OPTIMIZACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DEL MUNICIPIO DE BOJACÁ-CUNDINAMARCA

JEAN PIERRE GONZALEZ SILVA KATHERINE ALEXANDRA GÓMEZ ORTEGA

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ 2016

OPTIMIZACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DEL MUNICIPIO DE BOJACÁ-CUNDINAMARCA

JEAN PIERRE GONZALEZ SILVA KATHERINE ALEXANDRA GÓMEZ ORTEGA

Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero Civil

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ 2016

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Nota de aceptación:

________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________

_____________________________________ Ing. Director de Proyecto

_______________________________ Firma del presidente del Jurado

________________________________ Firma del Jurado

________________________________ Firma del Jurado

Bogotá, 28 de Octubre 2016

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Agradezco inicialmente a Dios por permitirme realizar este proyecto, a mi padre y mis dos hermanas que siempre han sido un apoyo incondicional dándome fuerzas para seguir adelante con mis propósitos, a mi novio le agradezco por su amor, por su paciencia, ya que a veces nos estresábamos por este proyecto, pues él hace el papel de mi compañero de trabajo en la tesis, me ha brindado tanto amor y fuerzas para cumplir este proyecto juntos cogidos de la mano. Katherine Alexandra Gómez Ortega.

Agradezco a Dios por permitirme llegar hasta este punto de mi carrera, es aquí donde se empiezan a ver los frutos de tantos esfuerzos durante el ciclo de mi carrera, le agradezco a mis padres que sin el apoyo de ellos no hubiera podido culminar con mis estudios, por ser mi apoyo incondicional y estar siempre ahí dándome fuerzas

para

seguir,

le

agradezco

a

mi

compañera de trabajo la cual es mi novia y la mujer que me acompañara a terminar este ciclo de mi vida de una manera satisfactoria, sin importar las pequeñas discusiones y la tensión de los trabajos de la universidad, juntos cogidos de la mano pudimos terminar con este proyecto. Jean Pierre González Silva.

5

1.

TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN. ......................................................................................... 20

2.

ANTECEDENTES ......................................................................................... 22

3.

OBJETIVOS .................................................................................................. 23

3.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................... 23 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................... 23 4.

PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ............................. 24

5.

METODOLOGÍA ........................................................................................... 25

6.

MARCO CONECPTUAL ............................................................................... 27

7.

ESTADO DEL ARTE ..................................................................................... 32

7.1 TRATAMIENTO BIOLOGICO DE LAS AGUAS RESIDUALES ...................... 32 7.1.1 PROCESO AEROBIO ................................................................ 33 7.1.2 METABOLISMO MICROBIAL ..................................................... 33 7.2 LODOS ACTIVADOS..................................................................................... 36 7.2.1 FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS..... 36 7.2.2 LODOS GENERADOS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ..................................................................................... 38 7.2.3 CARACTERISTICAS DE LOS LODOS ...................................... 38 7.2.4 ORIGEN DE LOS LODOS .......................................................... 39 7.2.5 TIPO DE LODOS ....................................................................... 39 7.2.6 TRATAMIENTO DE LODOS ...................................................... 41 7.3 ZANJON DE OXIDACIÓN.............................................................................. 45 7.3.1 ORIGEN DE LOS ZANJONES DE OXIDACIÓN ......................... 45 7.3.2 TIPOS DE ZANJÓN DE OXIDACIÓN ......................................... 45 6.3.3 ESTRUCTURA DEL ZANJON DE OXIDACION CONVENCIONAL51 8.

DISEÑO ZANJON DE OXIDACION MUNICIPIO DE BOJACÁ ...................... 60

8.1 DETERMINACIÓN DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA ............. 60 8.2

ESTIMACIÓN DE LA POBLACIÓN DE DISEÑO ....................................... 62

8.3 PERIODO DE DISEÑO .................................................................................. 62

6

8.3.1 MÉTODO DE CÁLCULO ............................................................ 63 8.4 CÁLCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO .......................................................... 66 8.4.1 DOMÉSTICAS (Qd).................................................................... 67 8.4.2 Caudal Máximo Horario (QMH) .................................................. 72 8.4.3 CAUDAL DE DISEÑO ................................................................ 74 8.5 CRIBADO ...................................................................................................... 76 8.5.1 PÉRDIDAS EN REJILLAS .......................................................... 76 8.6 DESARENADOR ........................................................................................... 79 8.8 ZANJÓN DE OXIDACIÓN.............................................................................. 85 8.9 SEDIMENTADOR SECUNDARIO ................................................................. 89 8.10 EDAD DE LODOS. ...................................................................................... 91 8.11 LECHO DE SECADO ................................................................................ 100 8.12 CONDICIONES DE LAS CARACTERISTICAS FÍSICO-QUIMICAS DE LA OPTIMIZACION DE LA PTAR ........................................................................... 108 8.12.1 PORCENTAJE DE REMOCIÓN DE DBO .............................. 109 8.12.2 PORCENTAJE DE REMOCIÓN DE SOLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES.......................................................................................... 109 8.13 ESPECIFICACIONES Y GRAFICA DE LA BOMBA ................................... 110 9.

CONCLUSIONES ....................................................................................... 112

10. RECOMENDACIONES ............................................................................... 114 11. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 116 ANEXOS ........................................................................................................... 119 PLANO ZANJONES DE OXIDACIÓN. ............................................................... 119 PLANOS CORTES, ESTRUCTURAS QUE COMPONEN LA OPTIMIZACIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DEL MUNICIPIO DE BOJACÁ. 119

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LISTA DE ILUSTRACIONES

ILUSTRACIÓN 1 METABOLISMO MICROBIAL .................................................. 33 ILUSTRACIÓN 2 ESPESADOR POR GRAVEDAD. ............................................ 42 ILUSTRACIÓN 3 LECHO DE SECADO. .............................................................. 43 ILUSTRACIÓN 4 CICLO DE OPERACIÓN DEL CANAL TIPO A......................... 46 ILUSTRACIÓN 5 CANAL DE OXIDACIÓN TIPO D ............................................. 47 ILUSTRACIÓN 6 CANAL DE OXIDACIÓN TIPO T .............................................. 48 ILUSTRACIÓN 7 CICLO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA BIODENITRO .......... 50 ILUSTRACIÓN 8 ESQUEMA DE UNA PLANTA BIODENIPHO. .......................... 51 ILUSTRACIÓN 9 PLANTA DE TRATAMIENTO CON ZANJÓN DE OXIDACIÓN. 52 ILUSTRACIÓN 10 ROTOR DE AIREACIÓN........................................................ 53 ILUSTRACIÓN 11 CEPILLOS DE AIREACIÓN. .................................................. 53 ILUSTRACIÓN 12 AIREADOR DE CEPILLO DE EJE HORIZONTAL. ................ 55 ILUSTRACIÓN 13 AIREADOR DE EJE VERTICAL............................................. 55 ILUSTRACIÓN 14 AIREACIÓN DIFUSA. ............................................................ 57 ILUSTRACIÓN 15 AIREADORES DE TURBINA. ................................................ 58

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LISTA DE TABLAS

TABLA 1. PROPIEDADES FÍSICO QUÍMICAS DE PTAR MUNICIPIO BOJACÁ 22 TABLA 2 POTENCIA DEL EQUIPO Y DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE. .... 58 TABLA 3 EQUIPOS DE AIREACIÓN. .................................................................. 59 TABLA 4 ASIGNACIÓN NIVEL DE COMPLEJIDAD. ........................................... 60 TABLA 5 CENSOS DE POBLACIÓN-BOJACÁ. .................................................. 61 TABLA 6 PERÍODO DE PLANEAMIENTO DE REDES DE RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES Y LLUVIAS. .................................................................................. 63 TABLA 7 AÑOS DE PROYECCIONES. ............................................................... 64 TABLA 8 PROYECCIONES AÑO 2016. .............................................................. 64 TABLA 9 PROYECCIONES AÑO 2021. .............................................................. 65 TABLA 10 PROYECCIONES AÑO 2026. ............................................................ 65 TABLA 11 PROYECCIONES AÑO 2031. ............................................................ 65 TABLA 12 PROYECCIONES AÑO 2036. ............................................................ 66 TABLA 13 RESUMEN DE PROYECCIONES. ..................................................... 66 TABLA 14 DOTACIÓN NETA SEGÚN EL NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA. 67 TABLA 15 DOTACIÓN NETA BOJACÁ. .............................................................. 68 TABLA 16 INCREMENTO CONSUMO. ............................................................... 69 TABLA 17 CONSUMO NETO. ............................................................................. 70 TABLA 18 COEFICIENTE DE RETORNO DE AGUAS SERVIDAS DOMÉSTICAS.70 TABLA 19 CAUDAL DOMÉSTICO. ..................................................................... 71 TABLA 20 CAUDAL MEDIO DIARIO. .................................................................. 71 TABLA 21 COEFICIENTE DE MAYORACIÓN PROMEDIO. ............................... 74 TABLA 22 CAUDAL MÁXIMO HORARIO ............................................................ 74 TABLA 23 RESUMEN DE CAUDALES. ............................................................... 76 TABLA 24 RESUMEN DEL DISEÑO DE CRIBADO. ........................................... 79 TABLA 25 RESUMEN DE DISEÑO DE AIREACIÓN ........................................... 84 Tabla 26 RESUMEN DE DATOS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO DE LA AIREACIÓN ............................................................................................................................ 85 TABLA 27 PARÁMETROS PARA DISEÑO DEL ZANJÓN DE OXIDACIÓN. ....... 86 TABLA 28 PARÁMETROS DBO SALIENTE CORREGIDA ................................. 92 Tabla 29 RESUMEN DATOS DE BIOMASA ........................................................ 93 TABLA 30 RESUMEN DEL VOLUMEN DE LA BIOMASA ................................... 94 TABLA 31 RESUMEN DEL TIEMPO DE RETENCIÓN ....................................... 94 Tabla 32 RESUMEN DE PRODUCCIÓN DE LODOS .......................................... 95 Tabla 33 RESUMEN LODO SECO ...................................................................... 96 Tabla 34 RESUMEN DE CAUDAL DESECHO .................................................... 97

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Tabla 35 RESUMEN CAUDAL DE RECIRCULACIÓN ........................................ 98 Tabla 36 RESUMEN RELACIÓN DE RECIRCULACIÓN ..................................... 98 Tabla 37 RESUMEN DÉFICIT DE OXÍGENO ...................................................... 99 Tabla 38 DATOS DE LODO PRIMARIO ............................................................ 100 Tabla 39 DATOS REQUERIDOS PARA EL LECHO DE SECADO-1 ................. 107 Tabla 40 DATOS REQUERIDOS PARA EL LECHO DE SECADO-2 ................. 107 Tabla 41 DATOS REQUERIDOS PARA EL LECHO DE SECADO-3 ................. 107 Tabla 42 DATOS REQUERIDOS PARA EL LECHO DE SECADO-4 ................. 108 Tabla 43 DATOS LODO DIGESTOR ................................................................. 108 Tabla 44 DATOS POTENCIA DE LA BOMBA 110

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LISTA DE GRAFICAS

GRÁFICA GRÁFICA GRÁFICA GRÁFICA

1 ETAPAS DEL DESARROLLO BACTERIANO ................................. 35 2 CENSOS DE POBLACIÓN- BOJACÁ. ............................................ 61 3 TASA DE TRANSFERENCIA NOMINAL DE OXÍGENO. ................ 82 4 POTENCIA DE LA BOMBA ........................................................... 111

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LISTA DE ECUACIONES

ECUACIÓN 1 MÉTODO GEOMÉTRICO. .............................................................63 ECUACIÓN 2 CAUDAL DOMÉSTICO. .................................................................67 ECUACIÓN 3 INCREMENTO DE POBLACIÓN. ...................................................68 ECUACIÓN 4 CONSUMO NETO. .........................................................................69 ECUACIÓN 5 CONSUMO NETO. .........................................................................69 ECUACIÓN 6 CAUDAL DOMÉSTICO IGUAL A CAUDAL MEDIO DIARIO. .........71 ECUACIÓN 7 CAUDAL MÁXIMO HORARIO. .......................................................72 ECUACIÓN 8 FACTOR DE MAYORACIÓN-HARMON .........................................72 ECUACIÓN 9 FACTOR DE MAYORACIÓN-BABBIT. ...........................................73 ECUACIÓN 10 FACTOR DE MAYORACIÓN-FLORES. .......................................73 ECUACIÓN 11 FACTOR DE MAYORACIÓN-LOS ÁNGELES. .............................73 ECUACIÓN 12 FACTOR DE MAYORACIÓN-TCHOBANOGLOUS. .....................73 ECUACIÓN 13 CAUDAL DE DISEÑO. .................................................................74 ECUACIÓN 14 CAUDAL DE INFILTRACIÓN. ......................................................75 ECUACIÓN 15 CAUDAL CONEXIONES ERRADA...............................................75 ECUACIÓN 16 PERDIDAS EN REJILLAS. ...........................................................76 ECUACIÓN 17 ÁREA DEL CANAL. ......................................................................77 ECUACIÓN 18 ALTURA DE LA LÁMINA DE AGUA. ............................................77 ECUACIÓN 19 LONGITUD DE LA REJILLA. ........................................................78 ECUACIÓN 20 NUMERO DE BARRAS. ...............................................................78 ECUACIÓN 21 ALTURA DEL CANAL...................................................................78 ECUACIÓN 22 LONGITUD DE LA CÁMARA DESARENADORA .........................79 ECUACIÓN 23 TIEMPO DE RETENCIÓN EN LA CÁMARA DESARENADORA ..80 ECUACIÓN 24 TASA REAL DE TRANSFERENCIA. ............................................81 ECUACIÓN 25 CONCENTRACIÓN DE SATURACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO. ...........................................................................................................83 ECUACIÓN 26 PRESIÓN BAROMÉTRICA. .........................................................83 ECUACIÓN 27 CONCENTRACIÓN DE SATURACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO EN AGUA POTABLE ............................................................................................83 ECUACIÓN 28 VOLUMEN DEL REACTOR. ........................................................87 ECUACIÓN 29 TIEMPO DE RETENCIÓN. ...........................................................87 ECUACIÓN 30 CARGA ORGÁNICA APLICADA. .................................................87 ECUACIÓN 31 OXÍGENO REQUERIDO. .............................................................88 ECUACIÓN 32 LONGITUD DE CEPILLOS. ..........................................................88 ECUACIÓN 33 CARGA ORGÁNICA VOLUMÉTRICA. .........................................89 ECUACIÓN 34 CAUDAL PICO. ............................................................................89 ECUACIÓN 35 ÁREA SUPERFICIAL. ..................................................................90 ECUACIÓN 36 DIÁMETRO DEL SEDIMENTADOR SECUNDARIO. ....................90 ECUACIÓN 37 VOLUMEN SEDIMENTADOR SECUNDARIO. .............................90 12

ECUACIÓN 38 ALTURA DE SEDIMENTADOR SECUNDARIO. ..........................91 ECUACIÓN 39 DBO SALIENTE CORREGIDA. ....................................................91 ECUACIÓN 40 BIOMASA. ....................................................................................92 ECUACIÓN 41 VOLUMEN BIOMASA...................................................................93 ECUACIÓN 42 TIEMPO DE RETENCIÓN. ...........................................................94 ECUACIÓN 43 PRODUCCIÓN DE LODO. ...........................................................95 ECUACIÓN 44 LODO SECO. ...............................................................................95 ECUACIÓN 45 CAUDAL DESECHO. ...................................................................96 ECUACIÓN 46 CAUDAL DE RECIRCULACIÓN. ..................................................97 ECUACIÓN 47 RELACIÓN DE RECIRCULACIÓN. ..............................................98 ECUACIÓN 48 DÉFICIT DE OXÍGENO. ...............................................................99 ECUACIÓN 49 LODO. ........................................................................................101 ECUACIÓN 50 VOLUMEN DE LODO. ................................................................101 ECUACIÓN 51 KILOGRAMOS MASA DE LOS SÓLIDOS VOLÁTILES EN EL LODO..................................................................................................................102 ECUACIÓN 52 KILOGRAMOS DE MASA DE LOS SÓLIDOS FIJOS EN EL LODO..................................................................................................................102 ECUACIÓN 53 ....................................................................................................103 ECUACIÓN 54 PORCENTAJE DEL PESO DE LOS SÓLIDOS VOLÁTILES EN EL LODO..................................................................................................................103 ECUACIÓN 55 PORCENTAJE DEL PESO DEL SOLIDO FIJO EN EL LODO. ...103 ECUACIÓN 56. DENSIDAD RELATIVA DE LOS SÓLIDOS DE LOS LODOS ....103 ECUACIÓN 57 MASA DE LOS SÓLIDOS EN EL LODO. ...................................104 ECUACIÓN 58 VOLUMEN QUE SALE LODO DIGESTOR. ................................104 ECUACIÓN 59 ÁREA DEL LECHO DE SECADO. ..............................................104 ECUACIÓN 60 REMOCIÓN DE DBO .................................................................109 ECUACIÓN 61 REMOCIÓN DE SST ..................................................................109 ECUACIÓN 62 POTENCIA DE LA BOMBA ........................................................110

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GLOSARIO BACTERIAS: organismos eubacteriales procarioticos unicelulares. Morfológicamente se clasifican como cocos, bacilos, curvados o vibriones, espirales o espirillas o espiroquetas y filamentosas. Son los organismos más importantes en la descomposición y estabilización de la materia orgánica. (Romero, 2000)

BIOMASA: Entendemos por biomasa toda la materia orgánica que tiene su origen en un proceso biológico. También se refiere a los procesos de reciente transformación de la materia orgánica, tanto si se producen de forma natural como artificial. (Aguamarket, 2009)

COLIFORMES TOTALES: Bacterias gran negativas, con capacidad de crecimiento aeróbico y facultativamente anaeróbico en presencia de sales biliares, de forma alargada capaces de fermentar lactosa con producción de gas a la temperatura de 35° o 37° C. (Aguamarket, 2009)

DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO (DBO): Es la cantidad de oxígeno que requieren los microorganismos para oxidar (estabilizar) la materia orgánica biodegradable en condiciones aerobias. Es el parámetro más usado para medir la calidad de aguas residuales y superficiales, para diseñar unidades de tratamiento biológico, para evaluar la eficiencia de los procesos de tratamiento y para fijar las cargas orgánicas permisibles en fuentes receptoras. (Romero, 2000)

DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO CARBONACEA (DBOUC): DBO necesaria para oxidar todo el material orgánico carbonaceo biodegradable. En condiciones normales de laboratorio, esta demanda se cuantifica a 20 °C, el ensayo estándar se realiza a cinco días de incubación y se conoce convencionalmente como DBO. (Romero, 2000)

DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO (DQO): Se usa para medir el oxígeno equivalente a la materia orgánica oxidable químicamente mediante un agente químico oxidante fuerte, por lo general dicromato de potasio, en un medio ácido y a alta temperatura. La DQO es útil como parámetro de concentración orgánica en aguas residuales industrial o municipal toxicas a la vida biológica y se puede realizar en solo unas tres horas. (Romero, 2000) DIOXIDO DE CARBONO (CO2): Generalmente proviene de la atmosfera y de la descomposición microbial de las sustancias orgánicas; disuelto en el agua reacciona para formar ácido carbónico. (Romero, 2000) 14

HONGOS: Son protistas aerobios, multicelulares, no fotosintéticos y heterotróficos. La mayoría se alimenta de materia orgánica muerta y constituyen junto con las bacterias, los organismos principalmente responsables de la descomposición del carbono. En el tratamiento de aguas residuales son importantes porque soportan medios ácidos de bajo PH, el PH óptimo para la mayoría de especies es de 5,6 y, además, requieren aproximadamente la mitad de nitrógeno q exigen las bacterias. (Romero, 2000)

LECHO DE SECADO: Los lechos, eras o canchas de secados son el método de deshidratación de lodo más empleado. Los lechos de secado se suelen utilizar, normalmente, para la deshidratación de los digeridos. Una vez seco, el lodo se retira y se evacua a vertederos controlados o se utiliza como acondicionar de suelos. Se suelen utilizar en comunidades de pequeñas dimensiones y población de tamaño medio, aunque se han dado casos en los que se ha empleado en instalaciones más grandes. (Aguamarket, 2009)

MATERIA ORGANICA: Los sólidos suspendidos de un agua residual pueden contener un 75% de materia orgánica; los sólidos disueltos un 40%. La materia orgánica de las aguas residuales es una combinación de carbono, hidrogeno, oxígeno y nitrógeno (CHON), principalmente; con las proteínas (40-60%), los carbohidratos (25-50%) y las grasas y aceites (10%) como grupos más importantes. Concentraciones grandes de materia orgánica en aguas residuales, se miden mediante la DBO, la DQO y el COT. Concentraciones pequeñas de materia orgánica, del orden de trazas,10−12 a 10−3 mg/L, se cuantifican por cromatografía de gases y espectroscopia de masa. (Romero, 2000)

METANO (CH4): Hidrocarburo combustible, incoloro e inodoro. Se produce en la descomposición anaerobia de la materia orgánica y generalmente constituye el kJ 65% del gas de digestores, el cual tiene un bajo poder colorifico 22,400 ⁄m3 . (Romero, 2000)

NITROGENO: Nutriente esencial para el crecimiento de protistas y plantas. Las formas de interés de aguas residuales son las de nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal, nitrógeno de nitritos y nitratos. Todas son formas interconvertibles bioquímicamente y componentes del ciclo del nitrógeno. Los datos del nitrógeno son necesarios para evaluar la tratabilidad de las aguas residuales por tratamientos biológicos; un agua residual con contenido insuficiente de nitrógeno puede requerir la adición de nitrógeno para su adecuada biodescomposicion. (Romero, 2000) 15

OXIDACION BIOLOGICA: Es la conversión bacterial de los elementos de su forma orgánica a su forma inorgánica altamente oxidada en un proceso también conocido como mineralización. La mineralización, o descomposición microbiológica del material orgánico de las aguas residuales en productos finales inorgánicos como dióxido de carbono, agua, nitrógeno amoniacal o nitratos, orto fosfatos y sulfatos, es característica de la oxidación aerobia de carbohidratos y lípidos. (Romero, 2000)

OXIGENO DISUELTO (OD): Gas de baja solubilidad en el agua, requerido para la vida acuática aerobia. La baja disponibilidad de oxígeno disuelto limita la capacidad auto-purificadora de los cuerpos de agua y hace necesario el tratamiento de las aguas residuales para disposición en ríos y embalses. La concentración de saturación de OD es la función de la temperatura, de la presión atmosférica y de la salinidad del agua. (Romero, 2000)

PH: Medida de la concentración ion hidrogeno en el agua, expresada como el logaritmo negativo de la concentración molar de ion hidrogeno. Aguas residuales en concentración adversa del ion hidrogeno son difíciles de tratar biológicamente, alteran la biota de las fuentes receptoras y eventualmente son fatales para los microorganismos. Aguas con PH menor de 6, en tratamiento biológico, favorecen el crecimiento de hongos sobre las bacterias. A PH bajo el poder bactericida del cloro es mayor, porque predomina el HOCl a PH alto la forma predominante del nitrógeno amoniacal es la forma gaseosa no iónica (NH3), la cual es toxica, pero también removible mediante arrastre con aire, especialmente a PH de 10,5 a 11,5. (Romero, 2000)

PROTOZOOS: Protistas unicelulares, aerobios o anaerobios. Los más importantes en aguas residuales son las amibas, los ciliados y los flagelados. Entre los patógenos humanos son de interés la entamoeba histolytica, que ocasiona disentería amibiana; la Giardia lamblia, que causa giardiasis, y Cryptosporidium, que produce crisptosporidiosis. Los protozoos se alimentan de bacterias y de otros microorganismos por lo que son muy importantes en tratamiento biológico de aguas residuales, pues mejoran la calidad del efluente. (Romero, 2000)

RELACIÓN ALIMENTO/MICROORGANISMOS (A/M): La relación A/M constituye un parámetro importante que mide la razón entre el alimento presente en las aguas residuales curdas y los organismos en el estanque de aireación. Alimentación es la ingestión de alimento por parte de los organismos para proveerse de sus necesidades alimenticias, fundamentalmente para conseguir energía y desarrollarse. (Aguamarket, 2009) 16

SEDIMENTADOR CIRCULAR: Son normalmente alimentados por el centro, y a través de un tubo central, ascendente que en su parte superior presenta un deflector, (barrera o separador), cuyo propósito es disipar la energía del afluente y garantizar una distribución homogénea en el estanque. (Aguamarket, 2009)

SOLIDOS: El contenido de sólidos de un agua afecta directamente la cantidad de lodo que se produce en el sistema de tratamiento o disposición. (Romero, 2000)

SOLIDOS TOTALES: Se considera como sólidos totales de un agua el residuo de evaporación y secado a 103-105 °C. (Romero, 2000)

SOLIDOS SEDIMENTABLES: Son una medida del volumen de sólidos asentados al fondo de un cono imhoff, en un periodo de una hora, y representan la cantidad de lodo removible por sedimentación simple; se expresa comúnmente en ml/L. (Romero, 2000)

SOLIDOS DISUELTOS: Representan el material soluble y coloidal, el cual requiere usualmente para su remoción, oxidación biológica o coagulación y sedimentación. En la práctica los sólidos disueltos son aquellos con tamaño menor de 1,2 µm. (Romero, 2000)

SOLIDOS SUSPENDIDOS: Constituyen la diferencia entre los sólidos totales de la muestra no filtrada y los sólidos de la muestra filtrada. En la práctica los sólidos suspendidos tienen tamaño mayor de 1,2 µm. (Romero, 2000)

SOLIDOS VOLATILES: Son básicamente la fracción orgánica de los sólidos o porción de los sólidos que se volatilizan a temperaturas de 550 ± 50 °C. Su determinación es muy importante en lodos activados, lodos crudos y lodos digeridos. (Romero, 2000)

TURBIEDAD: Constituye una medida óptica del material suspendido en el agua. Las aguas residuales crudas son, en general, turbias; en aguas residuales tratadas puede ser un factor importante de control de calidad. (Romero, 2000)

ZANJON DE OXIDACIÓN: El proceso biológico es una variante del paso de barros activados. Al igual que el proceso de aireación extendida opera en la zona endógena de la curva de crecimiento. La configuración de zanja de oxidación más 17

utilizada es la de una cámara de aireación de forma ovalada, con poca profundidad, donde el líquido circula continuamente en un circuito cerrado. La circulación en un circuito cerrado provee una excelente acción de mezclado. Generalmente no tiene sedimentación primaria. El líquido residual crudo pasa directamente a través de rejas directamente a la zanja, parte del líquido residual tratado pasa a un sedimentador secundario para la separación de la biomasa. (Aguamarket, 2009)

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RESUMEN

El municipio de Bojacá Cundimarca presenta un problema de gran magnitud, en cuanto a la planta de tratamiento de aguas residuales, ya que no se encuentra en capacidad de tratar caudales picos (semana santa y festivos) del casco urbano, por tal motivo solo realiza su proceso con el caudal de diseño, el restante es vertido a la laguna el juncal generando una contaminación en ella, no cumple con características físico-químicas como lo son la remoción de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) , la remoción de Solidos Suspendidos Totales (SST), grasas y aceites.

Al realizar una evaluación teórico-práctica de la PTAR se decide optimizarla por los problemas expuestos anteriormente. De acuerdo a los parámetros del libro Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y Principios de diseño, de Jairo Alberto Romero Rojas, y el Reglamento Técnico del sector de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS-2000), se diseña la planta de tratamiento de aguas residuales, con el fin de cumplir con las características físico-químicas y solucionar el problema de la contaminación de la laguna anteriormente nombrada.

La PTAR es diseñada para un periodo de 20 años, con un desarenador que también cumple con la función de retener grasas y aceites por medio de una pantalla, dos zanjones de oxidación, un sedimentador secundario, un cuarto para una bomba sumergible, una estructura de lodo digestor, y lechos de secado, cumple con sus principales condiciones tales como: remoción de DBO, remoción de SST, y grasas y aceites, se realiza el plano de la planta de tratamiento de aguas residuales y los detalles de cada estructura.

PALABRAS CLAVE: agua residual, optimización, saneamiento, sedimentación, tratamiento de aguas residuales.

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1. INTRODUCCIÓN.

El agua como característica principal es un elemento indispensable para la vida y esto hace que se convierta en una herramienta necesaria en todas las labores cotidianas, es por eso que resulta de numerosa importancia el cuidado permanente de las fuentes de abastecimiento hídricas como también de métodos para su tratamiento con el fin de poder ser reutilizada. Las aguas residuales son los elementos a tratar los cuales son originados por uso doméstico o industrial. Por lo tanto, el tratamiento de aguas residuales es muy importante realizarlo debido a que luego del uso del agua, en actividades domésticas, agrícolas e industriales, su composición Biológica se altera. Las aguas residuales se definen, como el agua que ha sido previamente utilizada y se encuentra contaminada.

Para seleccionar el proceso para el tratamiento de aguas residuales, o de la combinación adecuada de ellos, depende principalmente de las características del agua cruda, la calidad requerida del efluente, la disponibilidad de terreno, los costos de construcción y operación del sistema de tratamiento y la facilidad de optimización a futuro para satisfacer los requerimientos por el crecimiento poblacional.

En la planta de tratamiento de aguas residuales de Bojacá, el sistema utilizado es el zanjón de oxidación, el cual está constituido por una cámara de entrada, una compuerta que deriva el agua y de allí se alimentan dos desarenadores, o también se da paso directo del agua hacia la laguna el Juncal. De los desarenadores el agua fluye por un canal que tiene una rejilla inclinada de 60°, luego el agua sigue hacia el zanjón el cual tiene tres unidades de aireación. Luego de pasar el agua por allí, continúa hacia el sedimentador el cual deriva el agua a dos lechos de secado y finalmente sale de la planta de tratamiento de aguas residuales a la laguna el juncal, la cual contiene un sistema de rebose, el cual cumple la función de al alcanzar su volumen máximo, transfiera el agua y la desemboque al rio Bojacá.

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Dando una breve descripción del sistema que se utiliza en dicha planta, se procede a hacer la optimización, se debe tener en cuenta las especificaciones y antecedentes existentes, como también los parámetros de diseño y el cumplimiento de ellos. Para ello se tomará como Fuente principal el manual de operación y mantenimiento de la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de Bojacá, correspondiente al estudio hecho en el año 2002 por la CAR (Corporación Autónoma Regional) el cual aporta el material necesario para la optimización y evaluación que se hará a la planta de tratamiento. También se utilizarán estudios técnicos de carácter académico concedidos por los estudiantes de ingeniería civil de la Universidad Católica de Colombia.

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2. ANTECEDENTES

TABLA 1. PROPIEDADES FÍSICO QUÍMICAS DE PTAR MUNICIPIO BOJACÁ

FUENTE: Secretaría de planeación de la alcaldía del municipio de Bojacá

La intención del presente trabajo es evaluar y optimizar la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de Bojacá ya que, con los antecedentes previos se puede concluir que la planta no cumple con la capacidad del caudal del afluente del municipio; es de vital importancia el manejo adecuado de las aguas vertidas a la laguna el juncal la cual, desemboca al rio Bojacá y por ultimo llega al rio Bogotá.

22

3.

OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL  Evaluar de manera técnico-operativa el funcionamiento de la planta de tratamiento de aguas residuales con zanjón de oxidación del municipio de BojacáCundinamarca

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Proponer el mejoramiento de la planta de tratamiento de aguas residuales, para una eficiencia de remoción hasta de 20 mg/l de materia orgánica.  Definir los cálculos del tratamiento biológico de las aguas residuales por sistema de lodos activados.  Determinar la eficiencia de remoción de la demanda bioquímica de oxigeno (DBO) de la planta de tratamiento de aguas residuales con el fin de cumplir la normatividad ambiental vigente.

23

4.

PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Con base en los antecedentes existentes en el tema, el problema surge al haber diseñado la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de Bojacá con proyecciones por debajo de las reales, lo que conlleva a tener un caudal inferior al afluente real. El caudal de diseño es de 7 L/s y el afluente máximo real ha llegado a los 11 L/s en las horas pico (Semana Santa). Las inadecuadas proyecciones se ven reflejadas en el año 2016, puesto que la proyección fue de 1500 habitantes para este año y en la actualidad se encuentran 1900 habitantes tan solo en el casco urbano.

Por lo dicho anteriormente la PTAR solo trata 7 L/s y el caudal restante queda en el sistema de reboce, el cual da una entrega directa al vertimiento, en este caso la laguna el juncal, sin haberse tratado el agua residual. Con los antecedentes previos se observó que tres ítems de las características físico-químicas de la planta no cumplen con los valores permitidos de vertimiento de acuerdo a cada decreto por los que se rige la CAR (Corporación Autónoma Regional). Al no tratar todo el afluente producido por el municipio, aumenta la problemática de la contaminación y por consiguiente al deterioro del rio Bogotá ya que en este sitio llegan las aguas del rio Bojacá y de municipios aledaños.

El otro problema paralelo al anterior surge por el sobredimensionamiento de los equipos eléctricos que conforman la planta de tratamiento de aguas residuales, ya que están diseñados para tratar un caudal de 30 L/s y el máximo caudal que ha llegado a la planta es de 11 L/s (horas pico). Esto produce un sobrecosto de energía en el municipio de Bojacá que oscila entre los treinta millones de pesos mensuales.

Se requiere con urgencia una optimización de la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de Bojacá, con el fin de disminuir los costos de operación y ampliar la cobertura del tratamiento del afluente producido por este municipio.

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5.

METODOLOGÍA

El presente trabajo se divide de la siguiente manera:

Fase 1

 Recopilar información acerca de la operación, mantenimiento y características del zanjón de oxidación de Bojacá - Cundinamarca en la biblioteca de la CAR Bogotá D.C.  Recopilar información de la biblioteca de la universidad Católica De Colombia, acerca de las características y pasos a seguir para evaluar el sistema de la planta de tratamiento de agua residual.

Fase 2  Realizar la visita técnica que tenga como objetivo reunir información sobre el funcionamiento de la planta de tratamiento de aguas residuales.  En la visita al zanjón de oxidación de Bojacá - Cundinamarca obtener información necesaria para desarrollar la evaluación técnico-operativa de este y determinar los principales defectos que tenga el sistema que conforma la planta de tratamiento de aguas residuales.

 Posteriormente se realiza la optimización con los cálculos adecuados basándose en el libro de Jairo Alberto Romero Rojas Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y principios de diseño, para obtener un buen funcionamiento de la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de Bojacá.

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Fase 3  Dado los resultados de los cálculos del diseño, se inicia con los planos de la planta de tratamiento de aguas residuales y los respectivos detalles de cada estructura que componen la PTAR.  En un documento, artículo y poster, se dará a conocer los cálculos del diseño, el cual realizarán los estudiantes del programa de ingeniería civil de la universidad católica de Colombia, del zanjón de oxidación del municipio de BojacáCundinamarca.

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6.

MARCO CONECPTUAL

De acuerdo a la información brindada por la biblioteca de la Corporación Autónoma Regional (CAR), la cual realizo un breve resumen de la descripción del sistema del zanjón de oxidación convencional que compone la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales del Municipio de Bojacá, dando a conocer el diseño existente de cada una de las estructuras de la PTAR lo cual es una contribución para el proyecto. A continuación, se detalla las estructuras de la PTAR:

 VIADUCTO METALICO Se hizo necesario construir una estructura metálica de 81,26 metros de longitud, para lograr que el agua llegara por gravedad a la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de Bojacá.

 ESTRUCTURA DE LLEGADA La aducción a la planta de tratamiento se realiza mediante una estructura de llegada, las aguas provenientes del 100% de la población llegan por medio de una tubería de 12 pulgadas en novafort, (tramo de caja de distribución a estructura de llegada con longitud de 50,92 metros y una pendiente del 0,45%).

La tubería de 12 pulgadas en novafort indicada anteriormente llega a la estructura con una cota de 2566,23 m.s.n.m.

 SISTEMA DE CRIBADO Y MEDICIÓN Las aguas residuales y/o combinadas son conducidas hacia el zanjón de oxidación mediante un canal en concreto reforzado de 3000 psi, de sección transversal de 0,60 m, por 4,40 m de largo, y allí se ubican las rejas metálicas para retención de sólidos y las plataformas de secado.

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Luego se ubica el aforador ballofet el cual tiene una longitud de 1,50 m, ancho de 0,21 m, longitud de la garganta de 0,21 m. y ancho de la garganta de 0,14 m. En esta estructura se efectúa la medida del caudal afluente.

El tramo final con longitud de 5,0 m, actúa como canal desarenador y entrega a un canal de 3,0 m y mediante un pasamuro de 10 pulgadas, el agua ingresa al zanjón de oxidación.

 ZANJÓN DE OXIDACIÓN Uno de los componentes más importantes para llevar a cabo el proceso físicobiológico de tratamiento, es el zanjón de oxidación constituido en una estructura en concreto reforzado de 3000 psi, cuya base tiene una zona recta de 43,03 m de largo, por 7,30 m de ancho y dos áreas semicirculares de 3,15 m de radio, la profundidad total es de 2,50 m y la altura útil es de 2,0 m.

En el sentido longitudinal se ubica un muro central de 43 m de largo que actúa como difusor de flujo. En el zanjón se instalaron en sitios estratégicos cuatro unidades de aireación accionados eléctricamente cuya función es introducir aire al agua residual en tratamiento e impulsar o encausar el flujo de la misma, la cota de fondo del zanjón es de 64,10

 CÁMARA DE INTERCONEXIÓN Las aguas del zanjón pasan a una caja construida en concreto reforzado de 3000 psi, que sirve de conexión entre el zanjón y el sedimentador secundario, las dimensiones interiores de esta cámara son de 1,0 m de ancho por 1,20 m de altura por 1,65 m de longitud. La cota de fondo de la cámara de interconexión es de 65,05 m

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 SEDIMENTADOR SECUNDARIO Esta estructura desempeña un papel muy importante en el proceso de depuración de las aguas residuales, pues mediante flujo ascendente y con ayuda de un medio laminar se consigue una decantación acelerada de partículas en suspensión y por lo tanto las aguas efluentes salen clarificadas para luego ser entregadas a la tubería existente que a su vez desagua en la laguna el juncal, fuente final receptora de las aguas tratadas.

El resultado de la sedimentación antes dicha, partículas sólidas y lodos biológicos, son depositados en el fondo de esta unidad que está construida en forma piramidal invertida.

El tanque sedimentador, construido en concreto reforzado de 3000 psi. Es de forma circular de diámetro interior de 9,80 metros y en la parte inferior en forma piramidal invertida, se ubica la tolva de lodos, la base de iguales dimensiones a la sección transversal de la parte superior y con una altura de 1 metro, medida desde la base al vértice de la pirámide.

En el centro del sedimentador se ubica el cilindro difusor en lámina galvanizada de 1/8 de pulgada que arranca del fondo de la cámara de interconexión (cota 63,80) y termina en la 66,28 (parte superior), para luego obligar al agua a descender.

En las condiciones anteriores, el agua sube a través del medio laminar de forma tubular, se efectúa la sedimentación y el agua así obtenida es recolectada en las canaletas perimetrales ubicadas en la parte superior del tanque sedimentador.

El caudal producido es controlado por medio de vertederos dentados, fabricados en acrílico y que serán instalados en los muretes de las canaletas de recolección. El agua clarificada recolectada en las canaletas es finalmente evacuada por una tubería de 12 pulgadas cuya cota batea es de 66,05 para luego ser entregada a un canal escalonado de 20,07 metros de longitud, el cual a su vez entrega el efluente final al alcantarillado existente.

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 LECHOS DE SECADO DE LODOS Los lodos producidos en el sedimentador secundario y depositados en la parte inferior son conducidos por una tubería de 8 pulgadas, hacia un pozo de bombeo en el cual se ubica la bomba de lodos. La estructura de los lechos de secado está construida en 16 compartimientos en concreto reforzado de 3000 psi de sección rectangular de 4,0 m de ancho por 3,0 m cada uno, con muros perimetrales de 0,15 cm de espesor y 1,0 m de altura. Los compartimientos están separados en sentido transversal por un canal de 0,80 m de ancho, sirve como medio recolector de los liquidos lixiviados.

En el fondo de los compartimientos se instalaron tuberías de PVC, perforadas dispuestas en espina de pescado en diámetros de 6 pulgadas para los ramales principales y 4 pulgadas para los laterales, con pendientes de 0,5% que actúan como recolectores de los liquidos lixiviados.

En cada uno de los compartimientos, se colocaron en forma ascendente capas de 0,20 m de espesor de arenas y 0,20 m de gravas que trabajan como lechos filtrantes.

Sobre la última capa de gravas se colocarán ladrillos a junta perdida para recibir y soportar los lodos provenientes del sedimentador secundario.

La estructura de los lechos de secado está cubierta con teja traslucida soportadas sobre vigas, correas metálicas y columnas.

 BOMBEO DE LODOS Y LÍQUIDOS LIXIVIADOS

Los lodos producidos en el sedimentador secundario contienen aun carga biológica y bacterial contaminante, por lo cual es necesario y conveniente retornarlos al zanjon de oxidación para complementar el tratamiento mediante una bomba tipo sumergible accionada eléctricamente.

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La impulsión se realiza por tubería PVC RDE-26 de 4 pulgadas que entrega al zanjón en la cota 17,5 (clave) a la salida de la motobomba y en la tubería de impulsión se instaló una válvula de 6 pulgadas, tipo compuerta, vástago no ascendente, con rueda de manejo y que permanecerá cerrada cuando no se efectúe bombeo de lodo.

Así mismo, según se indicó anteriormente, los líquidos lixiviados que son recolectados en la caja ubicada a la salida de los lechos de secado, serán retornados al zanjón de oxidación para complementar el tratamiento, por análogas razones a las expuestas en relación con los lodos biológicos, mediante un electro bomba de características iguales a la de los lodos.

La impulsión de líquidos lixiviados se realiza por una tubería en pvc de 4 pulgadas y es entregada en el mismo sitio de la descarga de lodos en el zanjón de oxidación. Se controla mediante una válvula de 4 pulgadas de iguales características a las mencionadas antes para lodos.

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7.

ESTADO DEL ARTE

7.1 TRATAMIENTO BIOLOGICO DE LAS AGUAS RESIDUALES

El tratamiento de aguas residuales domésticas, incorpora procesos físicos químicos y biológicos, los cuales tratan y remueven contaminantes físicos, químicos y biológicos introducidos por el uso humano cotidiano del agua. El objetivo del tratamiento es mejorar la calidad del agua para reincorporarla al ambiente o reutilizarla en algún proceso, y remover los contaminantes en un lodo el cual sea aprovechado, reciclado o reincorporado a procesos industriales.

El tratamiento biológico de aguas residuales supone la remoción de contaminantes mediante actividad biológica. La actividad biológica se aprovecha para remover del agua residual, principalmente sustancias orgánicas biodegradables, coloidales o disueltas, mediante el proceso de conversión a gases y en biomasa extraíble mediante el proceso de sedimentación. La actividad biológica también se usa para remover nitrógeno y fósforo del agua residual.

El punto fundamental es el tratamiento biológico, el cual comprende la conversión de la materia orgánica carbonacea disuelta y en estado coloidal en diferentes gases y tejidos celulares. La formación de flocs biológicos, los cuales están compuestos de materia celular y de los coloides orgánicos presentes en las aguas residuales, es la base fundamental del tratamiento biológico, luego de haber sido utilizados estos flocs se remueven por medio de sedimentación por gravedad.

Existen los siguientes grupos principales de procesos biológicos: aerobios, anóxicos, y combinados que comprenden anóxicos con aerobios y anóxicos con anaerobios. Dentro de cada grupo podemos encontrar crecimiento biológico suspendido, crecimiento biológico adherido o una combinación de ellos. Así mismo, dependiendo del régimen de flujo predominante, los procesos biológicos se consideran de flujo continuo o intermitente y del tipo de mezcla completa, flujo a pistón o flujo arbitrario. En los procesos de tratamiento aerobio el tratamiento se efectúa en presencia de oxígeno. (CRITES Ron, 2000)

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7.1.1 PROCESO AEROBIO

El proceso aerobio es un proceso de respiración de oxígeno en el cual el oxígeno libre es el único aceptador final de electrones; el oxígeno es reducido y la materia orgánica o inorgánica es oxidada. Todos los organismos que usan oxígeno libre como aceptor de electrones son aerobios. (Romero, 2000) . 7.1.2 METABOLISMO MICROBIAL

El metabolismo microbial en el proceso de respiración aerobia se puede representar gráficamente como se muestra en la ilustración N°1:

ILUSTRACIÓN 1 METABOLISMO MICROBIAL

FUENTE: (Romero, 2000)

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El proceso anterior se ejecuta con el fin de obtener la energía necesaria para la síntesis de tejido celular nuevo. Cuando ocurra ausencia de materia orgánica, el tejido anteriormente nombrado será respirado endógenamente y convertido en productos gaseosos.

Constantemente, las bacterias son los organismos más importantes en el tratamiento aerobio de las aguas residuales porque son excelentes oxidadores de la materia orgánica y crecen de una manera exponencial en las aguas residuales, si en ellas existe oxígeno, siendo capaces de formar una capa floculenta gelatinosa de muy buenas características para la remoción de la materia orgánica. En los procesos de lodos activados son comunes: Zooglea ramigera, Pseudomonas, Flavobacterium y Alcaligenes.

En la oxidación biológica aerobia, el oxígeno libre es esencial para los organismos aerobios como agente para la oxidación de compuestos orgánicos en CO2. La oxidación biológica aerobia reacciona por la presencia del oxígeno molecular y sirve para el crecimiento de los organismos aerobios. El oxígeno molecular libre es agregado al sustrato, materia orgánica, ocurriendo la oxidación o mineralización del residuo. La reacción es muy eficiente porque libera grandes cantidades de energía; esta energía es almacenada preferentemente en la biomasa sintetizada y los residuos de dicho catabolismo son compuestos estables de bajo contenido energético. El proceso aerobio se ejecuta para obtener la energía necesaria para la síntesis de tejido celular nuevo.2 (Romero, 2000)

El crecimiento bacteriano consiste en cuatro fases las cuales son:  Fase de latencia: es el tiempo requerido para que los microorganismos se acoplen al nuevo medio.

 Fase exponencial: en esta fase se ve reflejado el incremento de microorganismos ya que en el medio donde están, existe una gran cantidad de alimento (materia orgánica) y por ende al consumir el alimento, van aumentando los microorganismos. Las condiciones ambientales pueden afectar el incremento exponencial de ellos.

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 Fase estacionaria: en este punto hay un equilibrio de alimento y microorganismos, lo cual hace que dejen de reproducirse.



Fase de muerte: al disminuir la materia orgánica, no hay suficiente alimento para la gran cantidad de microorganismos en el medio lo que genera que se coman unos con otros.

GRÁFICA 1 ETAPAS DEL DESARROLLO BACTERIANO

FUENTE: (Guerrero., 1996)

Es un ciclo de vital importancia a tener en cuenta para el tratamiento de las aguas residuales, un método clave para tener un crecimiento microbiano estable es la recirculación de lodos, el cual consiste en extraer una parte de los lodos activados, que ya han sido tratados, para luego ser transportados al inicio del sistema con el fin de disminuir el tiempo de cada fase de crecimiento bacteriano. Esto se debe a que, en los lodos activados se encuentran microorganismos en un estado de madurez, lo cual hace que no tengan que acoplarse nuevamente a su medio y agilice el procedimiento de depuración de las aguas residuales.

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7.2 LODOS ACTIVADOS

El proceso de los lodos activados fue desarrollado en Inglaterra, en el año de 1914, por Ardern y Lockett. El 3 de abril de 1914, en una reunión de la sociedad de la Industria Química en el Grand Hotel en Manchester, Inglaterra, Edward Arden,MSc y William T. Lockett, presentaron su trabajo clásico “experimentos sobre la oxidación de aguas residuales sin ayuda de filtros”, el cual luego fue publicado en el diario de la sociedad de la industria química. ( Ardern, E. y Lockett, WT, "Experimentos en la oxidación de aguas residuales sin la ayuda de filtros," Revista de la Sociedad de la Industria Química, Vol. 33, No 10, pp 523 539, 1914 (presentado en la Sección Manchester satisfacer el 3 de abril 1914). En este trabajo, Ardern y Lockett describen todos los componentes esenciales del proceso de tratamiento de lodos activados en aguas residuales, y rápidamente se convierte en el proceso de tratamiento biológico de aguas residuales más utilizado. En este trabajo, se otorgó el primer uso informado de la expresión “lodos activados” para referirse a los sólidos biológicos que se establecieron de la extracción de estos lodos de las aguas residuales para así reciclarse de nuevo en el proceso de tratamiento. (Romero, 2000)

7.2.1 FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS Los elementos esenciales del proceso de lodos activados , que se describieron en el documento Ardern y de Lockett (y todavía están en uso hoy en día), son:

1. aireación de aguas residuales en la presencia de microorganismos aerobios.

2. eliminación de los sólidos biológicos de las aguas residuales por sedimentación.

3. el reciclado de los sólidos biológicos se acomodó en el agua residual aireada. Este conjunto de procesos favorece a los microorganismos aerobios que floculan para formar sólidos sedimentables los cuales pueden ser apartados en el sedimentador y enviados de nuevo en el proceso de aireación, un cultivo concentrado de microorganismos aerobios se puede mantener en el tanque de

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aireación, de modo que la materia orgánica en el agua residual entrante se oxide y se transforme en dióxido de carbono. El proceso de lodos activos ha sido utilizado para el tratamiento de las aguas residuales tanto industriales como urbanas desde hace aproximadamente un siglo. El diseño de las plantas de lodos activos se llevó a cabo fundamentalmente de una forma empírica. Sólo al comienzo de los años sesenta se desarrolla una solución más racional para el diseño del sistema de lodos activos. Este proceso nació de la observación realizada de que cualquier agua residual, urbana o industrial, se somete a aireación durante un período de tiempo se reduce su contenido de materia orgánica, formándose a la vez un lodo floculento. (Ramalho, 1996)

El proceso de los lodos activados tiene en común el contacto de las aguas residuales con el floc biológico el cual es previamente formado en un tanque de aireación.

El lodo activado consta de una masa floculenta de microorganismos, materiales inorgánicos y materia orgánica, tiene como propiedad una superficie altamente activa para la adsorción de materiales suspendidos y coloidales, de allí surge su nombre de activado. El resultado es una porción de materia orgánica, la cual es susceptible de descomposición biológica y el restante se transforma en lodo activo adicional.

El ambiente del sistema de lodos activados se puede considerar como medio acuático, el cual es colonizado por microorganismos muy variados como hongos, bacterias, protozoos, y metazoos pequeños. El movimiento constante y la recirculación de los lodos hacen, un medio perfecto para la macro fauna acuática. Las bacterias son el grupo más importante de los microorganismos ya que en el proceso de lodos activados, cumplen la función de estabilizar la materia orgánica y también forman el floc de lodo activo.

El proceso comienza al fluir las aguas residuales crudas con su respectivo contenido de materia organica (DBO5) como suministro alimenticio al tanque de aireación. Para ello previamente el afluente debe pasar por un proceso de sedimentación primario. Al llegar al cultivo microbial Las bacterias metabolizan los residuos produciendo nuevas bacterias, utilizando oxígeno disuelto y liberando dióxido de carbono. Los protozoos consumen algunas bacterias para obtener energía y así reproducirse. Una porción del crecimiento bacterial muere, liberando

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su contenido celular, esto ayuda a una nueva síntesis en células microbiales. La mezcla liquida, floc biológico en suspensión con las aguas residuales, es separada en el sedimentador, se recircula el floc sedimentado continuamente al tanque de aireación y el efluente clarificado se descarga. Los lodos del sedimentador tienen dos opciones. La primera se puede destinar para alimentar el afluente mediante la recirculación y la segunda se puede destinar a tratamiento de lodos (lodos como residuo). El sistema de lodos activados es un proceso aerobio, ya que el floc microbial se mantiene en suspensión en la mezcla aireada del tanque, donde se encuentra el oxígeno disuelto.

Las burbujas de aire se crean por medio de aireadores mecánicos, el oxígeno se introduce en el líquido mediante mezcla turbulenta. La tasa de utilización del oxígeno disuelto (OD) es esencialmente una función de la relación alimento/microorganismo (DBO5 /SSLM), como también del tiempo de aireación y de la temperatura. El consumo de oxígeno disuelto es generalmente menor de 10 mg/L-h para procesos de aireación extendida, cerca de 30 mg/L-h para procesos convencionales y tan grande como 100 mg/L-h para procesos de tasa alta.

La concentración predeterminada de oxígeno disuelto es de 0,2 a 2,0 mg/L y la crítica es generalmente de 0,5 mg/L; concentraciones menores al valor anterior inhabilitan el metabolismo microbial aerobio. En síntesis, el contacto del agua residual con una cantidad óptima de floc biológico activo y en presencia adecuada de oxígeno, durante un periodo de tiempo prudente, seguido de una separación eficiente de los organismos y del líquido purificado, son los prerrequisitos del proceso. (HERNANDEZ, 1996)

7.2.2 LODOS GENERADOS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Los lodos residuales son el subproducto el cual es inevitable del tratamiento de las aguas residuales, los contaminantes que no se destruyen durante el proceso de tratamiento tienden a concentrarse en los lodos. (Romero, 2000)

7.2.3 CARACTERISTICAS DE LOS LODOS

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Las características de los lodos varían dependiendo de su origen, de la edad, del tipo de proceso del cual provienen y de la fuente original de los mismos. (Romero, 2000) 7.2.4 ORIGEN DE LOS LODOS Los lodos son generados del agua residual ya sea doméstica o industrial durante el tratamiento. Se combinan procesos físicos, biológicos y químicos. Se clasifican en primarios, como la sedimentación de sólidos, los secundarios o biológicos y los tratamientos terciarios, generalmente químicos, los cuales se usan para obtener un efluente con una alta calidad. (Romero, 2000)

7.2.5 TIPO DE LODOS Los constituyen los lodos los cuales son de material heterogéneo y su contenido depende no solo del origen y características del agua, sino también de la tecnología usada para el tratamiento. Los diferentes procesos de tratamiento de los lodos producen distintas cantidades y clases de lodos:  LODO PRIMARIO El lodo primario es producido durante los procesos de tratamiento primario de las aguas residuales. Esto ocurre después de las pantallas y desarenador y consiste en productos no disueltos de las aguas residuales. El lodo en el fondo de tanque primario de sedimentación se llama también lodo primario. La composición del lodo depende de las características del área de recogida de las aguas. El lodo primario contiene generalmente una gran cantidad de material orgánico, vegetales, frutas, papel, etc. La consistencia se caracteriza por ser un fluido denso con un porcentaje en agua que varía entre 93 % y 97 %.  LODO SECUNDARIO En las plantas durante el tratamiento secundario, la demanda bioquímica o la demanda química de oxígeno son disminuidas por medios biológicos. La biomasa degrada al material demandante de oxígeno que se encuentra suspendido o

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disuelto en el líquido. El aire se burbujea en el licor mezclado por diferentes medios, en el tratamiento aerobio. Los microorganismos o biomasa que se desarrollan en el tanque de aireación, se sedimentan en un clarificador final y un porcentaje definido que se regresa al inicio del sistema de aireación, como inóculo (recirculación de lodos).

En este proceso, los microorganismos consumen la materia orgánica disuelta, la cual utilizan como alimento para obtener energía para llevar a cabo todas sus funciones y subsistir en el medio ambiente. Desafortunadamente, la cantidad de microorganismos producidos, excede a la cantidad requerida por el sistema, y parte de esta materia sólida debe ser desechada. Estos materiales biológicos de desecho son llamados lodos secundarios.  LODO ACTIVO La eliminación de materia orgánica disuelta y los nutrientes de las aguas residuales tiene lugar durante el tratamiento biológico del agua. Normalmente se caracteriza por la interacción de distintos tipos de bacterias y microorganismos, que requieren oxígeno para vivir, crecer y multiplicarse y consumen materia orgánica. El lodo resultante se llama lodo activo. Normalmente este lodo está en forma de floculos que contienen biomasa viva y muerta además de partes minerales y orgánicas adsorbidas y almacenadas. El comportamiento de sedimentación de los floculos de los lodos activos es de gran importancia para el funcionamiento de la planta de tratamiento biológico. Los floculos deben ser removidos, para separar la biomasa del agua limpia, y el volumen requerido de lodo activo puede ser bombeado de nuevo en el tanque de aireación.  LODO TERCIARIO Lodo terciario se produce a través de procesos de tratamiento posterior, ejemplo: Adición de agentes floculantes.

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 LODO ACTIVO DE RETORNO El lodo activo de retorno es el que proviene del tanque de aireación biológica al clarificador final. Los floculos de lodo activo se sedimentan al fondo y pueden separarse del agua residual tratada. La mayoría del lodo que se lleva de nuevo al tanque de aireación se llama lodo activo de retorno.  FANGO/LODO DIGERIDO Fango digerido tienen lugar en los procesos de digestión aeróbica. Tiene color negro y olor a tierra. Tiene una proporción de materia orgánica del orden de 45 to 60 %.  LODO CRUDO Lodo crudo, es aquel que no ha sido tratado ni estabilizado, que puede extraerse de plantas de tratamiento de aguas residuales. Tiende a producir la acidificación de la digestión y produce olor. (Romero, 2000) 7.2.6 TRATAMIENTO DE LODOS El tratamiento y disposición eficiente de los lodos de una PTAR requiere conocer las características de los sólidos y del lodo por procesar, así como la aptitud de los diferentes sistemas de procesamiento y la facilidad de acceso a las diferentes opciones de disposición final. A continuación, se resumen algunas opciones para el tratamiento y disposición de lodos:  DISMINUCIÓN DEL VOLUMEN La disminución del volumen que ocupan los lodos en una PTAR, es beneficiosa para los siguientes procesos que tienen que ser sometidos los lodos, ya que permitirá aumentar la capacidad de los tanques y equipos necesarios, disminuirá la cantidad de productos químicos, y el calor necesario para los digestores. Existen diferentes sistemas para conseguir esta disminución de volumen:  ESPESADORES POR GRAVEDAD

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Este mecanismo se utiliza para la mezcla y homogeneización de lodos de distintos orígenes, de accionamiento central mediante cabeza de mando o de accionamiento central con motorreductor. Los componentes de un espesador se presentan en la Figura 2.

ILUSTRACIÓN 2 ESPESADOR POR GRAVEDAD

FUENTE: (Romero, 2000)

 ESPESADORES POR FLOTACIÓN En este espesador también se separa la fase sólida de la líquida, pero a diferencia del método anterior, en los espesadores por flotación los sólidos se concentran en la parte superior. Los lodos en este caso ascienden a una velocidad superior a la de sedimentación. Esto se consigue mediante la introducción de aire. Estas pequeñas burbujas de aire arrastran a las partículas sólidas hacia arriba. Los sólidos acumulados en la superficie del espesador son retirados mediante procesos mecánicos.

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 ESPESAMIENTO POR CENTRIFUGACIÓN La centrifugación se usa principalmente para la deshidratación de los lodos, aunque también se utilizan para concentrarlos. El principio en el que se fundamenta es en la sedimentación de las partículas sólidas del lodo gracias a la fuerza centrífuga que se aplica. El lodo se introduce de forma continua, concentrándose los sólidos en la zona periférica. El lodo es empujado por un tornillo helicoidal hasta el extremo de la centrífuga.  DESHIDRATACIÓN La deshidratación disminuye el contenido de agua de los lodos disminuyendo así el volumen para el transporte y la manejabilidad de los mismos. El destino de los lodos determinará el grado de deshidratación y el método utilizado para este fin.  LECHOS DE SECADO Los lechos de secado constituyen uno de los métodos más antiguos para reducir el contenido de humedad de los lodos en forma natural. El lecho típico de arena para secado de lodos es un lecho rectangular poco profundo, con fondos porosos colocados sobre un sistema de drenaje (Ver Figura 3).

ILUSTRACIÓN 3 LECHO DE SECADO.

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FUENTE: (Romero, 2000)

El lodo se aplica sobre el lecho en capas de 20 a 30 cm y se deja secar. El desaguado se efectúa mediante drenaje de las capas inferiores y evaporación de la superficie por acción del sol y del viento. Inicialmente el agua percola a través del lodo y de la arena para ser removida por la tubería de drenaje en un periodo mínimo de un día. Una vez formada una capa de lodo sobrenadante, el agua es removida por decantación y por evaporación. La pasta se agrieta a medida que se seca, permitiendo evaporación adicional y el escape de agua lluvia desde la superficie.  FILTRO BANDA Es un sistema de alimentación continua de lodo, donde se realiza también un acondicionamiento químico, generalmente con polielectrolitos. En los filtros banda primero se produce un drenaje por gravedad y después se hace pasar el lodo por una aplicación mecánica de presión para que se produzca la deshidratación, gracias a la acción de una tela porosa.  FILTRO PRENSA

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El filtro prensa constan de una serie de placas rectangulares verticales dispuestas una detrás de otra sobre un bastidor. Sobre las caras de estas placas se colocan telas filtrantes, generalmente de tejidos sintéticos. El espacio que queda entre dos placas, en su parte central hueca, es el espesor que adquirirá la torta resultante.  CENTRIFUGADORA La centrifugadora es un tambor cilindro-cónico de eje horizontal que se fundamenta en la fuerza de centrifugación para la separación de la fase sólida del agua. Hay dos tipos de centrifugación en la deshidratación de los lodos. Una de ellas es la centrifugación contracorriente, donde los sólidos y el líquido circulan en sentido contrario dentro del cilindro. (Rios, 1980) 7.3 ZANJON DE OXIDACIÓN 7.3.1 ORIGEN DE LOS ZANJONES DE OXIDACIÓN

El sistema de zanjón de oxidación fue desarrollo por Pasveer en 1553, en Holanda y dos años después se puso en operación el primer prototipo, en Voorschoten con el objetico de proporcionar un proceso de tratamiento, fácil de operar y de bajo costo para cumplir con los requerimientos de manejo de vertidos municipales e industriales de la comunidad, fue ejecutado en el Institute for Public Health Engineering (TNO). En 1956, en Nittenan, se construyó el primer zanjón alemán.

Los primeros zanjones de oxidación, de los Estados Unidos, se construyeron a comienzos de la década de los sesenta, principalmente para el tratamiento de caudales entre 1 L/s y 1800 L/s. Estudios hechos por la Environmental Protection Agency (EPA), en 1978, indicaron que el zanjón de oxidación tiene costos anuales de operación inferiores a los de procesos biológicos similares, en el rango de 4 a 440 L/s. En general, el zanjón de oxidación puede ser una alternativa económica en poblaciones medianas, de 1.000 a 60.000 habitantes, que dispongan de suministro eléctrico confiable y donde la disponibilidad de terreno es escasa y su costo es elevado. (Romero, 2000) 7.3.2 TIPOS DE ZANJÓN DE OXIDACIÓN Los canales de oxidación trabajan bajo la modalidad de fangos activados, en

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donde el reactor biológico es de mezcla total con aireación por rotores superficiales cubiertos y la salida del agua es regulada por un vertedero móvil. El programa de canales de oxidación incluye los siguientes sistemas de operación:  CANAL DE OXIDACIÓN TIPO A Para poblaciones de hasta 1000 habitantes equivalente sirve este sistema, el cual consiste en un único reactor con entrada continua que lleva a cabo la función de aireación, decantación y descarga, en forma secuencial. “El agua entra en continuo y la descarga se produce por un vertedero móvil controlado automáticamente. En la fase de aireación se produce la degradación de los contaminantes del agua residual por medio de los microorganismos del fango activado. En la decantación, los fangos se sedimentan en el propio canal permitiendo, después de unos minutos, el inicio de la descarga del agua depurada por el vertedero móvil regulable. El fango activado en exceso se elimina del reactor por medio de un bombeo que lo envía a concentración y deshidratación. Las fases están controladas por un autómata y sólo requiere supervisión y control para la operación de la instalación. Los parámetros de salidas que normalmente se alcanzan en este tipo de instalación son”:



BOD< 20 mg/l



SS< 35 mg/l



Nitr.< 2 mg/l

Los fangos en excesos son estabilizados en el proceso aerobio de depuración y no producen olores al extraerlos. (Kjaer, 2011)

ILUSTRACIÓN 4 CICLO DE OPERACIÓN DEL CANAL TIPO A

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FUENTE: (Kjaer, 2011)

En donde N es la eliminación de DBO y Nitrificación y S es la sedimentación.

 CANAL DE OXIDACIÓN TIPO D Para poblaciones de hasta 5000 habitantes equivalente sirve este sistema de canales de oxidación tipo D, igual que el tipo A, “realiza la función de decantación en el propio canal, pero al tener dos canales la operación es continua, alternándose los canales para trabajar en la fase de aireación y decantación secuencialmente. Las secuencias están controladas por autómatas y los parámetros de vertidos son similares a los del Canal tipo A”. (Kjaer, 2011)

ILUSTRACIÓN 5 CANAL DE OXIDACIÓN TIPO D

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FUENTE: (Kjaer, 2011)  CANAL DE OXIDACIÓN TIPO T “En el canal de oxidación tipo T, la sección de fangos activados está integrada por tres tanques de aireación con decantación y aireación alternante en los dos tanques de extremo y aireación continua en el tanque del centro. Los tres tanques están intercomunicados hidráulicamente a través de un orificio en los muros divisorios y el flujo del agua es dirigido por medio de la arqueta de reparto de entrada y los vertederos de salida de cada tanque. Este sistema es especialmente ventajoso en depuradoras de una capacidad de 30.000 a 300.000 habitantes equivalentes”. (Kjaer, 2011)

ILUSTRACIÓN 6 CANAL DE OXIDACIÓN TIPO T

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FUENTE: (Kjaer, 2011)

En donde S es la sedimentación, DN es la denitrificación y eliminación de DBO y N es nitrificación y eliminación de de DBO. “Las dos principales ventajas de este sistema son: - Sencillez operativa, al no tener decantación secundaria exterior ni recirculación de fangos - Obtención de altos niveles de calidad del efluente con costes de inversión competitivos, al poder realizar prácticamente toda la obra civil en una estructura tipo canal sin armaduras significantes” (Kjaer, 2011).  SISTEMA BIODENITRO Y BIODENIPHO “El proceso Biodenitro, es un proceso de depuración biológico para eliminar nitrógeno en el agua residual que viene en forma de amoníaco, basado en la nitrificación y desnitrificación secuencial en dos canales de oxidación con

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decantación externa”. (Kjaer, 2011)

ILUSTRACIÓN 7 CICLO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA BIODENITRO

FUENTE: (Kjaer, 2011) “En la primera fase los rotores de ambos canales están en operación, oxidando la materia carbonada y nitrificando el amoníaco a nitrato. En la segunda fase, se deja de airear en un canal y por lo tanto se producen condiciones anoxias sin oxígeno libre. En esta fase trabajan las bacterias desnitrificadoras que utilizan el oxígeno de los nitratos para su respiración, produciendo nitrógeno libre y por lo tanto la desnitrificación del agua residual. En la tercera y la cuarta fase se repite los procesos, pero invertido en los canales. El período de cada fase se ajusta de acuerdo a las características del vertido a tratar y todo el período dura normalmente de 4-8 horas. Los parámetros de vertidos que se obtienen son los siguientes:    

DBO