Propuesta de intervención de la planta de tratamiento de agua residual de la UCLV (página 2)

hacia el fondo del tanque. Pueden ser utilizados en casos donde no se necesite una eficienciamuy alta en laremoción de DBO. [Valdez,2008] Figura 1.4 Vista transversalde Lechos bacterianos o filtros percolador. Fuente: [Ortega; Ferrer, Salas, Aragón,Real, 2010] Figura 1.5 de un LechoBacteriano

– Función delesquemade un lecho bacteriano. El crecimiento progresivo de la biopelícula provoca que, a partir de un cierto espesor, el oxígeno no penetre en toda su profundidad, creándose una zona aerobia exterior y otra anaerobia más próxima a la superficie del material soporte. El espesor de la biopelícula alcanza un cierto límite, a partir del cual se desprende y es arrastrada por el agua circulante. Una vez que el agua residual ha atravesado el lecho, es recogida en la parte inferior del mismo y dirigida a un decantador secundario, o clarificador, donde el agua ya tratada se separa del exceso de biopelícula erosionada y desprendida, que constituye los fangos en exceso del proceso detratamiento. [Ortega; Ferrer,Salas,Aragón, Real,2010] – Los filtros se clasifican en Filtros de baja carga Filtros lentos en los cuales el agua hace un solo paso a través del filtro, con cargas volumétricas bajas, permitiendo además una nitrificación relativamente completa. Este tipo de filtro es seguro y simple de operar. También tienen carga hidráulica pequeña y no consideran recirculación. Los colocados en serie incrementan la profundidad efectiva, aumentando en consecuencia su eficiencia. Donde existen muchas posibilidades para diferentes regímenes de flujo. Procede una composición del efluente bastante estable, pero crean problemas de olores y moscas. [Babbitt,1983] De carga media y alta Utilizan valores de carga hidráulica y orgánica superiores a los de baja carga y se caracterizan por poseer recirculación. De muy alta carga Surgen como consecuencia del desarrollo de diversos tipos de medios filtrantes compactos, sintéticos y de madera. Sus principales aplicaciones han sido el tratamiento de aguas residuales muy cargadas. Las profundidades suelen ser mayores que en otros tipos de filtros que utilizan materiales convencionales. [Ortega; Ferrer, Salas, Aragón, Real, 2010] Según [Babbitt, 1983] los factores más importantes que afectan laoperación de los filtros percoladores son: – Carga hidráulica – Carga orgánica – Temperaturas del agua y del aire ambiente La tasa a la cual se aplica el agua residual ala superficie del filtro percolador se denomina carga hidráulica. La tasa a la cual se aplica el material orgánico es llamada carga orgánica o carga de DBO. No incluye a la DBO añadida por recirculación. La carga orgánica se expresa en

términos de kilogramos de DBO por metro cúbico de lecho por día, o kg/m³. d. Un valor típico de carga orgánicaen unfiltro percolador es 0.5kg/m³.d. Un valor grande de la carga orgánica implica un crecimiento rápido de la biomasa. El crecimiento excesivo puede ocasionar la obstrucción de los vacíos del medio de soporte y se tendría como resultado su inundación. [Babbitt, 1983] Los dispositivos que se usan parael tratamiento son – Filtros percoladores con tanques de sedimentación secundaria – Tanques deaeración – Lodos activados contanques de sedimentación simple y aeración por contacto – Filtros intermitentes de arena o grava – Estanques de estabilización. [D.C, 2000] – Sedim entador Secundario El sedimentador secundario es parte fundamental del proceso de lodos activos, cumple la función de clarificar el efluente mezclado para la descarga del efluente final y concentra el lodo activado para su retorno al proceso. Los tanques de sedimentación pueden ser rectangulares o circulares, y en pocas ocasiones se emplean tanques cuadrados los cuales tienenpoca retenciónde sólidos. En cualquier tipo de tanques de sedimentación lo importante es la recogida de lodos, de manera que, “en la recirculación de lodos no haya una succión del líquido de la parte superior a través del lodo y debe ser capaz de transportar y extraer los lodos densos acumulados en el tanque de sedimentación en casode alguna falla. Tanques Circulares Los tanques circulares suelen ser de dos tipos: de alimentación central y de alimentación periférica, los dos tipos de tanques transportan y evacuan los lodos mediante mecanismos rotatorios, cuyavelocidad no debe ser mayor a 2 revoluciones por hora. Los tanques circulares secundarios con una capacidad de 300m³ no deberán ser diseñados con un sistema de barrido, deberán se cónicos con una inclinación mínima de las paredes de la tolva de 60 grados, la remoción de lodos será por medio de tuberías. Para los tanques que trabajen con mecanismos de barrido deberán disponer de una tolva central para la acumulación de lodos, al menos de 0,6 m de diámetro y 4 m de profundidad máxima. El fondo debe tener una inclinación de 1:12 (vertical: horizontal). Además, el diámetro de la zona de entrada en el centro del tanque debe ser aproximadamente el 15-20% del diámetro de sedimentador. El retorno de lodos debe ser continuo y puede ser por medio de bombas centrífugas.

Tanques Rectangulares En los tanques rectangulares se debe conseguir una adecuada distribución del caudal de manera que las velocidades horizontales no resulten excesivas. La relación largo/ancho deberá ser de 4/1 como mínimo y la relación anchoprofundidad debe ser superior a 2/1. La remoción de lodos deberá ser intermitente para los tanques que posean mecanismo de barrido de movimiento longitudinal. Los tanques rectangulares emplean dos tipos de sistemas de extracción: rascadores múltiples y puentes de traslación. Tabla 1.3. Parámetros de diseño para sedimentadores secundarios Fuente: [Metcalf-Eddy,1985] De acuerdo a [NORMA OS.090], los Sedimentadores Secundarios se deben diseñar con el propósito de separar la biomasa en exceso producida en el filtro. El diseño podrá ser

similar al de los sedimentadores primarios con la condición de que la carga de diseño se base en el flujo de la planta más el flujo de recirculación. La carga superficial no debe exceder de 48 m3/m2/d basadaen el caudal máximo. Tabla 1.4 Tabla de limitaciones de algunos sistemas de bajo costo 1.3.3 Tratamientos terciarios En cualquier tratamiento de aguas negras que se realiza después de la etapa secundaria se busca eliminar contaminantes orgánicos, nutrientes como iones fosfato y nitrato o cualquier exceso de sales minerales. En el tratamiento se pretende que el agua sea lo más pura posible y libre de bacteria patógenas, para ello se realizan las siguientes operaciones: la micro filtración, coagulación y precipitación, la absorción por carbón activado, el intercambio iónico, la osmosis inversa, la electrodiálisis, la remoción de nutrientes la cloración y laozonización. El proceso más utilizado para la eliminación de bacterias patógenas es la cloraciónya que se puede aplicar a grandes cantidades de agua y es relativamente barato. El cloro tiene una acción tóxica sobre los microorganismos y actúa como un oxidante sobre la materia orgánicano degradaday sobrealgunos minerales. Aunque el cloro en su forma atómica se puede usar para la desinfección del agua, son más utilizados algunos de los compuestos de cloro como el ácido hipocloroso, el hipocloroso de sodio, el hipoclorito decalcio y el peróxido decloro. Otros desinfectantes como el ozono, el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) y luz ultravioleta empiezan a ser empleados en algunos lugares, pero son más costosos que el empleo de cloro.

1.3.4 Tratamiento de lodos Los sólidos de aguas negras están constituidos por los sólidos que se eliminan en las unidades de tratamiento primario y secundario junto con el agua que se separa con ellos. Mientras que en algunos casos es satisfactoria la disposición de ellos sin someterlos a tratamiento, generalmente es necesario tratarlos de alguna forma para que su disposición final no cause molestias. Este tratamiento tiene dos objetivos, siendo el primero de estos en eliminar parcial o totalmente el agua que contiene los lodos, para disminuir su volumen en gran porción y, en segundo lugar, para que se descompongan los sólidos minerales u orgánicos relativamente estables.[Babbitt, 1983] Lo anterior se logra conla combinación de dos o más métodos: – Secandoen lechos de arena, cubiertoo descubiertos – Digestión con osin aplicación de calor – Acondicionamiento conproductos químicos – Elutriación – Secado – Incineración En el caso de la PTAR de la UCLV el sistema de tratamiento consta de, tratamiento preliminar, dentro de esta se encuentra un solo canal de entrada y el cribado, tratamiento primario, en este tratamiento el utilizado es tanque Imhoff para pequeñas localidades, el tratamiento secundario de la planta es empleado por filtros percoladores y sedimentador secundario. La PTAR no consta de otro tratamiento por el motivo de que el efluente no se utiliza para riego, consumo humano ni para descargarlo al mar. El agua residual al terminal su proceso sale de la planta con una DBO que según las normas pueden ser descargadas enlos ríos. 1.4 Plantas de tratamientos de aguas residuales Se denomina planta de tratamiento de agua residual, al conjunto deestructuras enlas que se trata el agua de manera que se vuelva apta para el consumo humano. Existen diferentes tecnologías para tratar el agua, pero todas debencumplir los mismos principios: Combinación de barreras múltiples (diferentes etapas del proceso de tratamiento) para alcanzar bajas condiciones deriesgos. – Tratamiento integrado paraproducir el efecto esperado. – Tratamiento por objetivo (cada etapa del tratamiento tiene una meta específica relacionada con algún tipo de contaminante. Si no se cuenta con un volumen de almacenamiento de agua, la capacidad de la planta debe de ser mayor que la demanda máxima diaria en el período de diseño. Además, una planta de tratamiento debe operar continuamente, aun con alguno de sus componentes

en mantenimiento; por eso es necesario como mínimo dos unidades para cada proceso de la planta. [Gómez, 2001] Tipos de plantas Plantas de agua residual de tecnología convencional: incluye los procesos de coagulación, floculación, decantación (o sedimentación) y filtración. Coagulación Es la desestabilización de las partículas coloidales causadas por la adiciónde unreactivo químico llamado coagulante el cual, neutralizando su carga electrostática, hace que las partículas tiendan a unirse entre sí. Floculación Es un proceso químico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado. Es un paso del proceso de potabilización del agua de origen superficial y del tratamiento de aguas servidas domésticas, industriales y de la minería. Tipos de floculación Floculación iónica: Mediante ella se modifican las moléculas disueltas en un fluido mediante la acción de los llamados floculadores iónicos, que son los elementos materiales compuestos por tubos de acero inoxidable, plata o cobre, que conectados en suextremó a polo de corrientes directa, positiva o negativa, generan la actividad iónica. Los floculadores iónicos sumergidos en el fluido producen un campo eléctrico de baja intensidad con actividad iónica constante, que incrementa la energía de los electrones de enlace, los átomos que componen las moléculas diluidas en el medio sufren un cambio en su estructura que las lleva a su forma más elemental, confirmandola teoríaelectrolítica de la disociación. Decantación En la decantación se separa un sólido o líquido más denso de otro fluido (líquido o gas) menos denso y que por tanto ocupa laparte superior de la mezcla. Procedimiento Es necesario dejar reposar la mezcla para que el sólido se sedimente, es decir, descienda y sea posible su extracción por acción de la gravedad. A este proceso se le llama desintegración básica de los compuestos o impurezas, las cuales son componentes que se encuentran dentro deuna mezcla, en una cantidad mayoritaria. Plantas de tratamiento de agua residual de filtración directa Incluye los procesos de coagulación-decantación y filtración rápida, y se puede incluir el procesode floculación.

Plantas de tratamiento de agua residual de filtración en múltiples etapas Incluye los procesos de filtración gruesa dinámica, filtracióngruesaascendente y filtración lenta enarena. [Gómez, 2001] En el mundo las PTAR se diseñan para tratar las aguas residuales salientes de hogares, hoteles e industrias, con el objetivo de no contaminar el ecosistema. Principalmente se proyectan haciendo un estudio del agua residual para saber el tipo de planta a realizar para que el efluente sea descargado a los ríos y al mar. Estas aguas con un tratamiento más profundo son utilizadas para la agricultura y en muchos casos en el consumo humano. Planta de Tratamiento de aguas Residuales en San Juan de Miraflores El crecimiento explosivo de las ciudades ha generado una acelerada y caótica urbanización de tierras de cultivo y ha obligado a darle prioridad al uso de aguas superficiales para consumo humano y la industria. Consecuentemente, la actividad agrícola ubicada en la periferia de las ciudades se ha visto afectada seriamente y se ha optado por el uso de aguas residuales como única alternativa de supervivencia. [Espinoza Paz,2010] Esto se refleja en la existencia de más de 500,000 Ha agrícolas irrigadas directamente con aguas residuales sin tratar. Lo que preocupa más aún es el riego de una superficie agrícola mucho mayor con aguas superficiales que al ser contaminadas por desagües urbanos, normalmente superen la calidad sanitaria para riego (Coliformes fecales y Helmintos) recomendada por la OrganizaciónMundial de la Salud. Con el fin de satisfacer las eficiencias de remoción requeridas, y de acuerdo con el resultado de la evaluación de alternativas, el sistema de tratamiento se integró con las unidades siguientes: [EspinozaPaz, 2010] 1) Rejillas mecánicas medias 2) Desarenador gravimétrico longitudinal 3) Lagunas aireadas 4) Lagunas de sedimentación 5) Lagunas de maduración o pulimento 6) Desinfecciónpor cloración 7) Lechos de secadodelodos Los sistemas de tratamiento de aguas residuales en casi la totalidad de los países de América Latina incumplen a nivel general de lo requerido en materia ambiental por la cantidad de agua contaminada y la poca infraestructura e inversión en estas plantas. [Lizarazo-Orjuela, 2013]

1.4 Metodologíageneralde diseño de unaplantade tratamiento de agua residual. Para el diseño de la planta es necesario tener en cuenta varios aspectos, primeramente, considerar las consideraciones de diseño para cada órgano en función, donde en el capítulo dos se realizará una metodología más específica para el caso de la PTAR en la UCLV. Para el cálculo del caudal de diseño hay varios autores que tienen métodos diferentes para llegar al resultadofinal como se muestra a continuación. Según [Espinoza Paz, 2010] para el cálculo de los caudales Medios, Mínimo y Máximo horario se pueden calcular por las siguientes expresiones. Gasto mínimo de aguas residuales Ec 1.1 Caudal Medio ( ) Ec 1.2 Gasto máximo de aguas residuales (Qmax) Ec 1.3 Para el cálculo de los caudales según [Blanco, 2010] se calcula primeramente los caudales domésticos, de infiltración, de aguas ilícitas e industriales. Para el Caudal medio varios autores tienen una metodología diferente. En el caso de [Blanco, 2010] el caudal máximo horario se calcula multiplicando unfactor de mayoración (F) por el caudal medio diario (Qmaxhor=F*QMED), donde el factor de mayoración se multiplica por el caudal medio diario, tiene en cuenta las variaciones en el consumo de agua por parte de la población, es la fórmula siguiente: Ec. 1.4

En el caso de [Villa, 2009] los caudales domésticos, de infiltración, e industriales se calculan de la misma forma que [Blanco, 2010], pero el caudal deaguas ilícitas estima un valor diferente al otro método. Para los caudales medio y de diseño se calculan de la misma forma que el método anterior, de la forma siguiente: Para el cálculo de los caudales según[Denacal, 1976] por lametodología es: Gasto de infiltración (Qinf). Para tuberías con juntas de mortero seles deberá asignar ungastode 10,000 L/ha/día. Para tuberías con juntas flexibles se les deberá asignar un gasto de5000 L/ha/día. Para tuberías plásticas 2L/hora/100 mde tubería y por cada25 mm de diámetro. Gasto medio (Qm). El gasto medio de aguas residuales domésticas se deberá estimar igual al 80% de la dotación del consumo de agua. Gasto mínimo de aguas residuales (Qmin). Para la verificación del gasto mínimo en las alcantarillas se deberá aplicar la siguiente relación: Ec 1.5 Gasto máximo de aguas residuales (Qmax). El gasto máximo de aguas residuales domésticas se deberá determinar utilizandoel factor de relación de Harmon. Ec 1.6 Donde: Qmax = Gasto máximo de aguas residuales domésticas. P= Población servida en miles de habitantes. Qm = Gasto medio de aguas residuales domésticas. Gasto de diseño (Qd). Ec 1.7 Qcom = Gasto comercial (7%)

Qind = Gasto industrial (2%) Qint = Gasto institucional o público (7%) Como se pudo apreciar anteriormente, hay diversas formas de calcular los gastos para diseñar una PTAR, teniendo en cuenta que el diseñador puede escoger la metodología siempre y cuando cumpla con los requerimientos establecidas. Diseño del canal de entrada. En el canal de entrada varios autores se refieren al diseño del canal de forma muy diversa respecto a cada norma existente en cada país de origen. A continuación, se realiza un resumen de las distintas metodologías de diseño paraun canal de entradade una PTAR. Según [BUSTOS MECÍAS, 2012] para el cálculo del canal de entrada la geometría es rectangular porque son mejores para la conducción del agua residual, primero saber las dimensiones de la misma, como el área del canal para poder calcular la velocidad, según este autor no asume el área del canaly se calcula por la expresión siguiente: Ec. 1.8 Donde Q es el caudal y v la velocidadde aproximación. En el caso del número de barra se calcula de igual forma, pero con una nomenclatura diferente. Según [Fair,Geyer y Okún- Allende, 2000], es despejando n de la formula Wc = s*n+ b(n+1) Ec 1.9 Mientras que [BUSTOS MECÍAS, 2012] lo hace de la formasiguiente: Ec. 1.10 Donde b es el ancho del canal, W es la separación entre barras y e va ser el espesor máximo de las barras todo en metro. La longitud sumergida de las rejillas varios autores como [BUSTOS MECÍAS, 2012] lo calculan de igual forma que [Fair, Geyer y Okún- Allende, 2000] lo que cambian es la nomenclatura de la formula por lo que se puede calcular de cualquier de los dos métodos de cadaautor. Long=h/sen Ec 1.11 Según [Fair, Geyer y Okún- Allende, 2000] para el cálculo de la cámara de rejas se necesita el cálculo del área sumergida que dentro de esta se encuentra el área de la sección del conducto tributario At=p*d2/4 Ec 1.12 Área sumergida de rejas

As= 200%*At Ec 1.13 Cálculo de la longitud sumergida ls=hmáx/sena Ec 1.14 Cálculo del ancho de lareja. W=As/ls Ec 1.15 Como segundo paso está el cálculo del número de barras, se calcula igual que [Fair, Geyer yOkún- Allende, 2000] wc = s*n+ b(n+1) Ec 1.16 En este paso varios autores tienen una forma distinta de hallarla como se explica a continuación, según este autor se calcula primeramente asumiendo una separación entre barras de b=2.5cm, luego se calcula de esta forma Wc = s*n + b(n+1), donde Wc es el ancho del canal, s es el diámetro de las barras, b la separación entre barras, n es el número de barras que va a tener la cámara derejas Revisando varias bibliografías las pérdidas de carga se calculan de la misma forma, lo que cambia es que algunos la multiplican por un coeficiente que sirve para rejas limpias, como ese coeficiente tiene valor a uno no afecta en nada al resultado que se puede obtener de la forma siguiente: Ec. 1.17 Donde: hc =Pérdida de carga E=Espesor máximo delas barras W=Separación entre barras ß=Factor dependiente de la forma de la barra = ángulo de inclinación de las barras V2/2g=Carga develocidad antes de la reja En los desarenadores, la metodología también varía según los diferentes autores señalados anteriormente. En el capítulo 2 se profundiza más sobres este órgano muy importante parael proceso dePretratamiento. En el tratamiento primario hay varios órganos diferentes para diseñar una PTAR según el tipo de agua residual, la localidad y la forma que se quiera proyectar, ejemplos son los

? A? ?-K*a *H? ? ? ? Tanques Imhoff, Tanques sépticos, Tanques de aireación, etc. En nuestra planta el tratamiento utilizado es de Tanque Imhoff. Revisando bibliografía el diseño de este tanque no varía mucho según los autores referenciados, más adelante se explica más detalladamente esta metodología. El tratamiento secundario puede ser con diferentes filtros biológicos, para su diseño varios autores como [Metcalf and Eddy, 1996],[Fair, Geyer y Okún- Allende, 2000],[BUSTOS MECÍAS, 2012], señalan que el diseño de los filtros percoladores, no se dispone de una ecuación universal. Diversos investigadores han propuesto ecuaciones para describir los procesos, tales son los casos de Atkinson, Eckenfelder, Bruce, Velez, NRC, Pontiakov- Benzenov, etc. En el caso de (CNI) Consejo Nacional de Investigación, sirve para estimar la eficiencia de filtros percoladores de rocas de una o dos etapas con distintas tasas de recirculación como: Ec 1.18

Ec 1.19 Donde E1=Eficiencia enla remoción deDBO de la primera etapa incluyendo el clarificador, % E2= Eficiencia enla remoción de DBO de la segundaetapa incluyendo el clarificador, % CO=Carga orgánica aplicada en la primera etapa, kg CO'= Carga orgánica aplicada en la segundaetapa, kg Vm=Volumen del medio filtrante, m3 F=factor de recirculación para cualquiera de las etapas, adimensional El factor de recirculación puedecalcularse dela forma siguiente: Ec 1.20 Donde r es el caudal recirculado/caudal del efluente,adimensional El método de Eckenfelder Según [Valdez, 2003] se basa en laoxidación biológica mediante una reacción de primer orden. Se calcula de la forma siguiente: ? ? ? ? ? n m ?Q? =e Se Si Ec 1.21

Donde: K= velocidad de reacción observada (m/d) 3 a= área específica de laempaquetadura (m2/m) H= profundidad del filtro(m) my n= constantes, el valor de m oscilaentre 0.3 y 1.5y el de n entre 0.2 y 1.1. El valor de K varía conla temperatura; K= K293*C (T-293) Ec 1.22 Donde: C= coeficiente entre 1.02 y 1.14 T= temperatura en grados Kelvin. Según [Valdez, 2003] el modelo de Velez utiliza una reacción de primer orden y como variable de diseño utiliza la DBO ultima total. LD L =e-K'*D Ec 1.23 Donde: L= DBO aplicada al lecho, la que es removible, nunca es mayor del 90% de (Lo), donde Lo es igual a la DBO aplicada, (mg/l). LD= DBO aplicada que permanece enel agua a la profundidad D, (mg/l). K’= razón de remoción (0.57 para filtros de baja carga y 0.49 parafiltros de alta carga, en la práctica 0.5) D= profundidad del lecho, (m). Cuando se utiliza recirculación,la DBO última aplicada se calcula como: LD= (Lo+R*Le)/(1+E) Ec 1.24 Donde: LD= DBO última aplicada después de la dilución por larecirculación Le= DBO última del efluente E= eficiencia deremoción Según [Valdez,2003] paraeldiseñopor lasecuaciones del NRC (National Research Council) son: W V *F 1 1+ 0.442* E1 = Ec 1.25 Donde:

?1+ ? 1- E1 E1= fracción de eficiencia removida en el proceso, incluyendo la recirculación y sedimentación final en la primera etapa. W= carga de DBO en el filtro (Kg/d) V= volumen del medio filtrante(m3) F= factor de recirculación, 2 ? R ? ? 10? 1+ R F = Ec 1.26 (F) se define como el número de pasadas efectivas a través del filtro. Cuando no hay recirculación es igual a1. (R), es la razónrecirculación Qr/Q En la segunda etapa es: 1 0 . 442 * W' V *F 1+ E2 = Ec 1.27 Donde; E2= es la eficiencia fraccional de DBO removida por el proceso en la segunda etapa, incluyendo la recirculación y lasedimentación final. W’= carga de DBO en el filtro en la segunda etapa. Utilizaremos el de la NRC que es la más utilizada, en el capítulo dos se hace un resumen más detallado de esta metodología de diseño. El diseño del sedimentador secundario puede ser rectangular, donde estos tipos de sedimentadores son construidos en zonas con poca disponibilidad de terreno, la remoción de lodos es más complicada por su geometría. También pueden ser circulares,que son de uso común enplantas de tratamiento, ya que se puede lograr una buena remoción de lodos. De estos sedimentadores, es necesario saber si se encuentra a continuación del filtro percolador o de otro órgano de la planta. La metodología varía según a continuación de que órgano se encuentre, como en nuestro caso está a continuación del filtro percolador la metodología se profundiza en un capitulo posterior. – Lechos de Secado Según [Harol E, 1961] los lechos de secado de lodos son generalmente el método más simple y económico de deshidratar los lodos estabilizados (lodos digeridos), lo cual resulta ideal para pequeñas comunidades.

Puedenserconstruidosde mampostería,de concreto o de tierra (con diques), con profundidad total útil de 50 a 60 cm. El ancho de los lechos de secado es generalmente de 3 a 6m,peropara instalaciones grandes pueden sobrepasar los 10m. Pueden ser construidos de mampostería, de concreto o de tierra (con diques), con profundidad total útil de 50 a 60 cm. El ancho de los lechos de secado es generalmente de 3 a 6m, peropara instalaciones grandes pueden sobrepasar los 10m. – El medio de drenaje es generalmente de 0.30m de espesor y deberá tener los siguientes componentes: – El medio de soporte recomendado está constituido por una capa de 0.15m formada por ladrillos colocados sobre el medio filtrante, con una separación de 0.02 a 0.03m llena de arena. – La arenaes el medio filtrante y deberátener un tamaño efectivo de0.3 a 1.3 mm – Debajo de la arena se deberá colocar un estrato degrava graduadahasta.20mde espesor. Figura1.6 Vista del lecho de secado Considerando el número de aplicaciones al año, verificar que la carga superficial de sólidos aplicado al lechode secado seencuentre entre 120 a200 Kg de sólidos/ (m²*año). Medio deDrenaje El medio de drenaje es generalmente de 0,30 de espesor y debe tener los siguientes componentes:

– El medio de soporte recomendado está constituido por una capa de 15 cm. Formada por ladrillos colocados sobre el medio filtrante, con una separación de 2 a 3 cm. llena de arena. – La arena es el medio filtrante y debe tener un tamaño efectivo de 0,3 a 1,3 mm., y un coeficiente de uniformidad entre 2 y 5. – Debajo de la arena se deberá colocar un estrato de grava graduada entre 1,6 y 51 mm (1/6” y 2”) de 0,20 m deespesor. [Harol E, 1961] Según [BLANCO Y LEOON, 2010] la metodología es parecida lo único que varía son algunos parámetros que no sonimportantes ala horadel resultado. Esta metodóloga explicada anteriormente da a conocer que se puede diseñar una PTAR de diferentes formas siempre y cuando se cumpla con las Normas vigentes de cada región donde se diseñe. En nuestro caso tomaremos una secuencia de pasos más específica parala PTAR de la UCLV. A continuación,se muestra unesquema en planta dela PTAR de la UCLV. Figura 1.7 Esquema 1 (Vista enplantade la PTAR de la UCLV) Donde 1. Entrada del agua residual procedente de los diferentes puntos dela Universidad. 2. Cámara de rejas. 3.Tanque Imhoff. 4.Registro de lodo del tanque Imhoff. 5.Filtro percolador. 6.Sedimentador secundario. 7.Estación de bombeo. 8.Lechode secado. 9.Registro de salida del residual haciael río Ochoa.

1.6 Tendencias actuales en el mantenimiento de las PTAR La selección de tecnología más apropiada para tratar un vertido residual, en el primer paso, es realizar algunos estudios preliminares que implican un análisis completo del afluente que va a ser depurado con el fin de determinar el grado de contaminación existente y, el nivel de calidad que se desea en el agua tratada deacuerdo al objetivo del tratamiento. Otro aspecto importante es el nivel económico de la población en donde se desarrollará el proyecto, manteniendo el equilibrio coste-rendimiento, para que el tratamiento aplicado sea sostenible y eficiente. Por lo tanto, los factores a tener en cuenta en la toma de decisión final del tipo de tratamiento a implantar son los que semencionan a continuación: – Factores demográficos: población, serviciode agua potable y alcantarillado. – Objetivos del tratamiento. – Características del terreno:pendiente, profundidad del nivel freático. – Características del medio receptor (suelo): Caracterización físico-química e hidráulica. – Caudales devertido. – Características básicas del afluente: carga orgánica, concentración bacteriana, metales, pesticidas,temperatura, caudales. – Disponibilidad del terreno. – Climatología: (precipitaciones, vientos, evapotranspiración, temperatura). – Impacto ambiental. – Costos de construcción, operacióny mantenimiento. – Eficiencia del tratamiento. 1.6.1 Tendencias en el empleo de tecnologías intensivas. En las tecnologías intensivas, en función de cómo se encuentre la biomasa responsable de la degradación de los contaminantes, se distingue entre procesos con biomasa en suspensión (procesos de fangos activos) y procesos con biomasaadherida (procesos de biopelícula). En el grupo de los procesos de fangos activos el proceso más experimentado y extendido es el de Aireación Prolongada. Menos frecuente, en este rango de población, son los Reactores Secuenciales (Sequential Batch Reactor, SBR) cuya implantación se encuentra actualmente en expansión. En los últimos años se están introduciendo también los Biorreactores de Membranas (Membrane Bioreactor, BRM), pero fundamentalmente en el ámbito de las urbanizaciones o centros vacacionales con capacidad para asumir la complejidad de explotación de esta tecnología y sus altos consumos energéticos. Dada la falta de información sobre el comportamiento de los MBR en pequeñas aglomeraciones, no se contemplan en este artículo. [MEDINA, 2012] En el ámbito de los procesos de biopelícula, las tecnologías más empleadas y contrastadas vienen representadas por los Lechos Bacterianos y los Contactores

Biológicos Rotativos (Rotating Biological Contactors, RBC). Como tecnologías con un desarrollo más reciente en el ámbito de las pequeñas aglomeraciones se encuentran los Lechos Aireados Sumergidos (Submerged Aerated Filter, SAF) y los Procesos Híbridos (Integrated Fix-film Activated Sludge, IFAS), que combinan procesos de biopelícula con procesos de biomasa en suspensión. Se describe a continuación la situación actual de las tecnologías mencionadas, centrándose, especialmente, en los Reactores Secuenciales y los Lechos Aireados Sumergidos. Aireación Prolongada Como se ha comentado anteriormente es la tecnología más implantada actualmente en el rango de las pequeñas poblaciones, pese a que su aplicación a pequeña escala presenta complicaciones, principalmente relacionadas con la etapa de clarificación, que debe hacer frente a las fuertes variaciones de caudal que experimentan a lo largo del día las aguas residuales generadas en las pequeñas aglomeraciones urbanas. Estas variaciones dan lugar a sobrecargas hidráulicas, que provocan la fuga de fangos en los efluentes depurados, conla consiguientepérdida de calidad de los mismos. [Barjenbruch, 2012] Pese a todo, las instalaciones basadas en la tecnología de Aireación Prolongada, con un buen diseño y operación, permiten obtener efluentes tratados de elevada calidad,a la vez que se adaptan fácilmente parala eliminación de nitrógeno. [Barjenbruch,2012] Reactores Secuenciales (SBR) El empleo de estos reactores está especialmente indicado para el tratamiento de aguas residuales generadas de forma discontinua, o irregular, lo que justifica su aplicación, cada vez mayor, en el rangode las pequeñas aglomeraciones urbanas. Los SBR operan a baja carga y se caracterizan porque las fases de depuración del agua residual y la de separación del fango transcurren en el mismo depósito, extrayéndose el agua tratada del reactor de forma discontinua. Por ello, son más compactos que los sistemas de Aireación Prolongada, al integrar la etapa de decantación, lo que no hace necesario el bombeo de recirculación de fangos al reactor. Otra ventaja adicional estriba en que los SBR aseguran una decantación hidráulicamente estable. [Barjenbruch, 2012] Figura 1.8 Reactores biológico Fuente: [Barjenbruch, 2012]

Lechos Bacterianos Constituyen la tecnología de biopelícula más extendida, contando con una larga tradición en el campo de la depuración de aguas residuales y que, con la aplicación como relleno de nuevos materiales plásticos, ha solventado antiguos problemas de colmatación del sustratofiltrante. Los Lechos Bacterianos tienen un consumo energético inferior al de los procesos de fangos activos (0,6-0,9 kWh/kg DBO5), presentando una buena tolerancia a sobrecargas hidráulicas y orgánicas puntuales. Además, como el resto de procesos debiopelícula, son más adecuados que los procesos de fangos activos para el tratamiento de aguas residuales diluidas. [Barjenbruch, 2012] Figura 1.9 Lechos Bacterianos 1.6.2 Combinación de tecnologías de tratamiento. En determinadas ocasiones, la aplicación de una tecnología aislada no permite alcanzar la calidad exigida al efluente final. En estos casos, es posible optar por lacombinación de dos o más tecnologías, o de algunas de sus etapas, al objeto de aprovechar los puntos fuertes que presente una tecnología para solventar las deficiencias y carencias deotra y, de esta manera, crear sinergias. La combinación de tecnologías, además de permitir el vertido conforme de las aguas depuradas al medio ambiente, también puede perseguir otros fines,como: – El vertidode los efluentes depurados al terreno cuando no existe caucepróximo. – Homogeneizar lacalidad del vertido final. – Eliminar nutrientes.

Entre las combinaciones de tecnologías más frecuentes cabe destacar: – La implantación de una etapa anaerobia en cabecera del sistema de tratamiento para facilitar la gestión de los fangos en exceso. – El uso delagunas de maduración como tratamiento de desinfección. – El empleo de humedales artificiales de flujo vertical en sustitución de la etapa de decantación secundaria. [Barjenbruch, 2012] 1.7 Conclusiones parciales. Después de realizada la búsqueda bibliográfica sobre el tratamiento de agua residual, y la situación actual de la PTAR en la UCLV arribamos a las siguientes conclusiones parciales: 1. Existen diferentes procedimientos a la hora de tratar las aguas residuales que están relacionado con las posibilidades económicas de la inversión. 2. Existen deficiencias e insuficiencias en el sistema detratamiento delos residuales líquidos instalado en la UCLV, lo cual no permite la realización de untratamiento con calidad, parano afectar la composición del río Ochoa. 3. Teniendo en cuenta la dotación que debe verter a esta planta sehace imprescindible su reparación.

Capítulo 2.

Capítulo 2: Estudio In situ de las PTAR en la UCLV 2.1 Introducción. En este capítulo se realiza a un estudio y diagnóstico de cada una de los órganos que integran el sistema de tratamiento instalado de acuerdo a lo reportado en la bibliografía consultada. A partir de la valoración anterior se procederá al análisis de las deficiencias existentes en el sistema, para poder tributar un efluente que reúna los requisitos mínimos establecidos por las legislaciones vigentes según [NC 133-2002] 2.2 Diagnóstico de la PTAR de la UCLV. Cualquier análisis que se pretenda realizar, tiene necesariamente que partir de la identificación del proceso que se desee analizar, delos fenómenos de naturalezaquímica, física y/o biológica que en este tengan lugar por un lado y por otro, del conocimiento de las características y posibilidades técnicas del equipamiento instalado, teniendo presente en adición, un conjunto de factores relacionados con el procedimiento operacional en el que, por supuesto, el factor humano tiene unaalta incidencia en los resultados. Partiendo de su concepción, debe exponerse que la actual planta de tratamiento de residuales se estimó para una población de 3500 habitantes distribuida de la forma siguiente: Tabla 2.1Tabla de gastos por cantidadde habitantes Tabla 2.2 Resultado de los gastos en los años mostrados.

Es técnicamente inapropiado disminuir los niveles de contaminación de un líquido residual con el empleo de agua potable, y económicamente es un absurdo. Todo ello impone la necesidad urgente de reparar las redes de suministro, y alejar cualquier posibilidad, de considerar un éxito la disminución del contenido de materia orgánica en el residual por esta vía, que no es un curso receptor de gran caudal, sino una fuente desuministro para el consumo social. En adición, cualquier sistema que se proyecte o diseñe para la Universidad, quedará sujeto a un cierto nivel de incertidumbre, dada en lo fundamental por las diferencias sustanciales que pueden existir de un curso escolar a otro, en función de los planes y estrategias que inciden directamente en el número de habitantes a considerar debido a la proyección de matrícula., lo que hizo que lo proyectado para el 1964 (3500 habitantes), fuera insuficiente en el curso 2002/2003 (más de 12000 habitantes), lo que impone un análisis previo con la institución y no obstante, ello estará en función de situaciones concretas. Teniendo como complemento los aspectos señalados anteriormente, se realizará un análisis comparativo de las insuficiencias que presenta la planta de tratamiento de acuerdo con los objetos de obra que la componen. Para una mejor comprensión es preciso presentar la secuencia de etapas que conforman el sistema para asimilar y tratar el aporteprevisto en sudiseñooriginal. Cámarade rejas El afluente a la Planta de Tratamiento es recibido en una cámara de rejas, la cual está construida de hormigón armado, tiene forma octogonal y mide 3.15 m de largo por 1m de ancho (Fig. 2.1). La misma consta de una reja de 35 barras verticales, separadas 2cm entre sí, con una inclinación de 45º y ubicada a unos 0.80 m de la entrada. Este aditamento se utiliza para retener los sólidos gruesos existentes en el agua residual – entre ellos los de origen fecal–, y de esta forma facilitar la operación en las etapas posteriores, asícomo proteger las bombas, válvulas, conductos y otros elementos contra los posibles daños y obstrucciones provocados por la presencia de tejidos y objetos de gran tamaño. El método utilizado parala limpieza deesta reja es manual. En la actual planta no se define una cámara desarenadora. Este dispositivo es muy importante ya que las partículas cuársicas son no biodegradables, tiene un elevado peso específico y pueden causar interferencia en los procesos posteriores. Se recomienda la ubicación de este dispositivo con dos cámaras y limpieza manual, su operación es muy elemental. Cuando una cámara sale de servicio para su limpieza la otra queda funcionando, estas operaciones se hacen enlas horas de gasto mínimo.

Figura 2.1 (Cámara de reja) Tanque Imhoff El efluente líquido procedente de la cámara de rejas pasa al tanque Imhoff (Fig. 2.2). Este tanque es una unidad compuesta por dos cámaras de iguales dimensiones, donde se producen simultáneamente la sedimentación de los sólidos suspendidos y la digestión anaeróbica de los lodos digeridos. La zona de sedimentación está constituida por un canal rectangular por donde escurre el líquido hasta su salida. Mientras circula el líquido se separa la fase sólida que sedimenta y pasa al sector de digestión,a través de orificios en el fondo del canal. El canal tiene dos sectores: el superior de sección rectangular (8.20 m) y el inferior de sección triangular con 3.50 m de profundidad, en cuyo vértice se encuentran los orificios de salida de los sólidos sedimentados. El lodo que se concentra 2 en la tolva se extrae periódicamente por un registro de 1m de longitud y es trasportado por gravedad, mediante conductos circulares de 8 pulgadas y pendiente de 3%, al lecho de secado. Según (Díaz, B.R. 1987) y el sitio, en el proceso de sedimentación primaria el porcientode remoción de materia orgánica debe oscilar entre un 20y un 40%. Figura 2.2 (Tanque Imhoff) Filtro percolador El fluido líquido procedente del tanque Imhoff, conteniendo el material fino suspendido y en estado coloidal, es sometido a un tratamiento biológico en el filtro percolador (Figura 2.3). Este equipo tiene la función de degradar biológicamente contaminantes presentes en el líquido cloacal, tanto en solución como en suspensión. En este sistema se distribuye el

efluente primario (tratado en tanques Imhoff), sobre un medio filtrante de piedra gruesa, en forma de sombrilla cortada por el aire, para su oxigenación. El fluido líquido procedente del tanque Imhoff, conteniendo el material fino suspendido y en estado coloidal, es sometido a un tratamiento biológico enel filtropercolador. Este medio filtrante es sumamente permeable, al cual los microorganismos se adhieren y a su vez se filtra el agua residual. Lapelículade microorganismos que se desarrolla sobre el medio filtrante estabiliza el contenido de materia orgánica. El filtro instalado es un depósito de hormigón armado, que posee cinco canales longitudinales de 20cmdeancho, 18cm deprofundidad y separados entre sía una distancia de2.70m. El canal principal de alimentación al filtro está situado al centro y perpendicular a los canales de distribución, lo que permite la alimentación del líquido a todos o indistintamente a un grupo seleccionado. Cada canal instalado tiene 7 tubos de acero, espaciados equitativamente, encargados de lograr un esparcimiento del líquido en el aire antes de alcanzar el lecho filtrante, debido a que el fluido cae sobre un tubo empotrado y luego atraviesa el lecho. Dicho filtro posee 21m de largo por 15 deancho,y se encuentra relleno de piedras y grava, sobre las cuales se vierte el efluente lo más uniformeposible. La grava se encuentra a 0.90m del extremo superior del tanque y tiene 1.90m de profundidad. EL filtro posee un sistema de desagüe inferior, en el cual se recoge el agua tratada y los sólidos biológicos que se han separadodel medio, y son conducidos hacia el sedimentador secundario. Según los datos reportados en la bibliografía, vemos que la remoción en esta etapapuede alcanzar hastaun valor de 90%. Figura 2.3 (Filtro percolador) Sedimentador secundario El sedimentador secundario tiene una longitud de 10m de largo y está formado por dos compartimientos de 2.45m de ancho cada uno, para un ancho totalde 4.90m(Figura 2.4). El efluente del sedimentador, es expedido hacia una zanja afluente del Río Ochoa, por un tubo situado 25cm por debajo del nivel de rebozo del tanque. El lodo que se deposita en este tanque, debe ser periódicamente bombeado y conducido al lecho de secado. El porcientode remoción que se reporta en la bibliografía es de20%.

Figura 2.4 (Sedimentador secundario) Figura 2.5 (Caseta de bombas) Figura 2.6 (Barandas de protección)

Figura 2.7 (Lecho de secado) Los residuos sólidos se dirigen al lecho de secado (Figura 2.7), enel queson distribuidos uniformemente. Estos equipos son tanques de profundidad reducida con arena y grava sobre drenes, destinado a la deshidratación de lodos por filtración y evaporación. Los lechos de secado son generalmente el método más simple y económico de deshidratar los lodos estabilizados. El lecho instalado es de concreto y posee 10mdelargo por 7mde ancho y consta de un canal de distribución central de 0.60m de ancho, situado a unos 3.20m del extremo lateral, es de forma rectangular, está cubierto de hierbas y el canal de alimentación de lodo está prácticamente destruida por razones similares a las expuestas con anterioridad para las etapas consideradas en la secuencia de operaciones. En adición a lo expresado, pero dirigiendo la atención al análisis de los riesgos y la seguridad durante la operación y control de los flujos de alimentación y salida de los diferentes objetos de obra, debe señalarse que todas las barandas de protección están destruidas y/o en situación tal, que no permiten el trasiego de forma confiable y segura durante la operación del sistema de control de la alimentación. El efluente del sedimentador secundario por sus características, debía ser sometido, como al inicio, a un proceso de acabado por tratamiento de cloración, aspecto que tampoco se cumple en la actualidad y las aguas son descargadas directamente al río Ochoa que, por esta razón, aguas abajo debe ser objeto de chequeo y análisis con advertencias para las comunidades rurales que de sus aguas se sirven. Este chequeo no puede ser puntual en horario fijo, sino distribuido en un período de tiempo apropiado, de modo que puedan recogerse en los resultados, las incidencias del caudal en diferentes situaciones horarias, excluyendo aquellas derivadas de grandes crecidas por precipitaciones intensas. El análisis (en síntesis) realizado permite concluir que, en la práctica, los residuos líquidos originados en el recinto universitario, aun cuando pasan en un por ciento dado por la planta, no reciben un tratamiento adecuado y puedenser portadores de enfermedades y/o

de agentes contaminantes de naturaleza variada, que pueden afectar la salud humana y el propioecosistema del área de vertimiento con un impacto ambiental negativo. Resulta conveniente volver a insistir en el hecho de que, en realidad, el flujo de aguas negras aportados por la UCLV no es invariable y aun cuando no exista el despilfarro actual de agua potable que incrementa su caudal (y el consiguiente costo sin respuesta productiva), estará en dependencia dela matrícula anual. Por otro lado, la situación podría adquirir el carácter de crítica o peligrosa, unido a los trabajos que se emprendan no se realiza un estudio detallado de estas aguas desde el punto de vista microbiológico, existiendo en el centro las instalaciones y el personal calificadopara tal propósito o empeño. 2.4 Metodología de diseño de la PTAR de la zonacentral de laUCLV La metodología de cálculo se ha determinado promediando los resultados de varias bibliografías consultadas, pudiéndose transformar este diseño parala planta ubicada en la zona central de UCLV de tal forma quecumpla con lanorma de PTAR. 1- CALCULO DE LOS SEGMENTOS DEL DISEÑO.

Diseño Hidráulico de la Planta de tratamiento de agua residual. Para el diseño de una PTAR, lo primero es saber los gastos con los cuales se diseñará cada órgano, a continuación, se muestra la secuenciade pasos a seguir para su diseño. Los gastos son: – Gasto medio de aguas residuales domésticas. – Gasto de mínimo de aguas residuales – Gasto de máximo horario de aguas residuales