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El ABC de las aguas servidas
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Le invitamos a sumergirse en esta nota que le mostrará la composición y las diversas posibilidades de tratamiento de las aguas servidas. En ella se describen acuciosamente los procesos físicos, químicos y biológicos de tratamiento. Por lo importante del tema lo hemos dividido en dos entregas. Aquí está la primera de ellas.
Revista Nº 19 marzo-abril 1996
El crecimiento de centros urbanos va acompañado de un aumento de volúmenes de desechos líquidos y sólidos, los cuales plantean problemas de manejo, salud pública y disposición.
Los desechos líquidos, denominados agua servida municipal, están construidos esencialmente por agua potable ya utilizada por la comunidad, la que contiene una gran variedad de componentes sólidos disueltos y en suspensión, los que son incorporados durante su uso doméstico, industrial y/o arrastre de agua lluvia. La eliminación y/o acumulación de agua servida municipal no tratada en el suelo, ríos, o mar, va acompañada por descomposición de materia orgánica con producción de malos olores y dispersión de microorganismos patógenos, los cuales representan un riesgo potencial para la salud pública.
Debido a la creciente preocupación por el medio ambiente y la salud pública, se han desarrollado una serie de sistemas de tratamiento de agua, apropiados para las más diversas situaciones.
En general, en la elección de un sistema de tratamiento adecuado para una comunidad, la efectividad de eliminación de la contaminación bacteriológica para la protección de la salud pública y la posibilidad de reutilización del agua tratada (agricultura, acuicultura y usos industriales) son los aspectos más importantes que deben ser considerados. En este artículo se describen las diversas alternativas existentes para tratar las aguas servidas municipales.
Las aguas servidas
El agua servida municipal se caracteriza de acuerdo a su composición física, química y biológica.
En consideración a los componentes del agua servida, se distinguen los siguientes grupos de contaminantes:
a) Sólidos suspendidos: Favorecen el desarrollo de depositación de lodos y condiciones anaeróbicas que producen desprendimiento de metano y ácido sulfídrico.
b) Compuestos orgánicos biodegradables: Están constituidos por proteínas, hidratos de carbono y grasas. Estos compuestos se miden con los índices DBO (demanda bioquímica de oxígeno) y DQO (demanda química de oxígeno). La presencia de estos compuestos ocasiona la eliminación de oxígeno disuelto en el agua, lo que genera condiciones anaeróbicas.
c) Microorganismo patógeno: Diversas enfermedades contagiosas pueden ser transmitidas por organismos patógenos, que moran en las aguas servidas; fiebre tifoidea, cólera. Para estimar la presencia de estos microorganismos se utiliza el análisis de concentración de coliformes fecales y totales, los cuales son buenos indicadores del nivel de contaminación bacteriológica del agua.
d) Compuestos inorgánicos: Fundamentalmente son compuestos de nitrógeno, fósforo y carbono, que actúan como nutrientes esenciales para la vida acuática. Pero son indeseables en los cuerpos de aguas situados alrededor de los centros urbanos. También se encuentran presentes compuestos de calcio, sodio y azufre, los que en cantidades excesivas impiden la reutilización del agua.
e) Metales pesados: Provienen de productos comerciales y efluentes industriales. Su toxicidad es bastante conocida.
Métodos de Tratamiento
Los contaminantes de las aguas servidas pueden ser removidos mediante procesos físicos, químicos y biológicos.
Los métodos individuales son clasificados como operaciones unitarias, procesos químicos y procesos biológicos. Aunque estas operaciones y procesos ocurren en una variedad de sistemas de tratamiento de agua, se prefiere estudiarlos separadamente debido a que sus principios de operación no cambian.
Las operaciones unitarias son aquellos métodos de tratamiento donde predomina la aplicación de fuerzas físicas. Estas operaciones son: tamizado, mezclado, floculación, filtración y operaciones gas líquido.
En los procesos químicos, la eliminación de contaminantes se lleva a cabo por la adición de reactivos químicos que desencadenan una serie de reacciones de precipitación, absorción y desinfección. Los productos de tales reacciones precipitan, formando un lodo que contiene el material contaminante.
En los procesos biológicos la remoción de contaminantes resulta de la actividad biológica de microorganismos (bacterias anaeróbicas, aeróbicas y microalgas) que crecen y se multiplican constantemente. Estos sistemas son usados principalmente en la eliminación de sustancias orgánicas biodegradables, las cuales son convertidas en gases que escapan a la atmósfera y en tejidos de células que pueden ser removidos por procesos unitarios físicos. Los tratamientos biológicos también se usan para remover nutrientes.
La eliminación de nutrientes en procesos biológicos se manifiesta a través de procesos de:
a) Desnitrificación, en donde el nitrato es convertido en nitrógeno y compuestos gaseosos.
b) Nitrificación, donde el ión amonio es convertido a nitrato y posteriormente a nitrato el cual participa en el crecimiento celular (remoción de DBO).
Operaciones unitarias
Medición de caudal
Para una operación eficiente de todo proceso de tratamiento de agua servida se requiere de un sistema apropiado de medición de caudal, constituido por un sensor y un convertidor. El sensor es expuesto al flujo para producir una señal que es recibida por el convertidor y a su vez traducida en términos de una lectura de caudal. Para la medición de caudal en canales abiertos o conductos parcialmente llenos.
En los procesos químicos los contaminantes se eliminan con reactivos. Se utiliza la altura de agua producida en una obstrucción (diversas formas de vertederos, placa de rebalse o plumas).
Para conductos cerrados se utilizan 3 técnicas:
- Uso de una obstrucción en el conducto para crear una pérdida de carga o presión predecible. Para producir este efecto se utilizan placas orificio, rotámetros y tubos de Venturi. La diferencia de presión generada puede ser convertida en lecturas de caudal.
- Medición del efecto del flujo de agua servida sobre alguna propiedad (variación de momento, transmitancia de ondas de sonido, variación de campo magnético). En este caso se utilizan dispositivos de medición magnético, ultrasónico y de vortex.
- Medición de incrementos de volúmenes de fluidos. Para esto se utilizan turbinas o hélices cuya velocidad de rotación puede correlacionarse con la velocidad o caudal del fluido.
Tamizado
El tamizado es la primera etapa de todo sistema de tratamiento de aguas servidas. Estos dispositivos poseen aberturas de diversas formas y tamaños y son utilizados para retener sólidos gruesos que son arrastrados por el agua (plásticos, trozos de madera, papel, etc.)
Un dispositivo de tamizado con barras se denomina cámara de rejas, en cambio, uno con orificios es denominado tamiz.
En el tratamiento del agua las cámaras de rejas son utilizadas para proteger bombas, válvulas y otros dispositivos contra daños y taponamientos. En cambio, los tamices se utilizan para mejorar la separación de sólidos de acuerdo a requerimientos de calidad de efluentes.
En el tratamiento del agua las cámaras de rejas son utilizadas para proteger bombas, válvulas y otros dispositivos contra daños y taponamientos. En cambio, los tamices se utilizan para mejorar la separación de sólidos de acuerdo a requerimientos de calidad de efluentes.
Estabilización de caudal
La estabilización de caudal es una operación necesaria para evitar problemas causados por variaciones de flujo de agua servida durante el día, en las diversas etapas de tratamiento. Esto se logra con un estanque pulmón en serie para acumular volumen de agua en períodos de exceso de flujo, o con un estanque en paralelo, que es alimentado sólo cuando el caudal excede un valor predeterminado. En este caso, el volumen de agua acumulado se procesa en períodos de bajo caudal. El volumen de los estanques de estabilización debe calcularse estimando las variaciones de caudal esperadas.
Mezclado
La utilidad de la operación de mezclado incluye:
- Mezclado completo de sustancias diferentes.
- Mezclado de suspensiones líquidas.
- Mezclado de líquidos miscibles.
- Floculación
- Transferencia de calor
Ejemplos de operaciones de mezclado son: Desinfección por adición de cloro; aireación en el proceso de lodos activados; floculación por adición de floculantes; agitación moderada para favorecer el crecimiento de flóculos (agregación de partículas suspendidas), etc.
Los tamices se utilizan para mejorar la separación de sólidos. La mayoría de las operaciones de mezclado en el tratamiento de agua puede clasificarse como mezclado rígido o continuo. En el primer caso, la agitación se lleva a cabo en un periodo de aproximadamente 30 segundos en saltos hidráulicos, en cañerías, en una bomba, en mezcladores estáticos o en agitadores mecánicos.
El mezclado continuo, cuyo objetivo principales mantener el contenido de sólidos de un estanque en suspensión, se logra mediante agitadores mecánicos, neumáticos, estáticos o por bombas de recirculación,
La eficiencia de mezclado puede ser expresada en términos de energía por unidad de volumen o gradiente de velocidad media [P/uV]-1, donde P es potencia, u es la viscocidad del fluido y V el volumen.
Sedimentación
El proceso de sedimentación es una de las operaciones más comunes en el tratamiento de agua. Esta consiste en la separación de partículas en suspensión con densidad mayor a la del agua. La sedimentación es usada en:
- Separación de arena y material particulado en las etapas previas al tratamiento biológico.
- Remoción de flóculos que se forman en reactores de lodos activado
- Reacciones de precipitación en tratamientos físico-químicos.
Para el diseño de estanques de sedimentación se requiere conocer el mecanismo del movimiento del conjunto de partículas a separar.
Flotación por aire disuelto
El proceso de flotación por aire disuelto (FAD) es un método rápido y efectivo para separar partículas suspendidas del agua.
Su eficiencia es superior a la sedimentación convencional cuando el proceso es factible de realizar. Ejemplo: separación de Blóculos de hidróxido de aluminio.
El sistema DAF utiliza microburbujas generadas a partir de una solución saturada de agua-aire a presión (3-7 atm.) liberada en una celda donde se encuentra el agua a tratar. Las burbujas ascendentes se adhieren o son atrapadas por partículas o flóculos, lo que produce disminución de su densidad aparente provocando movimiento ascendente.
El proceso DAF está siendo utilizado con éxito en diversas aplicaciones de tratamiento de agua. Entre ellas se cuenta el tratamiento de agua para uso potable e industrial y tratamiento físico-químico de agua servida.
Las variables de operación que afectan su rendimiento son:
- La presión de saturación, la razón de recirculación y modo de inción del agua saturada.
- La optimización del proceso requiere de un estudio experimental previo para cada sistema en particular.
Filtración en medio granular
La filtración un proceso físico usado para retener sólidos suspendidos, que persisten en efluentes de sistemas de tratamiento de agua. Esta retención se lleva a cabo al hacer pasar agua a través de un lecho formado por partículas sólidas (gravilla, arena, antracita, etc.)
El proceso de filtración consta de dos etapas: filtración y retrolavado. Durante la filtración los intersticios del lecho filtrante se obstruyen paulatinamente con sólidos suspendidos del agua que circula, produciéndose así una disminución paulatina del flujo a través del lecho, hasta el punto en que el proceso se detiene.
Posteriormente, el medio cargado con sólidos retenidos se somete al proceso de retrolavado. Este consiste en la circulación de agua y/o aire en contracorriente, de modo de limpiar el filtro.
Aunque el proceso en sí mismo es discontinuo, existen equipos de filtración que operan en forma continua. Estos están constituidos por un conjunto de celdas, cada una de ellas operando como un filtro discontinuo. Las etapas de cada celda se combinan de manera tal que el conjunto puede ser considerado de operación continua.
Los sistemas de filtración se clasifican de acuerdo a:
- Tipo de operación en sistemas continuos y discontinuos.
- Tipo de medio filtrante a utilizar. En medio simple se utiliza sólo un tipo de material filtrante, de granulometría regular, medio dual, donde se emplean dos tipos de material filtrante y medio compuesto. Generalmente los medios filtrantes se mantienen separados en capas debido a diferencias de tamaño y densidad de las partículas de los diversos medios.
- Dirección del flujo durante la filtración en filtro de gravedad (el más usado) y de nulo ascendente.
- Tipo de control de flujo. Se tiene filtración de tasa constante donde es controlado el caudal afluente o efluente, y filtración de tasa variable, donde el caudal del agua a través del filtro varía como respuesta a la pérdida de carga en el lecho filtrante. Las principales variables que afectan la filtración son:
• Las características de los sólidos suspendidos a filtrar (tamaño, concentración, resistencia del flóculo, etc.).
• Características del medio filtrante (granulometría, distribución de tamaño, porosidad, altura del lecho, etc.).
• Tasa de filtración.
• Pérdida de carga permitida en el lecho.
- Transferencia de masa gas-líquido
La transferencia de diversos componentes entre una fase gaseosa (generalmente aire) y una líquida es un proceso vital en algunos sistemas de tratamiento. Por ejemplo, transferencia de oxígeno en proceso de lodos activados, digestión aeróbica, transferencia de ozono o cloro en procesos de desinfección, etc.
Para incrementar la velocidad de transferencia de masa gas-líquido es necesario incrementar el área interfacial. Para el caso de lodos activados se introducen burbujas de aire a través de tubos y placas porosas, cañerías perforadas, diversas configuraciones de difusores metálicos y plásticos, y dispositivos mecánicos para rompimiento de burbujas.
Para un efecto combinado de aireación y homogeneización del líquido en el reactor de lodos activados, se utilizan turbinas superficiales que agitan el agua y producen una dispersión de pequeñas gotas de líquido.
El diseño de un sistema de aireación requiere conocer el oxígeno necesario en el reactor, el coeficiente de transferencia de oxígeno y el volumen del reactor.
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