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Introduccin a las Plantas de tratamiento de Aguas Residuales (PTAR)
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO
FES CUAUTITLN. CAMPO 1
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Aguas Residuales (PTAR)
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Caractersticas fundamentales del agua residual municipal
DBO5 (mgOD/L) 190 350 DQO (mgOD/L) 250 800SST (mg/L) 120 400Alcalinidad (mgCaCO3/L) 60 120
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Calcio, Magnesio (mg/L) 6 16; 4 10 Fsforo de ortofosfatos (mgP/L) 3 - 25Nitrgeno orgnico (mgN/L) 8 30Nitrgeno de amoniacal (mgN/L) 10 80Aceites y grasas (mg/L) 50 100Coliformes fecales (NMP/100 mL) 10 E 7 10 E 9
Sntesis histrica del tratamiento del agua residualHasta la Edad Media el drenaje fue prcticamente desconocido. La aparicin del clera en forma epidmica en Europa, principalmente Inglaterra, a mediados del siglo XIX oblig al Parlamente a impulsar el alcantarillado en Londres. En Pars tambin una epidemia de clera oblig a disear y construir un sistema de alcantarillado en 1832.Antes de ello no se permita la descarga de desechos a los sistemas de alcantarillado (eran para el agua de lluvia) y los residuos se recolectaban en
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
alcantarillado (eran para el agua de lluvia) y los residuos se recolectaban en las noches y se empleaban en la agricultura. La invencin del retrete en el siglo XIX ya no permiti este manejo por la gran cantidad de residuos generados.
Sntesis histrica del tratamiento del agua residualPara resolver este problema las ciudades empezaron a usar los sistemas naturales de drenaje y los alcantarillados pluviales para conducir los residuos.Las alcantarillas no resolvieron a largo plazo el problema ya que las corrientes de aguas residuales se descomponan y contaminaban el agua en localidades rurales aguas abajo. Sin embargo, el tratamiento inici hasta que la capacidad de autopurificacin de los sistemas naturales fue superada.
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
la capacidad de autopurificacin de los sistemas naturales fue superada.El tratamiento del agua residual se prob e inici a finales del siglo XIX y a principios del XX.
Sntesis histrica del tratamiento del agua residual
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Plantas de tratamiento de aguas residuales en Mxico
PTARs municipales e industriales 2006
100
1,000
10,000
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MunicipalIndustrial
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
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Capacidad instalada para tratamiento de aguas residuales en Mxico
Capacidad instalada 2006
1,000
10,000
100,000
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MunicipalIndustrial
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
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100
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Produccin
Variaciones estacionales de la cantidad y composicin del agua residual municipal
Mxico: 3 600 000 Ton DBO/aoInfraestructura existente: remueve 9 % de esta
DBO (Jimnez, 2001)
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
DBO (Jimnez, 2001)Tratamiento de 35 % del agua residual municipal y
17 / del agua residual industrial (SEMARNAT, 2006)
Consumo biolgico de sustrato
DBO
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Proceso de diseo de una PTAR El proceso de diseo de una PTAR se efecta con base en la
siguientes actividades (Valdez y Vzquez, 2003):
Definir la calidad del efluente Proponer varias alternativas de tratamiento en forma de
diagramas de flujo y de procesos Efectuar un aforo, muestreo y pruebas de tratamiento
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Efectuar un aforo, muestreo y pruebas de tratamiento Seleccionar criterios de diseo Dimensionar las instalaciones y los equipos Efectuar un balance de slidos Elaborar el diagrama de distribucin general de equipos (Layout) Ver la distribucin de las instalaciones sobre el terreno Perfiles hidrulicos Planos de especificaciones Estimacin de costos
Calidad del efluente La calidad requerida de los efluentes est dictada por
Normatividad aplicable de acuerdo con el destino del efluente
Requerimientos especficos para agua de reuso en
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Requerimientos especficos para agua de reuso en un proceso industrial, comercial o habitacional dados.
La calidad real de un efluente esta dada por el proceso de tratamiento y la eficiencia del mismo
Diagramas de flujo Un diagrama de flujo es un conjunto ordenado y
secuencial de operaciones y procesos unitarios enfocados a lograr un objetivo de tratamiento u obtener uno o varios productos.
Elaboracin:
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Elaboracin: Caractersticas del agua residual y nivel de tratamiento Pruebas de tratamiento Experiencia del proyectista o diseador Criterios sobre aplicacin de mtodos especficos Disponibilidad de proveedores Costos (fijos, O & M)
Diagramas de flujo
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Aforo, muestreo y pruebas de tratamiento
Aforo: Medicin del caudal. Mnimo, medio, mximoMuestreo: Colectar una porcin del agua a tratar
suficientemente chica para manejarla en laboratorio, pero representativa de la composicin del afluente.
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Tomar las muestras en donde el flujo sea turbulentoExcluir partculas mayores a 6 mmNo incluye sedimentos, crecimientos o material flotante acumulados en el punto de muestreoLas muestras deben analizarse pronto o conservarse en condiciones adecuadas.Muestreo accesible, seguro, fcil y con equipo adecuado
Aforo, muestreo y pruebas de tratamiento
Muestras: Puntuales (simples) y compuestas
Compuestas: Si Q y C no varan notoriamente, tomar muestras cada hora, por 12 horas
Si Q y C varan mucho, tomar muestras cada 30
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Si Q y C varan mucho, tomar muestras cada 30 o 15 minutos, por 4, 8 o 12 horas (ver personal y uso de la muestra)
Ajustar volumen de muestras puntuales a Qi
V/Qi = (Volumen total de la muestra compuesta)/(caudal medio No. De
muestras)
Ejemplo
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Aforo, muestreo y pruebas de tratamiento
Pruebas de tratamiento
Pruebas en laboratorio enfocadas a determinar la cantidad de coagulantes, floculantes, antiespumantes y otros qumicos (jar test) o a obtener coeficientes cinticos de procesos
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
(jar test) o a obtener coeficientes cinticos de procesos qumicos o bioqumicos propuestos para tratar el agua.
Establecen si las operaciones y procesos unitarios propuestos son adecuados
Obtienen datos preliminares de diseo
Procesos bsicos de una PTAR
- Tratamiento primario - Tratamiento secundario- Tratamiento terciario
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Recepcin del agua a la PTAR
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Tratamiento primario Cribado (rejillas)
Retencin de slidos grandes que podran tapar equipo posterior
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
equipo posterior
Cribas gruesas: 6 15 cm Cribas finas: 0.6 cm menor
Limpieza: manual y mecnica
Tratamiento primario Rejillas
m=35-40oLimpieza
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Limpieza Manualm=30oLimpieza mecnica
Fuente: MIT
Tratamiento primario RejillasLimpiezamanual
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
manual
Tratamiento primario RejillasLimpieza
mecnica
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
mecnica
Rejillas Velocidad mnima: 0.4 m/s para mantener arena y
compuestos orgnicos en suspensin. Velocidad mxima: 0.9 1.2 m/s (limpieza manual
o mecnica, respectivamente)
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
o mecnica, respectivamente) Remocin media de 10 80 % de los SST La velocidad se mantiene con un vertedor o canal Si su altura es menor a 70 cm, reja de 0.25 in x
0.75 in Nunca pegarlas a los muros del canal
Tipo Rango NotasPara basura
Apertura 38-150 mm Usada en sistemas combinadosLimpieza manual
Apertura 25-50 mm En pequeas plantas o canales con bypass
Velocidad 0.3 a 0.6 m/sLimpieza mecnica
Apertura 6-38 mm Una apertura de 18 mm es considerada
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Apertura 6-38 mm Una apertura de 18 mm es considerada satisfactoria
Velocidad mxima 0.6-1.2 m/sVelocidad mnima 0.3-0.6 m/s Para prevenir acumulacin de arena
ContinuaApertura 6-38 mm Es efectiva en el rango de 6 a 18 mmVelocidad mxima 0.6-1.2 m/sVelocidad mnima 0.3-0.6 m/sPrdida de carga
permisible0.15 0.6 m
Fuente: MOP 8, Vol. 1
Rejillass
( )22
/2.1/9.0max
max
max
;
;max
vVk
bA
h
libreanchobsnbbes
ebn
vv
QA
g
paso
gbarrasg
barras
mecnicasmmanualsmQpaso
=
==+
=
==
h
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
be
( )
2
22
/2.32,..:/,...:
/,....:)43.1.(..:
arg..:2
sftgravedaddenaceleracigsftcribasdeantesvelocidadv
sftcribadetravsavelocidadVfriccindeeCoeficientk
acdeprdidaHg
vVkH =
Tratamiento primario Desarenado
Remocin de arenas y slidos densos (grava, granos de caf, cscaras de huevo).
No debe remover materia orgnica en porcentajes
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
No debe remover materia orgnica en porcentajes importantes (idealmente 0 %)
Propsitos: Proteger partes mviles de equipos de abrasin
Reducir deposiciones en las lneasReducir la frecuencia de limpieza de
digestores
Tratamiento primario Desarenado
Comnmente, en el agua residual se tienen entre 0.004 y 0.04 m3arena/m3agua, con un contenido de
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
0.004 y 0.04 m arena/m agua, con un contenido de slidos de 35 a 80 % y una densidad tpica de 1.6 g/cm3.
Meta de diseo: Dar tiempo de retencin suficiente para que la arena sedimente y a la vez tener una velocidad suficiente para que la materia orgnica no sedimente.
Desarenado Desarenador aerado Desarenador tipo vrtice Tanque de detritus
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Tanque de detritus De flujo horizontal Circular Hidro-cicln
Desarenador aerado Ventajas
La misma eficiencia es posible en un amplio rango de caudal Las prdidas de carga son despreciables Al controlar la aeracin se puede remover arena poco
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Al controlar la aeracin se puede remover arena poco putrescible
La remocin puede adaptarse a diversas condiciones de campo
Los desarenadores aerados pueden usarse para agregar qumicos, mezclar, pre-airear y favorecer la floculacin antes de sedimentacin primaria
Desarenador aerado Desventajas
Los sistemas aireados consumen mayor potencia Mayor mantenimiento en sistemas aireados
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Mayor mantenimiento en sistemas aireados Pueden generarse vapores con COV peligrosos si
el agua residual los contiene.
Tratamiento primario Desarenado
Ecuacin de Camp-Shields para velocidad de suspensin de materia orgnica (Vc)
kgd 8
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Donde: d: dimetro de la partcula orgnica, f: factor de Darcy (0.02 0.03 para agua residual domstica), : densidad (p: partcula y a: agua) y k: constante emprica relacionada con que tan pegajosa es la partcula (0.04 a 0.06)
a
apc f
kgdV
= 8
Tratamiento primario Desarenado
Tipos: Canal con flujo horizontalCircularesAireados
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
AireadosTipo vortex
Tratamiento primario Desarenado
Reto: mantener Vc constante cuando hay fluctuaciones en caudal.
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Arenas: dimetros entre 1 y 2 mm, velocidad de sedimentacin de 0.6 m/s
Alternativas: Vertedores (de placa, sutro) Canales Parshall
Informacin tpica de diseo de desarenadores de flujo horizontal.
Parmetro Unidades Rango Tpico Profundidad del agua, m 0.6-1.5 Longitud m 3-25 H s 45 - 90 60
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
H H a caudal pico s 15 - 90 V horizontal m/s (0.15)0.25 - 0.4 0.3 V sedimentacin (m/min) para remover:
arena de 0.21 mm 1 1.3 1.15arena de 0.15 mm 0.6 0.9 0.75
Longitud agregada por turbulencia de entrada y salida, %25 50 30
Consideraciones: S. G. = 2.65; T = 15.5 C
Informacin tpica de diseo de desarenadores aerados.
Parmetro Unidades Rango Tpico H a Q pico min 2 - 5 3 Profundidad m 2 5 Longitud m 7.5 20
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Longitud m 7.5 20 Ancho m 2.5 7 Ancho/Profundidad 1 5 1.5 - 2 Longitud/Ancho 3 5 4 Aire/Longitud m3/mmin 0.2 0.5 (0.74) 0.45 Cantidad de arena L/m3 0.004 0.02 0.015
Factores de caudal pico sostenidoDas con Factorcaudal sostenido1 2.755 2.1
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
5 2.18 1.8510 1.815 1.6520 1.525 1.45
Ejemplo: Disear un desarenador aerado para el tratamiento de un agua residual municipal si Q medio = 0.5 m3/s. Considere el diseo con 1 da a caudal pico sostenido.
1. Q pico
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
1. Q pico2. Volumen desarenador con H y 2 tanques3. Dimensiones: Asumir profundidad4. Tiempo de retencin hidrulica a Q medio5. Aire total requerido6. Arenas removidas por da a Q pico y Q medio
Tratamiento primario Vertedor Sutro o
proporcional)
3(74.2 aHbaQME =
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
3
YaHaYbX
+=
= ))/(tan1( 5.01
= base desarenador
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Canal ParshallMedicin de caudal y control de velocidad
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Canal Parshall
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Tratamiento primario Igualacin y neutralizacin
Se busca que las variaciones en el caudal y en el pH se minimicen en las etapas posteriores del
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
pH se minimicen en las etapas posteriores del sistema
Diseo bsico de un tanque de igualacin. Mtodo grfico
De la curva de
Carga de DBO en tanque de igualacin
12000
14000
16000
18000
C
a
r
g
a
d
e
D
B
O
(
g
/
h
)
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
De la curva de caudales acumulados se determina la pendiente para V mx y V min, paralela a Q medio
0
2000
4000
6000
8000
10000
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Hora
C
a
r
g
a
d
e
D
B
O
(
g
/
h
)
Tarea 1 Q*DBO (mg/s)Tarea 1 Q*DBO (mg/s)
Tanque de igualacin
500
600
700
800
900
1000V
o
l
u
m
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n
a
c
u
m
u
l
a
d
o
(
m
^
3
)
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
0
100
200
300
400
500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324Hora
V
o
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m
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m
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o
(
m
^
3
)
V
Tratamiento primario Sedimentacin primaria (Partculas orgnicas)
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Sedimentacin primariaTipos de sedimentadores
Cuadrangulares y Circulares
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Informacin tpica de diseo de sedimentadores primarios seguidos de tratamiento secundario.
Parmetro Unidades Rango Tpico
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
H h 1.5 2.5 2.0C.H. m3/m2d
Q medio 30 50 40Q max 80 120 100
Dimensiones tpicas de sedimentadores primarios.
Parmetro Unidades Rango TpicoRectangular m
Profundidad 3 4.9 4Largo 15 90 24 - 40
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Largo 15 90 24 - 40ancho 3 24 4.9 9.8
Circular mProfundidad 3 4.9 4.2Dimetro 3 60 12 - 45Pendiente del fondo 1/16 1/6 1/12
CH superficial: 32-48 m3/m2d a caudal medio80-120 m3/m2d a caudal pico
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Tratamiento secundario Su funcin principal es remover la materia
orgnica disuelta y coloidal mediante su incorporacin a la masa bacteriana y de otros
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
incorporacin a la masa bacteriana y de otros organismos
C
intica d
e cre
cimie
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acte
riano
N m e r o o c o n c e n t r a c i n d e b a c t e r i a s
F a s e d e c r e c i m i e n t o e x p o n e n c i a l
F a s e d e c r e c i m i e n t o
d e s a c e l e r a d o
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F a s e d e a u t o - d i g e s t i n
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XC
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exp
onencial
Elabor
: M
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orale
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N m e r o o c o n c e n t r a c i n d e b a c t e r i a s
F a s e d e l a t e n c i a
F a s e d e c r e c i m i e n t o e x p o n e n c i a l
F a s e d e c r e c i m i e n t o
d e s a c e l e r a d o
F a s e e s t a c i o n a r i a
F a s e d e a u t o
a c e l e r a d a
F a s e d e a u t o - d i g e s t i n
d e s a c e l e r a d a
Autodig
esti
ndesa
celerad
a
Sistem
a co
ntnuo
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales MejaFuente: MOP 9
Metazoarios y otros organismos Mantienen el control de la poblacin bacteriana Evitan el crecimiento de bacterias filamentosas,
las cuales tienen mala sedimentacin
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales MejaFuente: MOP 9
Principales sistemas biolgicos Lodos activados (continuo y discontinuo) Biofiltros Contactores biolgicos rotatorios
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
Contactores biolgicos rotatorios Lagunas Estanques Reactores UASB (RAFA) Wetlands (humedales) Lecho mvil y lecho fluidizado
Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja
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