiento, operacin, mantenimiento y sostenibilidad de una de las tecnologas ms apropiadas para las municipalidades. El tercer captulo presenta el desarrollo y los parmetros del diseo de un filtro percolador en Guatemala. Silva Burga, Javier. 2004 .Evaluacin y rediseo del sistema de lagunas de estabilizacin de la universidad de Piura. Tesis profesional: Departamento de Ingeniera Civil de Piura. Esta tesis contiene la exposicin de conceptos fundamentales referidos a la naturaleza del agua residual domstica y a su tratamiento; la evaluacin del sistema actual de las lagunas de estabilizacin de la Universidad de Piura y la determinacin de los parmetros a ser utilizados en el rediseo. Rossi Luna, Mara Grazia. 2010. Oportunidades de mejoras ambientales por el tratamiento de aguas residuales en el Per. FONAM: Fondo Nacional de Ambiente Per. En esta publicacin se destacan las principales investigaciones hechas en el pas en el tema de aguas residuales. Se han recopilado diferentes estudios realizados por instituciones pblicas y privadas, de esta manera ha generado una importante referencia bibliogrfica para el desarrollo del tema.
  19. 19. 5 2.2. DEFINICIONES Y CARACTERSTICAS. 2.2.1. Agua residual. Las aguas residuales pueden definirse como el conjunto de aguas que lleva elementos extraos, bien por causas naturales, bien provocadas de forma directa o indirecta por la actividad humana, estando compuestas por una combinacin de: Lquidos de desage de viviendas, comercios, edificios de oficinas e instituciones. Lquidos efluentes de establecimientos industriales. Lquidos efluentes de instalaciones agrcolas y ganaderas. Aguas subterrneas, superficiales y aguas de lluvia que circulan por calles, espacios libres, tejados y azoteas de edificios que pueden ser admitidas y conducidas por las alcantarillas. En general las aguas residuales se clasifican as: Aguas Residuales Domsticas (ARD): Son las provenientes de las actividades domsticas de la vida diaria como lavado de ropa, bao, preparacin de alimentos, limpieza, etc. Estos desechos presentan un alto contenido de materia orgnica, detergentes y grasas. Su composicin vara segn los hbitos de la poblacin que los genera. Esta agua tiene un contenido de slidos inferior al 1%. Aguas Lluvias (ALL): Son las originadas por el escurrimiento superficial de las lluvias que fluyen desde los techos, calles, jardines y dems superficies del terreno. Los primeros flujos de ALL son generalmente muy contaminados debido al arrastre de basura y dems materiales acumulados en la superficie. La naturaleza de esta agua vara segn su procedencia: zonas urbanas, rurales, semi-rurales y an dentro de estas zonas se presentan enormes variaciones segn el tipo de actividad o uso del suelo que se tenga. Residuos Lquidos Industriales (RLI): Son los provenientes de los diferentes procesos industriales. Su composicin vara segn el tipo de proceso industrial y an para un mismo proceso industrial, se presentan caractersticas diferentes en industrias diferentes. Los RLI pueden ser alcalinos o cidos, txicos, coloreados, etc. Su composicin refleja el tipo de materias primas utilizado dentro del proceso industrial. Aguas Residuales Agrcolas (ARA): Son las que provienen de la escorrenta superficial de las zonas agrcolas. Se caracterizan por la presencia de pesticidas, sales y un alto contenido de slidos en suspensin. La descarga de esta agua es recibida directamente por los ros o por los alcantarillados. 2.2.2. Principales caractersticas de las aguas residuales. Es importante conocer todas las caractersticas del agua residual, con ello se logra deducir de manera ms rpida y prctica el tipo de tratamiento al cual se la puede someter. Cada agua residual es nica en sus caractersticas, contenido y cantidad de contaminantes presentes, por lo cual, es importante los anlisis personalizados donde se analiza a cada muestra como nica en su especie.
  20. 20. 6 2.2.2.1. Caractersticas fsicas. Temperatura. La temperatura es un parmetro de importancia en las aguas residuales, en la mayora de las caracterizaciones se determina este parmetro, (UNOPS). La temperatura de las aguas residuales es mayor que la de las aguas no contaminadas, debido a la energa liberada en las reacciones bioqumicas, que se presentan en la degradacin de la materia orgnica. Las descargas calientes son otra causa de este aumento de temperatura. Turbidez. La turbiedad es una medida ptica de transmisin de la luz en el agua del material slido o coloidal suspendido en el agua, este ensayo es utilizado para indicar la calidad de los vertidos de aguas residuales con respecto a la materia suspendida, (Metcalf-Eddy, 1991). Color. El color es un indicativo de la edad de las aguas residuales. El agua residual reciente suele ser gris; sin embargo, a medida que los compuestos orgnicos son descompuestos por las bacterias, el oxgeno disuelto en el agua residual se reduce y el color cambia a negro. En esta condicin, se dice que el agua residual es sptica, (Metcalf-Eddy, 1991). Olor. El olor es debido a los gases producidos en la descomposicin de la materia orgnica, sobre todo, a la presencia de cido sulfhdrico y otras sustancias voltiles. El agua residual reciente tiene un olor peculiar algo desagradable, pero ms tolerable que el del agua residual sptica, (Metcalf-Eddy, 1991). Slidos totales. Los slidos totales presentes en el agua residual se clasifican segn su tamao o presentacin en slidos suspendidos y slidos filtrables. Slidos suspendidos: Son las partculas flotantes, como trozos de vegetales, animales, basuras, etc. Estn otras que tambin son perceptibles a simple vista y tienen posibilidades de ser separadas del lquido por medios fsicos sencillos. Dentro de los slidos suspendidos se pueden distinguir los slidos sedimentables, que se depositarn por gravedad en el fondo de los receptores. Estos slidos sedimentables, son una medida aproximada de la cantidad de fango que se eliminar mediante sedimentacin, (Metcalf-Eddy, 1991). Slidos filtrables: Esta fraccin se compone de slidos coloidales y disueltos. La fraccin coloidal consiste en partculas con un dimetro menores a 1 micra. Esta fraccin no puede eliminarse por sedimentacin. Los slidos disueltos se componen de molculas orgnicas, molculas inorgnicas e iones que se encuentran disueltos en el agua. Por lo general, se requiere una coagulacin seguida de sedimentacin para eliminar estas partculas de la suspensin, (Metcalf-Eddy, 1991). 2.2.2.2. Caractersticas qumicas. Las caractersticas qumicas estarn dadas, principalmente, en funcin de los desechos que ingresan al agua servida.
  21. 21. 7 Materia orgnica. La materia orgnica est compuesta en un 90% por carbohidratos, protenas, grasas y aceites provenientes de excrementos y orina de seres humanos, restos de alimentos y detergentes. Estos contaminantes son biodegradables, es decir, pueden ser transformados en compuestos ms simples por la accin de microorganismos naturales presentes en el agua, cuyo desarrollo se ve favorecido por las condiciones de temperatura y nutrientes de las aguas residuales domsticas, (Gutirrez, 1994). Materia inorgnica. Se incluyen en este grupo todos los slidos de origen generalmente mineral, como son sales minerales, arcillas, lodos, arenas y gravas no biodegradables. En el siguiente cuadro se presenta la relacin entre algunos constituyentes inorgnicos y el agua residual. Cuadro N 01. Relacin entre algunos constituyentes inorgnicos con el agua residual. Elemento Relacin con el agua residual Hidrgeno (pH) El intervalo de concentracin idneo para la existencia de la mayora de la vida biolgica es muy estrecho y crtico. El agua residual con una concentracin adversa de ion hidrgeno es difcil de tratar por medios biolgicos. Por lo general, el pH ptimo para el crecimiento de los organismos se encuentra entre 6.5 y 7.5. Cloruros Proceden de la disolucin de suelos y rocas que los contienen y que estn en contacto con el agua, intrusin del agua salada (zonas costeras), agua residual domstica, agrcola e industrial. Suministra informacin sobre el grado de concentracin del agua residual. Nitrgeno Nutriente esencial para el crecimiento de protistas y plantas. Bsico para sntesis de protenas. Fsforo Incrementa la tendencia de proliferacin de algas en el receptor. ntimamente ligado, igual que el nitrgeno, al problema de la eutrofizacin. Azufre Requerido en la sntesis de las protenas y liberado en su degradacin. Fuente: Metcalf-Eddy. 1991. Tratamiento y depuracin de las aguas residuales. Gases. Las aguas residuales contienen diversos gases con diferente concentracin. Oxgeno disuelto: Es el ms importante y es un gas que va siendo consumido por la actividad qumica y biolgica. La presencia de oxgeno disuelto en el agua residual evita la formacin de olores desagradables. La cantidad de oxgeno disuelto depende de muchos factores, como temperatura, altitud, movimientos del curso receptor, actividad biolgica, actividad qumica, etc. (Seoanez, 1995). cido sulfhdrico: Se forma por la descomposicin de la materia orgnica que contiene azufre, o por la reduccin de sulfitos y sulfatos minerales. Su presencia,
  22. 22. 8 que se manifiesta fundamentalmente por los olores que produce, es un indicativo de la evolucin y estado de un agua residual, (Metcalf-Eddy, 1991). Anhdrido carbnico: se produce en la fermentacin de los compuestos orgnicos de las aguas residuales negras, (Seoanez, 1995). Metano: se forma en la descomposicin anaerobia de la materia orgnica por la reduccin bacteriana del CO2, (Seoanez, 1995). Otros gases: se producen adems gases malolientes, como cidos grasos voltiles y otros derivados del nitrgeno, (Seoanez, 1995). 2.2.2.3. Caractersticas biolgicas. Estas caractersticas estn definidas por la clase de microorganismos presentes en el agua, entre los cuales tenemos: Bacterias, (Seoanez, 1995). Juegan un papel fundamental en la descomposicin y estabilizacin de la materia orgnica. Pueden clasificarse en base a su metabolismo en: hetertrofas y auttrofas. Las bacterias auttrofas son aquellas que se nutren de compuestos inorgnicos, tomando la energa necesaria para sus biosntesis a partir de la luz (bacterias fotosintticas: familia Thiorhodaceae, Chlorobiaceae) o a partir de ciertas reacciones qumicas (bacterias quimiosintticas: Nitrobacter, Nitrosomonas, Hydrogenomonas, Thiotrix). Las bacterias hetertrofas constituyen el grupo ms importante, por su necesidad de compuestos orgnicos para el carbono celular. Las bacterias auttrofas y hetertrofas pueden dividirse, a su vez, en anaerobias, aerobias o facultativas, segn su necesidad de oxgeno. Bacterias anaerobias: son las que consumen oxgeno procedente de los slidos orgnicos e inorgnicos y la presencia de oxgeno disuelto no les permite subsistir. Los procesos que provocan son anaerobios, caracterizados por la presencia de malos olores. Bacterias aerobias: son aquellas que necesitan oxgeno procedente del agua para su alimento y respiracin. El oxgeno disuelto que les sirve de sustento es el oxgeno libre (molecular) del agua; las descomposiciones y degradaciones que provocan sobre la materia orgnica son procesos aerobios, caracterizados por la ausencia de malos olores. Bacterias facultativas: algunas bacterias aerobias y anaerobias pueden llegar a adaptarse al medio opuesto, es decir, las aerobias a medio sin oxgeno disuelto y las anaerobias a aguas con oxgeno disuelto. Bacterias coliformes: bacterias que sirven como indicadores de contaminantes y patgenos. Son usualmente encontradas en el tracto intestinal de los seres humanos y otros animales de sangre caliente. Las bacterias coliformes incluyen los gneros Escherichia y Aerobacter. Algas. En los estanques de estabilizacin, son un valioso elemento porque producen oxgeno a travs del mecanismo de la fotosntesis.
  23. 23. 9 Las algas, al igual que sucede con otros microorganismos, requieren compuestos inorgnicos para reproducirse. A parte del anhdrido carbnico, los principales nutrientes necesarios son el nitrgeno y el fsforo. Las algas pueden presentar el inconveniente de reproducirse rpidamente, debido al enriquecimiento del agua (eutrofizacin) y crear grandes colonias flotantes originando problemas a las instalaciones y al equilibrio del sistema, (Metcalf-Eddy, 1991). Los tipos ms importantes de algas de agua dulce son: verdes (Chlorophyta), verdes mviles (Volvocales euglenophyta), Verdiamarillas o marrn dorado (Chrysophyta) y verdiazules (Cyanophyta). 2.2.2.3.1. Demanda qumica de oxgeno (DQO). Es la cantidad de oxgeno requerida para oxidar qumicamente los materiales orgnicos presentes en una muestra de agua. Esta oxidacin degrada el material orgnico biodegradable y no biodegradable. 2.2.2.3.2. Demanda bioqumica de oxgeno (DBO). El parmetro de polucin orgnica ms utilizado y aplicable a las aguas residuales y superficiales es la DBO a los 5 das (DBO5). Supone esta determinacin la medida del oxgeno disuelto utilizado por los microorganismos en la oxidacin bioqumica de materia orgnica biodegradable, (Metcalf-Eddy, 1991). La medida de la DBO es importante en el tratamiento de aguas residuales, tambin para la gestin tcnica de la calidad de agua porque se utiliza para determinar la cantidad aproximada de oxgeno que se requerir para estabilizar biolgicamente la materia orgnica. En el siguiente cuadro, se presentan datos tpicos de los constituyentes encontrados en un agua residual domstica. Cuadro N 02. Composicin tpica de un agua residual domstica. Componente Intervalo de concentraciones Alta Media Baja Materia slida, mg/l 1200 720 350 en suspensin 350 220 100 inorgnica 75 55 20 orgnica 275 165 80 DBO5 a 20 C, mg/l 400 220 110 DQO, mg/l 1000 500 250 Nitrgeno, mg/l N, total 85 40 20 Grasa, mg/l 150 100 50 Fuente: Metcalf-Eddy. 1991. Tratamiento y depuracin de las aguas residuales. 2.3. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS. El proceso de autodepuracin ocurre gracias a la presencia de diversos microorganismos como bacterias y algas, que descomponen los desechos, metabolizndolos y transformndolos en sustancias simples tales como dixido de carbono, nitrgeno, entre otros; adems de ciertos microorganismos que absorben algunas sustancias inorgnicas.
  24. 24. 10 Es por esto que, al arrojar sustancias extraas a los cuerpos de agua, si estas se encuentran dentro de ciertas concentraciones lmites, se inicia el proceso de autodepuracin, este proceso se aplica a sustancias orgnicas como detergentes, fenoles, ciertas sustancias inorgnicas, entre otros. De lo contrario, si son vertidos que pasan las concentraciones lmites para que el cuerpo de agua inicie el proceso de autodepuracin natural, es necesario un tratamiento, (IDEA, 2001). El diseo eficiente y econmico de una planta de tratamiento de aguas residuales requiere de un cuidadoso estudio basado en aspectos, tales como: el caudal (m3/seg), el uso final del producto final (agua tratada), el rea disponible para la instalacin, la viabilidad econmica, caractersticas meteorolgicas (clima, precipitacin). En tal sentido, teniendo en mente que la solucin tecnolgica ms adecuada es aquella que optimiza la eficiencia tcnica en la forma ms simple y menos costosa, la tecnologa debe hacer uso de los recursos humanos y materiales disponibles en el pas. Asimismo, cabe sealar que la seleccin de los procesos y/o el tipo de planta sern diferentes dependiendo de cada caso especfico. Sin embargo, el proceso usual del tratamiento de aguas residuales domsticas puede dividirse en las siguientes etapas: Pre-tratamiento. Tratamiento primario o fsico. Tratamiento secundario o biolgico. Tratamiento terciario que normalmente implica una cloracin. 2.3.1. Pre-tratamiento. Esta etapa no afecta a la materia orgnica contenida en el agua residual. Se pretende con el pre-tratamiento la eliminacin de materias gruesas, cuerpos gruesos y arenosos cuya presencia en el efluente perturbara el tratamiento total y el funcionamiento eficiente de las maquinas, equipos e instalaciones de la estacin depuradora. En el pre-tratamiento se efecta un desbaste (rejas) para la eliminacin de las sustancias de tamao excesivo y un tamizado para eliminar las partculas en suspensin. Un desarenado, para eliminar las arenas y sustancias slidas densas en suspensin y un desengrasado para eliminar los aceites presentes en el agua residual as como elementos flotantes. El tratamiento preliminar o pre-tratamiento, es un proceso que se sita en cabecera y tiene como objetivo eliminar, de las aguas residuales, todos aquellos elementos de tamao considerable que por su accin mecnica pueden afectar al funcionamiento del sistema depurador, as como las arenas y elementos minerales que puedan originar sedimentacin a lo largo de las conducciones. Los pre-tratamientos para aguas residuales domsticas ms frecuentes son: Desbaste (rejas). Desarenado. Desaceitado y Desengrasado. 2.3.1.1. Desbaste. El desbaste mediante rejas es una operacin sencilla pero llamativa, ya que en ella, se retienen los slidos de gran tamao. Estos slidos son una verdadera
  25. 25. 11 muestra de la actividad que se ha realizado en la poblacin unas horas antes, pues en su mayora, proceden de los restos que se arrojan por los inodoros y los fregaderos urbanos. As, encontramos desde restos de comida hasta pelos, plsticos, trozos de cristales, etc. (IDEA, 2001). En el canal de entrada del agua a una planta de tratamiento es habitual encontrar una reja, constituida por barras paralelas que forman un ngulo de 30 a 80 respecto a la superficie del agua, aunque tambin las hay horizontales y verticales. En esta reja quedarn retenidos todos aquellos cuerpos voluminosos, flotantes y en suspensin, arrastrados por el agua y cuyas dimensiones superen la luz de paso de la reja. As mismo, el canal de rejas se debe proyectar de forma que se evite la acumulacin y sedimentacin de arenas y otros materiales pesados. Para ello se recomiendan velocidades superiores a 0.4 m/s, (IDEA, 2001). Luego de las rejillas se pueden colocar tamices, con aberturas menores para remover un porcentaje ms alto de slidos, con el fin de evitar atascamiento de tuberas, filtros biolgicos, con una abertura mxima de 2.5 mm. 2.3.1.2. Desarenado. El objetivo de esta operacin es eliminar todas aquellas partculas de granulometra superior a 200 micras, con el fin de evitar que se produzcan sedimentos en los canales y conducciones, para proteger las bombas y otros aparatos contra la abrasin, para evitar tambin sobrecargas en las fases de tratamiento siguiente. Los desarenadores se disean para eliminar partculas de arenas de tamao superior a 0,200 mm y peso especfico medio 2,65 g/ml. Si el peso especfico de la arena es bastante menor de 2,65 g/ml, deben usarse velocidades de sedimentacin inferiores a las anteriores, (CEPIS. 1976). En el tratamiento de aguas residuales se catalogan como arenas aquellas sustancias slidas densas formadas por gravas, arenas, cenizas y otros materiales (dimetro >2.2 mm y peso especfico >1.5 g/ml). La densidad media de este tipo de materiales se encuentra en torno a 1600 kg/m3. El tipo de desarenador, segn el procedimiento utilizado en la separacin, ms comn es el de flujo horizontal, que realiza una separacin natural por decantacin. Este tipo de desarenador se ver de una manera ms detallada en el captulo siguiente. 2.3.1.3. Desengrasado. El objetivo en este paso es eliminar grasas, aceites, espumas y dems materiales flotantes ms ligeros que el agua, que podran distorsionar los procesos de tratamiento posteriores. El desaceitado o desengrasado consiste en una separacin slido-lquido. En ambos casos se eliminan mediante insuflacin de aire, para desemulsionar las grasas y mejorar la flotabilidad, (CEPIS. 1976). Si se hacen desengrasado y desarenado junto en un mismo recinto, es necesario crear una zona de tranquilizacin donde las grasas flotan y se acumulan en la superficie, evacundose por vertedero o por barrido superficial, luego las arenas sedimentan en el fondo y son eliminadas.
  26. 26. 12 2.3.2. Tratamiento primario. El principal objetivo del tratamiento primario es remover aquellos contaminantes que pueden sedimentarse, como los slidos sedimentables y algunos slidos suspendidos, o aquellos que pueden flotar como las grasas. 2.3.2.1. Sedimentacin primaria. La mayor parte de las sustancias en suspensin y disolucin en las aguas residuales no pueden retenerse, por razn de su finura o densidad, en las rejas y desarenadores. Por ello se recurre a la sedimentacin (tambin llamada decantacin) que es la separacin de un slido del seno de un lquido por efecto de la gravedad. La decantacin se produce reduciendo la velocidad de circulacin de las aguas residuales, con lo que el rgimen de circulacin se vuelve, cada vez, menos turbulento y las partculas en suspensin se van depositando en el fondo del sedimentador, (CEPIS. 1976). Se realiza en tanques rectangulares o cilndricos donde se remueve aproximadamente el 65% de los slidos suspendidos y el 35% de la DBO presente en las aguas residuales. Los lodos producidos estn conformados por partculas orgnicas. Los lodos de un sedimentador primario son diferentes a los lodos de un desarenador los cuales son de tipo inorgnico. Las grasas y espumas que se forman sobre la superficie del sedimentador primario son removidas por medio de rastrillos que ejecutan un barrido superficial continuo. Los lodos que son sedimentados en un sedimentador primario se llaman lodos primarios, los cuales se recogen del fondo con rastrillos para luego ser sometidos a una digestin. 2.3.2.2. Tanques de imhoff. Se utiliza con el fin de efectuar simultneamente una sedimentacin y una digestin anaerbica. Utilizado para el tratamiento primario en combinacin con otro tratamiento secundario. Consta de 2 cmaras: la superior o cmara de sedimentacin, por la que pasan las aguas negras a una velocidad muy reducida, permitiendo el asentamiento de la materia en suspensin; y la cmara inferior o de digestin, en la cual se desarrolla la digestin anaerobia de la materia sedimentada, (Metcalf-Eddy, 1991). El fondo de la cmara de sedimentacin est conformado por dos losas inclinadas que en su parte ms baja se traslapan, dejando un espacio a travs del cual los slidos asentados pasan a la cmara inferior, aislando as las condiciones spticas y malos olores provenientes de la digestin de lodos y evitando el contacto con las aguas negras que pasan por la cmara de sedimentacin. Los lodos acumulados en el digestor se extraen peridicamente y se conduce a lechos de secado, en donde el contenido de humedad se reduce por infiltracin, despus de lo cual se retiran y se disponen de ellos enterrndolos o pueden ser utilizados para mejoramiento de los suelos.
  27. 27. 13 Imagen N 01. Esquema del tanque imhoff. Fuente: Wikipedia. 2.3.3. Tratamiento secundario. El tratamiento secundario tiene como objetivo la eliminacin de la materia orgnica biodegradable no sedimentable (materia orgnica finamente dividida y disuelta en el agua residual), junto a otros varios contaminantes. Bsicamente, consiste en provocar el crecimiento de microorganismos que asimilan la materia orgnica, los cuales se reproducen y originan nuevos microorganismos insolubles que despus son separados del flujo tratado como un fango destinado a una digestin definitiva o a la reutilizacin como enmienda del terreno. De hecho, se trata de una aplicacin controlada de los sistemas naturales de autodepuracin de las aguas, por lo que a este tipo de tratamiento se le llama tratamiento biolgico, (IDEA, 2001). Un tratamiento secundario remueve aproximadamente un 85% de la DBO y los slidos suspendidos aunque no remueve cantidades significativas de nitrgeno y fsforo, metales pesados y bacterias patgenas. En el tratamiento secundario de tipo biolgico, la materia orgnica es utilizada como alimento de los microorganismos tales como hongos, bacterias, protozoos, rotferos, etc. de tal manera que sta es transformada en CO2, H2O y un nuevo material celular. Adems de los microorganismos y materia orgnica es necesario hablar de oxgeno biodegradable o DBO, tambin de ciertas condiciones favorables como el pH, entre otros. 2.3.3.1. Lodos activados. Los lodos activados es un proceso de tratamiento por el cual, el agua residual y el lodo biolgico (microorganismos) son mezclados y aireados en un tanque denominado aireador. Los flculos biolgicos formados en este proceso se sedimentan en un tanque sedimentador, de donde son recirculados nuevamente al tanque aireador o de aireacin. En el proceso de lodos activados, los
  28. 28. 14 microorganismos son completamente mezclados con la materia orgnica en el agua residual de manera que sta les sirve de alimento para su produccin. Es importante indicar que la mezcla o agitacin se efecta por medios mecnicos (aireadores superficiales, sopladores, etc.) los cuales tiene doble funcin: producir una mezcla completa y agregar oxgeno al medio para que el proceso se desarrolle. La representacin esquemtica del proceso se muestra en la figura mostrada a continuacin. Imagen N 02. Representacin esquemtica del proceso de lodos activados. Fuente: Wikipedia. 2.3.3.2. Lagunas de estabilizacin. Tambin llamadas estanques de estabilizacin, son grandes embalses donde la carga orgnica del afluente es depurada por la accin de micro-algas y bacterias saprfitas, principalmente. Para la disposicin apropiada de aguas residuales, su tratamiento mediante lagunas de estabilizacin, constituye un sistema natural, que ofrece costos mnimos de operacin, por lo cual es reconocido como el ms adecuado para las condiciones econmicas de poblaciones de bajos recursos financieros. El proceso se convierte en una solucin de costo mnimo al problema de salud humana. Este tipo de tratamiento constituye tambin una buena solucin para pequeas comunidades de clima clido o templado (la temperatura tiene una notable influencia sobre la cintica del proceso).
  29. 29. 15 Imagen N 03. Sistema de tratamiento por lagunas de estabilizacin. Fuente: Wikipedia. 2.3.3.3. Lecho de lodos (UASB). Son reactores anaerobios denominados UASB (Upflow Anaerobis Sludge Blanket o Manto de Fango de Flujo Ascendente), (IDEA, 2001). En el interior de estos reactores se favorece la formacin de flculos o agregados de bacterias; al realizarse la alimentacin del afluente por la parte inferior, se generan gases (principalmente CO2 y metano). Tanto el gas libre como las partculas a las que se ha adherido el gas, ascienden hacia la parte superior del reactor donde se produce la liberacin de este gas adherido, al entrar en contacto con unos deflectores (desgasificadores). Las partculas desgasificadas suelen volver a caer y el gas se captura en una bveda de recogida de gases instalada en la parte superior del reactor. Es decir, permanentemente tenemos un flujo ascendente y otro descendente de agregados bacterianos, aunque no hay una distribucin homognea de los mismos, ya que su concentracin es tanto mayor cuando ms prximos estn a la base del reactor. El tiempo de contacto del reactor UASB es de 4 a 12 horas, permitiendo una reduccin aproximada del 75 al 85% en la DQO.
  30. 30. 16 Imagen N 04. Esquema del sistema UASB. Fuente: Wikipedia 2.3.4. Tratamientos terciarios. Cuando los efluentes de una planta de tratamiento de aguas residuales de tipo secundario no cumplen con ciertos niveles de calidad se hace entonces necesario un tratamiento terciario o avanzado. Los objetivos del tratamiento terciario son eliminar la carga orgnica remanente de un tratamiento secundario, desinfectarla para eliminar microorganismos patgenos, eliminar color y olor indeseables, remover detergentes, fosfatos y nitratos residuales, que ocasionan espuma y eutrofizacin respectivamente. Esta depuracin puede realizarse tambin por medio de lagunado. El fundamento de este sistema no es ms que utilizar el poder depurador de las bacterias presentes en el agua residual, las cuales permiten eliminar la materia en suspensin o disuelta y aquellos compuestos biodegradables como es la materia nitrogenada y carbonada. La cloracin tambin es parte del tratamiento terciario o avanzado que se emplea para lograr un agua ms pura. 2.3.5. Tratamiento de residuos obtenidos de la depuracin de las aguas residuales. Las diferentes operaciones de depuracin de un agua residual generan una serie de residuos que pueden clasificarse en dos grupos, (IDEA, 2001). Slidos gruesos, que normalmente se obtienen en los pre-tratamientos y que, por lo general, o bien son incinerados o bien se depositan en vertederos. Lodos, que se generan tanto en los tratamientos primarios como en los secundarios. Los lodos se sometern a uno u otro tratamiento segn sea su origen y su carga contaminante o txica. Estos tratamientos intentan reducir el volumen de estos fangos (mediante deshidratacin) y contemplan la posibilidad de, o bien
  31. 31. 17 recuperar algn componente, o bien acondicionarlos para su reutilizacin (por ejemplo: en agricultura). 2.3.5.1. Sistemas de eliminacin o reutilizacin del fango. Los fangos de las depuradoras, una vez sometidos a todos o algunos de los tratamientos, se envan a un destino final que puede consistir en: Eliminacin de fango, Consiste en la incineracin o bien en la deposicin en vertederos especiales. En ambos casos, se produce una prdida econmica importante y es inevitable un fuerte impacto medio- ambiental. Reutilizacin del fango, Minimiza los efectos negativos econmicos y ambientales de la eliminacin. Los objetivos fundamentales de la reutilizacin son aprovechar los fangos como fuente de energa y aprovechar los componentes de los mismos. Esta reutilizacin del fango, para que sea de utilidad agrcola, debe tener un efecto fertilizante y/o de enmienda y correctivo del suelo (facilitar el transporte de nutrientes; incrementar la retencin de agua). Imagen N 05. Secuencia completa de tratamientos de aguas residuales domsticas. Fuente: Wikipedia. 2.4. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE LAGUNAS DE ESTABILIZACIN. 2.4.1. Concepto de laguna de estabilizacin. Una laguna de estabilizacin de aguas residuales es una estructura simple para embalsar agua, de poca profundidad de 1 a 4 m y con perodos de retencin de magnitud considerable (de uno a cuarenta das). Cuando las aguas residuales son descargadas en lagunas de estabilizacin, se realiza en las mismas, en forma espontnea, un proceso conocido con el nombre de autodepuracin o estabilizacin natural, en el que ocurren fenmenos de tipo fsico, qumico y biolgico. Este proceso se lleva a cabo en casi todas las aguas con alto contenido de materia orgnica putrescible o biodegradable.
  32. 32. 18 La demanda bioqumica de oxgeno (DBO) de las aguas descargadas en una laguna de estabilizacin y del efluente de las mismas, es el parmetro que ms se ha utilizado para evaluar las condiciones de trabajo de las lagunas de estabilizacin y su comportamiento. La estabilizacin de la materia orgnica se lleva a cabo a travs de la accin de organismos aerobios cuando hay oxgeno disuelto en el agua, y de organismos anaerobios cuando no hay oxgeno disuelto en la misma. Los factores que intervienen en el proceso de las lagunas de estabilizacin son: Fsicos: Temperatura, insolacin, infiltracin, evaporacin, precipitacin pluvial y vientos. Qumicos: Demanda bioqumica de oxgeno, pH, nutrientes, contaminantes resistentes. Biolgicos: Algas y bacterias. 2.4.2. Objetivos de las lagunas de estabilizacin. Las lagunas de estabilizacin se construyen con los siguientes objetivos, (Senz, 1985). Proteccin epidemiolgica, a travs de la disminucin de organismos patgenos presentes en las aguas residuales y dificultando la transmisin de los mismos. Proteccin ecolgica, a travs de la disminucin de la carga orgnica (DBO) de las aguas residuales, logrndose de esta manera que el nivel de oxgeno disuelto en los cuerpos receptores se vea menos comprometido, con el consiguiente beneficio para su reso. Reso directo del agua servida tratada en la agricultura, as como en piscicultura, evitando los riesgos e inconvenientes del reso de aguas servidas crudas. 2.4.3. Ventajas y desventajas. 2.4.3.1. Ventajas. Presenta alta eficiencia. Gastos de operacin y mantenimiento bajos. Gran capacidad para recibir sobrecarga. Simplicidad de operacin. No requiere equipo mecnico. 2.4.3.2. Desventajas. Requiere grandes extensiones. Puede ocasionar problemas de olores (generalmente las lagunas anaerobias). Puede producir vectores. En pocas de fro disminuye su eficiencia. Si el precio del terreno es alto puede salir costosa.
  33. 33. 19 2.4.4. Clasificacin. 2.4.4.1. De acuerdo al proceso biolgico desarrollado: Lagunas aerobias: Predominan los procesos aerobios (presencia de oxgeno). Se basan en el aporte de oxgeno a partir del crecimiento de foto-sintetizadores y permiten obtener efluentes de baja DBO soluble pero de alto contenido de algas, las que debieran ser cosechadas a fin de controlar los cuerpos receptores. La profundidad debe ser tal que no se alcancen a producir regiones sin oxgeno, sobre todo teniendo presente que la turbiedad impide el paso de la luz solar; se suelen encontrar profundidades de 30 a 50 centmetros y tiempos de retencin hidrulicos (es decir, volumen de la laguna dividido por caudal medio tratado) de 4 a 6 das de modo que el terreno requerido para esta tecnologa puede ser intolerablemente grande. Permiten reducciones del 80 al 95% de la DBO5. La tasa de carga de este tipo de lagunas cae en el rango de 85 a 170 kg de DBO5/ha-da. Lagunas anaerobias: Predominan los procesos de fermentacin anaerobia. Las bacterias anaerobias no requieren oxgeno para reducir la materia orgnica, el proceso es ms sensible a condiciones ambientales, produce olores desagradables, es largo y la estabilizacin no es total, (Metcalf-Eddy, 1991) Las lagunas anaerobias suelen recibir cargas de 225 a 600 kg de DBO5/ha-da con tiempo de retencin hidrulico de 20 a 50 das. Rendimientos en la reduccin de la DBO5 del 50 a 85%. La profundidad puede ser entre 2.5 y 5 m, (IDEA, 2001) Lagunas facultativas: Laguna o estanque de tratamiento con una seccin superior aerobia y una inferior anaerobia de modo tal que los procesos biolgicos aerobios y anaerobios se produzcan en forma simultnea. En el estrato superior de una laguna facultativa primaria existe una simbiosis entre algas y bacterias, en presencia de oxgeno; en los estratos inferiores se produce una biodegradacin anaerobia de los slidos sedimentables. La carga aceptable para estas lagunas cae entre 85 y 170 kg de DBO5/ha-da. Se recomienda eficiencias entre el 70 y 90%. El tiempo de retencin hidrulico cae en el rango de 5 a 30 das y la profundidad de operacin debe estar entre 1.2 a 2.5 m; por otra parte, se debe garantizar que el fluido utilice todo el volumen de la laguna, evitando corto circuitos y/o regiones muertas, (CEPIS, 1998). Lagunas de aeracin: Este tipo de lagunas se desarroll a partir de los estanques de estabilizacin facultativos en los que solo se tuvo que instalar aireadores de superficie para eliminar los olores que se producan al estar sometidos a sobrecargas orgnicas, (CEPIS, 1998). 2.4.4.2. De acuerdo al lugar que ocupan; con relacin a otros procesos: Lagunas primarias: reciben aguas residuales crudas.
  34. 34. 20 Lagunas secundarias: reciben efluentes de otros procesos de tratamiento. Lagunas de acabado: lagunas de mayor grado que las secundarias. Tambin llamadas estanques de estabilizacin de baja carga, son lagunas terciarias diseadas para mejorar la calidad de los efluentes de tratamientos secundarios y la nitrificacin estacional. 2.4.4.3. De acuerdo a la disposicin de las unidades: Lagunas en serie: permite una mejora importante en la calidad bacteriolgica del efluente. Lagunas en paralelo: no mejora la calidad del efluente, pero en cambio, ofrece muchas ventajas desde el punto de vista constructivo y operativo. En contar con por lo menos un sistema en paralelo para sobrecargar una mientras se lleva a cabo la limpieza o mantenimiento de la otra. 2.4.5. Funcionamiento de las lagunas. El funcionamiento de las lagunas est gobernado por diferentes factores, entre los cuales tenemos: Penetracin de la luz solar en el agua: necesaria para el desarrollo de condiciones aerobias, (Barnes, 1967). La profundidad del estanque: los muy profundos limitan el alcance de los rayos solares slo a las capas superiores y los estanques poco profundos son favorables a la aparicin de diversos tipos de plantas que podran limitar el paso de los rayos. Precipitacin y evaporacin en la zona: que podran alterar el funcionamiento debido a las variaciones de volumen. Permeabilidad del suelo: por la cantidad de caudal que se filtra en el fondo y costados de la laguna. Vientos: mejoran el funcionamiento cuando son moderados, por la accin mezcladora que producen. Naturaleza y fructificacin de las algas: ya que consumen anhdrido carbnico y en condiciones climticas adecuadas liberan oxgeno durante el da, (Metcalf-Eddy, 1991). 2.4.5.1. Mecanismos de funcionamiento. Ynez, ha esquematizado el funcionamiento de las lagunas en procesos: Proceso aerobio: Este proceso se caracteriza porque la descomposicin de la materia orgnica se lleva a cabo en presencia de oxgeno, producindose compuestos inorgnicos que sirven de nutrientes a las algas, las cuales a su vez producen ms oxgeno que facilita la actividad de las bacterias aerobias. El proceso de desdoblamiento de la materia orgnica se lleva a cabo con intervencin de enzimas producidas por las bacterias en sus procesos vitales. A su vez, las algas logran sintetizar materia orgnica que se incorpora a su propio protoplasma. Este proceso que se lleva a cabo en presencia de la luz solar recibe el nombre de fotosntesis. En el mismo se desprende oxgeno (que es aprovechado por las bacterias aerobias para satisfacer la DBO).
  35. 35. 21 Proceso anaerobio: El tratamiento anaerobio supone la descomposicin de la materia orgnica y/o inorgnica en ausencia de oxgeno molecular. Las reacciones anaerobias son ms lentas y los productos de las mismas originan malos olores. Los microorganismos causantes de la descomposicin de la materia orgnica se dividen frecuentemente en dos grupos: El primer grupo, hidroliza y fermenta compuestos orgnicos complejos a cidos simples, de los cuales los ms corrientes son el cido actico y el cido propinico. Este grupo de microorganismos se compone de bacterias facultativas y anaerobias colectivamente denominadas bacterias formadoras de cidos. El segundo grupo, convierte los cidos orgnicos formados por el primer grupo en gas metano y anhdrido carbnico, las bacterias responsables de esta conversin son anaerobias estrictas y se les conoce como bacterias formadoras de metano. Las bacterias ms importantes de este grupo tienen tasas de crecimiento muy lentas y por ello su metabolismo se considera como limitante del tratamiento anaerobio de un residuo orgnico. 2.5. METODOLOGA DE DISEO EN EL SISTEMA DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIN. 2.5.1. Sistema de Pre-tratamiento y medicin de caudales. En un sistema de tratamiento de aguas residuales a travs de lagunas de estabilizacin, el pre-tratamiento sirve para lo siguiente: Remover los slidos grandes (gruesos) que flotan o estn suspendidos. Estos slidos gruesos consisten principalmente en papel, plsticos, trapos, tela y otros desechos slidos que pueden entrar al alcantarillado. Dependiendo de la abertura de las barras en una rejilla, los slidos gruesos tambin pueden consistir de excretas humanas. Remover los slidos inorgnicos pesados, los que se llaman slidos arenosos, que han entrado al alcantarillado. Estos slidos entran al alcantarillado por las conexiones de la tubera y los pozos de inspeccin, consisten principalmente de arena y otros slidos que tienen una gravedad especfica alrededor 2.5 kg/m3 Los slidos flotantes y gruesos pueden causar problemas nocivos en la operacin de las lagunas: ellos ayudan a la formacin de nata que puede producir malos olores, sirven como un foco para la reproduccin de insectos y producen condiciones desagradables a la vista, a continuacin una foto de lo antes mencionado.
  36. 36. 22 Imagen N 06. Solidos flotantes y gruesos dentro de la laguna. Fuente: Stewart, Oakley. 2011. Tratamiento de aguas residuales domsticas en Centroamrica. 2.5.1.1. Proceso de pre-tratamiento. Desbaste (rejillas). Para la separacin de slidos gruesos se utilizan rejillas ubicadas transversalmente al flujo. Al pasar el agua, el material grueso queda retenido en el enrejado. El material debe ser retirado manualmente y enterrado diariamente; ya que pueden daar u obstruir las tuberas, interfiriendo en los procesos de tratamiento. La cantidad de desperdicios slidos retenidos por las rejas vara segn la naturaleza de las aguas negras y el tamao de las aberturas de la reja. Los desperdicios retenidos contienen de 75 a 90% de humedad y estn formados por trapos, papel, trozos de caucho, residuos de alimentos y otros productos expuestos a la putrefaccin, por lo que se requiere su rpida eliminacin, a travs de procesos como enterramiento, incineracin o digestin. Normas para el diseo de rejillas. El siguiente cuadro muestra las normas de diseo recomendadas y los detalles para rejillas en sistemas de lagunas. Cuadro N 03. Normas de diseo para rejillas manuales. Parmetro Norma recomendada Forma de barra Rectangular No se debe utilizar barras corrugadas de construccin Ancho de barra 5 - 15 mm Espesor de barra 25 - 40 mm Espaciamiento (abertura) entre baas 25 - 50 mm 50 mm recomendado para que las heces humanas pasen por las barras
  37. 37. 23 Inclinacin con la horizontal 45 - 60 Plataforma de drenaje Suficiente para el almacenamiento temporal del material retenido en condiciones sanitarias Canaleta de desvo (By-pass) Suficiente para desviar el caudal mximo durante una emergencia Material de construccin de barras y plataforma de drenaje Acero inoxidable o galvanizado; aluminio Velocidad de aproximacin 0.45 m/s Tiempo de retencin en canal de aproximacin 3 seg Largo de canal de aproximacin 1.35 m Velocidad a travs de las barras 0.6 m/s para caudal promedio 0.9 m/s para caudal mximo Prdida de carga mxima 0.15 m Cantidades de material retenido 0.008 - 0.038 m3/1.000 m3 Disposicin final de residuos Solucin tcnica utilizando mtodos sanitarios Fuente: Reynolds y Richards. 1996 y viceministerio de vivienda y construccin. 1997. ANOTACIONES. La rejilla debe tener barras rectangulares con anchos de 5 a 15 mm y espesores de 25 a 40 mm. Se recomienda una abertura entre las barras de 50 mm para que la mayora de las heces humanas pasen por la rejilla sin ser retenidas. Imagen N 07. Caudal interrumpido por causa de material atrapado en la rejilla. Fuente: Stewart, Oakley. 2011. Tratamiento de aguas residuales domsticas en Centroamrica. La inclinacin con la horizontal de la rejilla vara entre 45 y 60 para que se remueva el material retenido fcilmente con un rastrillo.
  38. 38. 24 Imagen N 08. Detalle inclinacin de una rejilla con plataforma de drenaje. Fuente: Stewart, Oakley. 2011. Tratamiento de aguas residuales domsticas en Centroamrica. Las Rejilla debe tener una plataforma de drenaje para poder drenar los slidos gruesos retenidos, estos tienen una humedad de aproximadamente 80% antes de disponerlos en una manera sanitaria (Mendoa. 2000,21). Imagen N 09. Detalle de una rejilla de metal con plataforma de drenaje. Fuente: Stewart, Oakley. 2011. Tratamiento de aguas residuales domsticas en Centroamrica. El canal de aproximacin antes de la rejilla debe tener un canal de desvo en el caso de una emergencia; cuando el operador no est disponible para limpiar la rejilla.
  39. 39. 25 Imagen N 10. Detalle de canaleta de desvo (By-pass) Fuente: Stewart, Oakley. 2011. Tratamiento de aguas residuales domsticas en Centroamrica. El material de construccin de las barras y la plataforma de drenaje debe ser resistente a la corrosin. Se deber utilizar acero inoxidable, acero galvanizado o aluminio en su construccin. Imagen N 11. Detalle de rejillas hechas con barras de acero de refuerzo. Fuente: Stewart, Oakley. 2011. Tratamiento de aguas residuales domsticas en Centroamrica. Dimensionamiento de rejillas y el canal de aproximacin. Se dimensiona la rejilla y el canal de aproximacin antes de la rejilla con la siguiente ecuacin adaptada de Mara (1976): Dimensionamiento de canal de aproximacin. (1) Donde: acanal = Ancho de canal de aproximacin, m. Qmax = Caudal mximo, m3/s. 0.6 = Velocidad mxima a travs de las barras, m/s. Pmax = Profundidad mxima de agua en el canal cuando Q = Qmax. = 0.6 . +
  40. 40. 26 ab = Ancho de barras, mm. eb = Espaciamiento (abertura) entre barras, mm. Nota: La profundidad mxima (Pmax), es determinada durante el diseo del desarenador, que se realizar posteriormente. Velocidad en el canal de aproximacin. Se calcula la velocidad en el canal de aproximacin con la siguiente ecuacin: (2) Donde: v = Velocidad en el canal de aproximacin, m/s. Nota: La ecuacin (2) asume que la velocidad mxima a travs de la rejilla es 0.6 m/s; por lo tanto, la velocidad calculada, v (velocidad en el canal de aproximacin) debe ser cerca de 0.45 m/s si se utiliza dimensiones de ab y eb tpicas detalladas en las anotaciones anteriores. Se calculan las prdidas de carga a travs de la rejilla con la siguiente ecuacin (Metcalf & Eddy, 1991): (3) Donde: hf = Prdida de carga, m. vR = Velocidad a travs de la rejilla, m/s. va = Velocidad en el canal de aproximacin, m/s. g = Aceleracin de gravedad, m/s2. Nota: Se aplica la ecuacin (3) solamente cuando la rejilla est limpia (Metcalf & Eddy, 1991). ANOTACIN. Los canales de aproximacin deben tener un tiempo de retencin hidrulica mnimo de 3 segundos y un largo mnimo de 1.35 metros para asegurar una velocidad uniforme a travs de las barras. Si el tiempo de retencin hidrulica y el largo son menos, es muy probable que el canal tenga turbulencia por las barras como se ve en las siguientes figuras: v = 0.6 + = 1 0.7 2 2 2
  41. 41. 27 Imagen N 12. El canal a la izquierda tiene demasiada turbulencia para tener una velocidad uniforme. El canal a la derecha tiene suficiente largo para asegurar una velocidad uniforme sin turbulencia. Fuente: Stewart, Oakley. 2011. Tratamiento de aguas residuales domsticas en Centroamrica. Disposicin final de los slidos gruesos en las rejillas. Sin duda los desechos gruesos estn muy contaminados con patgenos, estos son excesivamente nocivos con malos olores y malas apariencias. Deben ser enterrados diariamente con el mnimo de manejo por el operador de la instalacin. El diseo de la instalacin de pre-tratamiento debe incluir un rea reservada cerca de la rejilla, donde el operador pueda enterrar los slidos gruesos. Imagen N 13. rea reservada para enterrar los slidos arenosos y gruesos tan pronto como los saque con el mnimo de manejo. Fuente: Stewart, Oakley. 2011. Tratamiento de aguas residuales domsticas en Centroamrica.
  42. 42. 28 Desarenado. El tipo de desarenador, segn el procedimiento utilizado en la separacin, ms comn es el de flujo horizontal, que realiza una separacin natural por decantacin. Los desarenadores de flujo horizontal son canales rectangulares donde se mantiene una velocidad controlada del agua residual, de forma que las arenas sedimentan y los slidos orgnicos pasan a las siguientes unidades de tratamiento. El parmetro principal de diseo es la velocidad horizontal del flujo a travs de la unidad. Generalmente una velocidad de 0.3 m/s permite la sedimentacin de partculas de 0.2 mm y mayores. El tiempo de retencin vara de 20 segundos a 1 minuto. El ancho mnimo recomendable para estas unidades es de 0.6 m. Debe de proveerse un espacio dentro de la cmara para la acumulacin y almacenamiento de las arenas. Normas para el diseo de desarenadores. En el siguiente cuadro se presenta un resumen de las normas de diseo recomendadas para desarenadores horizontales. Cuadro N 04. Normas de diseo recomendadas para desarenadores horizontales. Fuente: Marais y van Haandel, 1996: Reynolds y Richards. 1996; y Viceministerio de Vivienda y Construccin, 1997. ANOTACIN. La manera ms apropiada de remover los slidos arenosos y gruesos es por medio de rejillas y desarenadores horizontales, con el nivel de agua y la velocidad en los Parmetro Norma Recomendada Veloc

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