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Edición y corrección: Dania Relova Fernández

Diseño de interior y cubierta: Frank Herrera

Diagramación: Israel de Jesús Zaldívar Pedroso

© Carlos L. Menéndez Gutiérrez y Jesús García, 2007



Versión impresa

ISBN 978-959-07-0339-3

Félix Varela



Versión electrónica

ISBN 978-959-16-0619-8

Editorial Universitaria
Procesos para el tratamiento de aguas residuales / Carlos Menendez Gutierrez y Jesús M. Pérez Olmo




                                                                  PRESENTACIÓN



 En 1984, los autores, en colaboración con el Dr. Jan Chudoba, del Instituto de
 Tecnología Química de Praga, publicaron el libro Fundamentos Teóricos de
 Algunos Procesos para la Purificación de Aguas Residuales, con el propó-
 sito de que sirviera de apoyo a aquellos profesionales de habla hispana que
 realizaban su trabajo de doctorado en la República de Checoslovaquia. Dos
 años después se publicó la segunda edición de ese título.
     Para continuar supliendo las crecientes necesidades de los profesionales de
 este campo de trabajo, los autores publicaron en Cuba en 1991, bajo el título de
 Procesos para el Tratamiento Biológico de Aguas Residuales Industriales
 un texto enfocado fundamentalmente, tal como indica su título, en los procesos
 biológicos para el tratamiento de aguas residuales. Doce años después se pre-
 senta esta segunda edición con el mismo propósito.
     Como generalmente ocurre, una vez que concluyó la preparación de esta
 nueva edición, es que los autores se consideraron en condiciones de iniciar el
 trabajo. Esto es consecuencia de la inconformidad natural que se experimenta,
 a partir de la convicción de que toda obra humana es perfectible. También esto
 forma parte de las enseñanzas que nos legó Jan Chudoba.
     La justificación que nos anima ahora, como en las ocasiones anteriores,
 estimulados por los resultados ya logrados, es continuar contribuyendo a la su-
 peración de los profesionales dedicados a esta esfera de trabajo, con temas
 actualizados y expuestos de manera más completa que en la primera edición.
 Otra justificación quizás sea el de siempre haber pensado que el camino por
 recorrer era más largo del que en realidad ha sido y que sentimos la necesidad
 de expresarnos. Ambas justificaciones son igualmente válidas.
     Agradecemos a todos los que han colaborado en este nuevo empeño, en
 especial a la profesora Julia María Hernández por su apoyo en la preparación de
 los materiales, y a nuestras familias por la paciencia manifestada una vez más.
     Deseamos dedicar esta obra, que es a su vez un nuevo punto de partida a la
 memoria de Jan Chudoba, que sigue estando entre nosotros.
                                                                                         a JAN


                                                III




 Ciudad de La Habana : Editorial Félix Varera - Editorial Universitaria, 2007. ISBN 978-959-16-0619-8
Procesos para el tratamiento de aguas residuales / Carlos Menendez Gutierrez y Jesús M. Pérez Olmo




                                                                        LOS AUTORES



   Carlos L. Menéndez Gutiérrez
               Graduado de Ingeniero Químico en la Universidad de La Habana
               y de Especialista en Saneamiento Ambiental en el Centro Nacio-
               nal de Investigaciones Científicas de Cuba. Obtuvo el título de
               Doctor en Ciencias Técnicas en el Instituto de Tecnología Quí-
               mica de Praga. Ha impartido cursos en el tema de tratamiento de
               aguas residuales en universidades cubanas y latinoamericanas.
               Miembro del Comité Doctoral del Instituto Tecnológico de Tolu-
               ca, México, y del Tribunal de Grados Científicos para Ingeniería
               Química de Cuba. Miembro de varias sociedades científicas. Es
               autor de artículos técnicos.

   Jesús M. Pérez Olmo
                Graduado de Ingeniero Químico en la Universidad de La Habana
                y Máster en Ingeniería Saneamiento Ambiental. Ha impartido
                cursos sobre tratamiento de aguas residuales en universidades
                cubanas. Es Especialista Principal en el tratamiento de aguas
                residuales de la Compañía Especializada en Soluciones Integra-
                les Geográficas y Medio Ambientales (CESIGMA S.A.) y ha
                brindado asesoría en plantas cubanas y de otros países latinoa-
                mericanos.




   Edición auspiciada por:
   «Environmental Capacity Enhancement Project in Cuba».
   Proyecto internacional establecido entre la University of Guelph y el
   Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría
   Financiado por:
   Canadian International Development Agency (CIDA)

                                                  IV




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Procesos para el tratamiento de aguas residuales / Carlos Menendez Gutierrez y Jesús M. Pérez Olmo




                                                                                   ÍNDICE



 CAPÍTULO 1. Indicadores de la contaminación / 1
        1.1. Introducción / 1
        1.2. Contenido de sólidos / 1
        1.3. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) / 3
        1.4. Demanda teórica de oxígeno (DTO) y demanda química
               de oxígeno (DQO) / 11
        1.5. Carbono orgánico total (COT) / 13
        1.6. Nitrógeno / 17
        1.7. Fósforo / 19
        1.8. Características de las aguas residuales / 20
        1.9. Mediciones del caudal / 29
        1.10. Disminución del volumen y fortaleza de los residuales / 35
 CAPÍTULO 2. Pretratamiento de aguas residuales / 39
        2.1. Compensación / 39
        2.2. Sedimentación / 53
 CAPÍTULO 3. Oxidación biológica nitrificación / 77
        3.1. Principios de la oxidación biológica / 77
        3.2. Metabolismo / 78
        3.3. Biodegradabilidad de las aguas residuales / 82
        3.4. Cinética del crecimiento biológico y remoción de sustrato / 87
        3.5. Nitrificación-desnitrificación / 98
 CAPÍTULO 4. Lodo activado / 119
        4.1. Generalidades / 119
        4.2. Parámetros básicos / 123
        4.3. Principales modificaciones tecnológicas / 128

                                                 V




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Procesos para el tratamiento de aguas residuales / Carlos Menendez Gutierrez y Jesús M. Pérez Olmo




             4.4.   Aplicación de los modelos cinéticos / 135
             4.5.   Factores que inciden en la eficiencia de purificación / 138
             4.6.   Presencia de compuestos orgánicos en el efluente / 144
             4.7.   Producción de biomasa y lodo / 146
             4.8.   Determinación de constantes a escala de laboratorio / 157
             4.9.   Requerimientos nutricionales / 160
   CAPÍTULO 5. Transferencia de oxígeno / 165
          5.1. Introducción / 165
          5.2. Consideraciones fundamentales de la transferencia
               de oxígeno / 165
          5.3. Requerimiento de oxígeno / 173
          5.4. Implementos de aereación / 180
          5.5. Consumo de potencia / 192
   CAPÍTULO 6. Filtros percoladores / 199
          6.1. Introducción / 199
          6.2. Partes de las que consta un filtro percolador. Mecanismo
               de remoción de la DBO / 201
          6.3. Parámetros básicos del proceso. Definiciones / 206
          6.4. Clasificación de los filtros percoladores / 207
          6.5. Recirculación / 208
          6.6. Factores que inciden en la eficiencia de purificación / 209
          6.7. Diseño de filtros percoladores / 214
          6.8. Cálculo de las constantes del modelo de primer orden / 224
   CAPÍTULO 7.      Lagunas de estabilización / 235
          7.1.      Características generales / 235
          7.2.      Lagunas aerobias / 235
          7.3.      Lagunas anaerobias / 236
          7.4.      Lagunas facultativas / 236
          7.5.      Régimen de flujo en las lagunas / 240
          7.6.      Diseño de lagunas de estabilización / 241
          7.7.      Relación área: volumen para las lagunas / 247
          7.8.      Remoción de patógenos / 248


                                                  VI




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Procesos para el tratamiento de aguas residuales / Carlos Menendez Gutierrez y Jesús M. Pérez Olmo




            7.9. Balance hídrico de las lagunas / 248
            7.10. Criterios para la operación y mantenimiento de las lagunas
                  de estabilización / 251
 CAPÍTULO 8.       Digestión anaerobia / 255
        8.1.       Introducción / 255
        8.2.       Mecanismo de la digestión anaerobia / 256
        8.3.       Distintas variantes de los procesos de digestión anaerobia / 257
        8.4.       Factores que controlan el proceso de digestión / 265
        8.5.       Parámetros indicadores del curso de la digestión / 269
        8.6.       Métodos de diseño / 272
        8.7.       Puesta en marcha de los digestores anaerobios / 282
 CAPÍTULO 9.       Manejo de lodos / 285
        9.1.       Introducción / 285
        9.2.       Contenido de humedad y volumen de los lodos / 285
        9.3.       Lodos primarios y secundarios. Criterios de estimación / 287
        9.4.       Espesamiento por gravedad / 290
        9.5.       Lechos de secado / 291
        9.6.       Volumen de agua producida / 293
 ANEXO 1. Volúmenes mínimos de muestras y criterios
          para su conservación / 295
 ANEXO 2. Distribución normal acumulativa / 296




                                               VII




 Ciudad de La Habana : Editorial Félix Varera - Editorial Universitaria, 2007. ISBN 978-959-16-0619-8
Indicadores de la Contaminación




                                                                    CAPÍTULO 1
         INDICADORES DE LA CONTAMINACIÓN



1.1. INTRODUCCIÓN
    Generalmente el nivel de contaminación de las aguas residuales no
se mide a partir del conocimiento de la concentración de los distintos
constituyentes de un agua residual que pueden ser considerados conta-
minantes, sino determinando parámetros globales como son la demanda
bioquímica de oxígeno (DBO) y la demanda química de oxígeno (DQO)
entre otros. En ocasiones, fundamentalmente cuando se trabaja con
residuales industriales, las características de estos son tales que se
requiere conocer constituyentes específicos como los metales pesados,
tensoactivos, fenoles y otros.
    En algunos casos, por ejemplo, para la determinación de trazas de con-
taminantes orgánicos en aguas superficiales y para beber, se emplean téc-
nicas analíticas especiales a saber la cromatografía y la espectrometría de
masas.


1.2. CONTENIDO DE SÓLIDOS
    El conocimiento del contenido de sólidos de un agua o agua residual aporta
valiosa información sobre sus características, lo cual permite conocer de forma
general su naturaleza y si estas requieren de algún tratamiento en particular que
facilite su remoción o eliminación.
    Cuando se habla de sólidos contenidos en un agua residual se está haciendo
referencia a aquello que permanece como residuo después de la evaporación y
secado de la muestra a 103 oC.
    Los sólidos en las aguas residuales pueden estar en forma suspendida, coloi-
dal y disuelta. Todos ellos a su vez son de naturaleza inorgánica u orgánica. La
fracción orgánica de los sólidos se determina mediante la pérdida por ignición a
600 oC.


                                       2
Indicadores de la Contaminación

1.3. DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO)
    La DBO es uno de los parámetros más utilizados en la caracterización de
los contaminantes orgánicos. Esta determinación brinda un estimado del oxíge-
no disuelto requerido por los microorganismos en la degradación de los com-
puestos biodegradables.
    El mecanismo presente durante la prueba de laboratorio de la DBO es esen-
cialmente biológico y no depende solo del oxígeno presente y utilizado en un
momento dado, sino también de la velocidad a la que este se consume, y por
tanto, del tiempo. Así, es necesario fijar un tiempo y temperatura de incubación
estándar, que normalmente es de cinco días, y 20 C como temperatura de refe-
rencia.
    En muchos casos se necesita conocer la demanda bioquímica de oxíge-
no total de un agua residual (DBO última). En tal sentido se requiere deter-
minar previamente la velocidad a la cual ocurre la reacción en toda su
extensión.
    La variación en el tiempo de la demanda bioquímica de oxígeno de un
agua residual sigue una cinética de primer orden, según se observa en la figu-
ra 1.2.
    La determinación de la DBO implica conocer el oxígeno consumido por
las bacterias en un intervalo de tiempo, ya que existe una relación cuantita-
tiva entre el oxígeno consumido y la concentración del material orgánico que
se transforma en dióxido de carbono y amoníaco. Esta relación puede ser
representada por la siguiente ecuación generalizada:


                     a   b   3                   a   3
C n H a Ob N c   n             c O2    n CO 2            c H 2O   c NH 3       (1.1)
                     4   2   4                   2   2

    La diferencia en el contenido de oxígeno al inicio y al final del análisis,
por litro de muestra utilizada constituye la DBO de la muestra expresada en
mg de O2 L .
    Lógicamente la velocidad y extensión a la cual ocurre esta degradación
depende de la temperatura y del tiempo, de ahí que se ha aceptado para
estos dos parámetros 20 o C y cinco días respectivamente, tal como ya fue
expresado.




                                       3
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo




 Fig. 1.2. Variación en el tiempo de la DBO: a) remanente, b) satisfecha.


1.3.1. Cinética de la DBO
   Los estudios cinéticos sobre la DBO han indicado que para propósitos
prácticos esta puede ser considerada, con un buen grado de aproximación,
como una reacción de primer orden, lo cual se expresa matemáticamente
mediante la ecuación:

                                         dLt
                                                      k Lt                 (1.2)
                                         dt
donde:
   Lt: DBO remanente, mg L .
   t: tiempo, días.
   k´: constante de velocidad, día .
    Como toda constante de velocidad de reacción, k es función de la tempera-
tura. Aunque el análisis típico o estándar se realiza a 20 oC el valor de k puede
calcularse a otra temperatura mediante la relación:
                                                      T 20
                                    kt         k 20                        (1.3)
    en la que           = 1,056
    La integración de la ecuación 1.2 conduce a:

                               Lt    Lo e - k t        Lo10   kt           (1.4)



                                                  4
Indicadores de la Contaminación

donde:
   Lo: DBO última o total de la muestra, mg L .
   k: k´/2,3
    Tal como se aprecia en la ecuación anterior, el conocimiento de la DBO
remanente de la muestra en un instante dado exige conocer Lo y k. La determi-
nación de Lt no es lo más común en el trabajo rutinario. Generalmente lo que
más interesa conocer es aquella parte de la demanda bioquímica de oxígeno que
se ha satisfecho en un intervalo de tiempo y a una temperatura dada. Así, si Lo
es la demanda total o última de un agua residual, y Lt es la demanda remanente
en un instante t dado, la demanda satisfecha o ya ejercida (Y) será:
                                                                    kt
                      Y        Lo        Lt     DBOt      Lo 1 10                           (1.5)

   Para el caso del análisis realizado a 200 C y cinco días:
                                                                         5k
                  Y       Lo        L5        DBO5 d , 20 C   Lo 1 10                       (1.6)

    Estas expresiones describen los lugares geométricos representados en la
figura 1.3.




                          Fig. 1.3. Relación entre Lo y Lt.
    Como ya fue expresado, es la DBO ejercida la que se determina
normalmente en el periodo de incubación de cinco días y a la temperatura de
referencia de 20 oC. El conocimiento de la DBO total (Lo), se requiere solamente
en casos específicos y conlleva un tratamiento matemático especial de los
datos experimentales.
    Para que la muestra de agua residual sea analizada exitosamente es nece-
sario que contenga una determinada población microbiana o en su defecto esta

                                                     5
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

sea suministrada, a fin de que la materia orgánica pueda ser degradada y tenga
lugar consumo de oxígeno.
    Este aspecto reviste una gran importancia porque puede ocurrir que el agua
residual objeto de análisis contenga bacterias del género Nitrosomonas y
Nitrobacter, las cuales no degradan la materia orgánica, sino que oxidan dife-
rentes formas del nitrógeno con el consiguiente consumo de oxígeno (fenómeno
este denominado nitrificación), y por lo que se falsean los resultados. En las
siguientes ecuaciones se muestra la estequiometría del proceso de nitrificación.

                   2NH3      3O2         2NO2    2H2 O 2H
                   2NO2        O2        2NO3

    Siendo la reacción total:

                   2NH 3      4O 2       2NO 3   2H   2H 2 O               (1.7)

     En aquellos casos en que se analizan efluentes de plantas de tratamiento
que utilizan filtros percoladores o lodos activados están presentes las bacterias
nitrificantes, por lo que al realizar el análisis de la DBO se debe añadir alguna
sustancia que las inhiba. El compuesto más comúnmente empleado para inhibir
el crecimiento de organismos nitrificantes es el alilthiourea (ATU).
     Cuando estos tipos de bacterias están presentes, la curva de la DBO puede
mostrar un comportamiento similar al representado en la figura 1.4.




               Fig. 1.4. Efecto de la nitrificación sobre la DBO.
    Obsérvese que de estar presente el fenómeno de la nitrificación la DBO de-
terminada resultará mayor que la que corresponde a la degradación de la materia
orgánica, lo cual introduce un error por exceso con respecto a lo deseado.

                                          6
Indicadores de la Contaminación

1.3.2. Influencia de la constante de velocidad
       en la determinación de la DBO
    La constante de velocidad desempeña un rol importante en la fracción de la
DBO que puede ser estimada en un periodo de cinco días. Cuanto mayor sea el
valor de esta constante, mayor será el valor de la DBO determinada.
    Esta influencia se puede apreciar en la figura 1.5 donde a manera de ejem-
plo se han considerado cuatro valores de k.




                   Fig. 1.5. Influencia de k sobre la DBO.
    En la figura 1.5 puede apreciarse cómo para el mismo tiempo, por ejemplo
cinco días, la DBO será distinta en función del valor de la constante de velocidad k.
    La variación que puede experimentar la constante k ha sido motivo de am-
plias discusiones, pero se pueden considerar como las principales causas:
     La naturaleza de la materia orgánica.
     La habilidad de los microorganismos para utilizar esa materia orgánica.
    Así por ejemplo, se puede señalar que en general la parte soluble es degra-
dada más rápidamente que aquella que se presenta en forma coloidal o en sus-
pensión.
    Otro aspecto de importancia en la determinación de la DBO es la concen-
tración de microorganismos que aporte el inóculo, ya que de ser muy baja, la
DBO ejercida en el tiempo también será baja debido a que las bacterias tardan
un tiempo apreciable en multiplicarse como para ejercer una oxidación notable.
Este fenómeno se destaca en la figura 1.6. En el caso mostrado por la curva A,
la concentración de microorganismos es tres órdenes de magnitud mayor que en
B. Esta es la razón por la cual este es un aspecto que debe ser tenido en cuenta
en el momento de realizar el análisis de la DBO. En el caso de efluentes de
plantas de tratamiento o residual humano este aporte está garantizado de por sí,
pudiendo no ocurrir lo mismo cuando la muestra tiene otra procedencia.

                                         7
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo




      Fig. 1.6. Efecto de la concentración del inóculo sobre la DBO.
    Otro factor no menos importante en la determinación de la DBO es el grado
de aclimatación de las bacterias utilizadas en el curso del análisis para el sustrato
en particular que presenta la muestra. Por supuesto este fenómeno se presenta
cuando la muestra no contiene microorganismos y resulta necesario inocularlos.
    En la figura 1.7 se muestra el caso de un inóculo no adaptado al sustrato de
interés. De ahí que se presente retraso en la DBO ejercida en la etapa inicial.
Por el contrario, en el ejemplo representado en la figura 1.8, se ilustra una situa-
ción en la que el inóculo está perfectamente adaptado al sustrato y no se pre-
senta la fase inicial de retraso.




       Fig. 1.7. Efecto de la aclimatación del inóculo sobre la DBO.
    Se puede apreciar que las curvas que aparecen en las figuras 1.6, 1.7 y 1.8
presentan una tendencia que no se corresponde exactamente con lo que predice
una cinética de primer orden (figura 1.4), ya que las primeras presentan una
meseta más o menos acentuada y que pudiera ser falsamente interpretado como

                                         8
Indicadores de la Contaminación

un proceso de nitrificación. La explicación de la aparición de estas mesetas
pudiera ser la siguiente: durante el primer y segundo día de incubación, la mate-
ria orgánica soluble es rápidamente oxidada y la remanente es convertida en

velocidad de oxidación, lo cual lleva asociada una fase de respiración endógena.
Posteriormente se aprecia un incremento en la velocidad de oxidación, que es
atribuible a un incremento en la población de protozoos, los cuales son predadores
de las bacterias. La presencia y duración de esta meseta entre estas fases
depende del intervalo de tiempo entre el pico de la población bacteriana y el de
la población de protozoos.




          Fig. 1.8. Efecto sobre la DBO de un inóculo adaptado.
    Se ha comprobado que mientras menor sea la constante de autooxidación
de la biomasa, la meseta será más acentuada. Por otra parte, mientras sean los
valores mayores de esta constante la meseta tiende a no aparecer.
    Otro aspecto importante relacionado con la DBO está en el hecho de que
por mucho tiempo se pensó que después de un largo periodo de incubación (por
ejemplo, 20 días) la DBO determinada era la DBO última o total de la muestra
(Lo), y que al mismo tiempo era igual a la DQO teórica, cuando en realidad
existe discrepancia entre el valor determinado y la demanda teórica de oxígeno.
El siguiente ejemplo pondrá en evidencia esta discrepancia.
    La oxidación de la glucosa a dióxido de carbono y agua requiere de 192 g de
oxígeno por mole de glucosa (180 g/mol) ó 1,065 mg de oxígeno por miligramo
de glucosa según la estequiometría de la ecuación 1.8:

               C 6 H12 O 6     6 02         6 CO 2      6 H2 O                (1.8)

    Así, una solución de glucosa de 300 mg L tiene una demanda teórica de
oxígeno de 320 mg L , sin embargo la determinación de la DBO con periodos

                                        9
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

de incubación de 20 días ha reportado valores de Lo en el intervalo de 250 a
285 mg L . De aquí resulta evidente que no toda la glucosa ha sido oxidada a
dióxido de carbono y agua, interpretándose en los siguientes términos este fenó-
meno: en el curso de la degradación de la glucosa las bacterias obtienen energía
para su crecimiento y reproducción, lo cual implica que parte de la materia
orgánica es convertida en tejido celular, por lo que no experimenta oxidación
completa, hasta que ocurre la respiración endógena. Cuando las bacterias mue-
ren este tejido celular se convierte en alimento de otras y prosigue la conversión
de la materia orgánica en dióxido de carbono y agua. Una parte de las bacterias
vivas y muertas sirven de alimento a los protozoos y continúa la degradación de
la materia orgánica.




    Fig. 1.9. Secuencia de degradación de los compuestos orgánicos.
    En cada una de las etapas por las que transcurre la oxidación de la materia
orgánica se producen desechos del metabolismo que resultan resistentes a la
degradación biológica y que pueden explicar la discrepancia entre la demanda
teórica y práctica. En el diagrama de la figura 1.9 se ilustra esta secuencia de
fenómenos.


1.3.3. Cálculo de la constante de oxigenación
    A partir de la importancia que existe, a la hora de caracterizar un agua
residual, del conocimiento de la relación entre la DBO cinco días, DBO última y
la constante de velocidad, k, han sido propuestos muchos métodos para el

                                         10
Indicadores de la Contaminación

cálculo de k.1, 3 A continuación se presenta uno que, aunque no muy exacto, es
sencillo y permite tener una idea del valor de esa constante antes de pasar a una
determinación más exacta, pero también más laboriosa.
    El método de Rhame para determinar k, o método de los dos puntos de
Rhame,4 se basa en la relación entre los valores de la DBO para dos tiempos
dados. El segundo tiempo es el doble del primero. Con el método de Rhame
pueden calcularse la DBO última y la constante de de-oxigenación:

                                           X2
                                 L                                                     (1.9)
                                         2X Z

                                     1                 X
y                            k               log                                      (1.10)
                                 T       t         Z       X
donde:
   L: DBO última.
   X: DBO en el tiempo t.
   Z: DBO en el tiempo T = 2t.
    Según Rhame, para t = 10 días, los valores de L y k que se obtienen son
comparables a los que se estiman cuando se usan otros métodos.
    En la tabla 1.1 se comparan los valores de la DBO última y la constante de
de-oxigenación para residuales teneros, calculados por diferentes métodos.

Tabla 1.1. Valores de k y Lo de residuales teneros calculados por diferentes
           métodos




1.4. DEMANDA TEÓRICA DE OXÍGENO (DTO)
     Y DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO)
    Cualquier compuesto orgánico teóricamente puede ser oxidado hasta la ob-
tención final de productos estables como H2O , CO2 , NH3 y SO 2 . La cantidad
                                                              4


                                             11
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

de oxígeno necesaria para la oxidación se denomina demanda teórica de oxíge-
no (DTO). La DTO puede ser calculada considerando las relaciones
estequiométricas:

                                     y       z                      y
                 Cx H y O z     x              O         x CO 2       HO      (1.11)
                                     4       2 2                    2 2

                                             4x    y 2z
                                DTO                                           (1.12)
                                                  MM
donde:
   MM: Masa molecular del compuesto.
   Para compuestos que contienen N en su estructura, la ecuación para la
demanda teórica de oxígeno es:

                                         y 3p z
               Cx H y Oz N p        x              O   x CO 2
                                           4    2 2
                                         y 3p                                 (1.13)
                                              H 2 O pNH 3
                                           2


                                        4x       y 3p     2z 8
                           DTO                                                (1.14)
                                                  MM
    Si además el azufre participa en su composición,

                                             y 3p       2q              z
              C X H y O z N p Sq     x                        2q          O
                                                4                       2 2

                                                                              (1.15)
                        y 3p
              x CO 2         H 2O            p NH 3     q H 2SO 4
                          2

                                    4x       y    6q 3 p     2z
                        DTO                                         8         (1.16)
                                                  MM

    La demanda química de oxígeno brinda una medida más real de la cantidad
de oxígeno requerida para la oxidación de los compuestos orgánicos a CO2 y
H2O, de acuerdo con las ecuaciones 1.11, 1.13 y 1.15, cuando se utiliza un
oxidante fuerte.

                                                 12
Indicadores de la Contaminación

     El mejor método para determinar la DQO es aquel que arroja valores igua-
les o cercanos a la DTO. Actualmente este método es el estándar del dicromato. 5
Este método utiliza una solución de dicromato de potasio cuya concentración
molar de equivalente es 0,25, en 50 % de ácido sulfúrico. Bajo estas condicio-
nes, con sulfato de plata como catalizador, la mayoría de los compuestos son
oxidados entre 90 y 100 %.6
     No obstante, algunos compuestos no son oxidados o lo son solo parcialmen-
te cuando se utiliza el método estándar con dos horas de reflujo. Esto se ha
comprobado en algunas bases fuertes nitrogenadas como las metilaminas,
etilaminas, piridinas y sus derivados (tabla 1.2).

Tabla 1.2. Algunos compuestos parcialmente oxidables por el dicromato
           en medio ácido

       Compuesto      Oxidación             Compuesto           Oxidación
                         %                                         %
     Metilamina          3,7         Etilamina                    36,1
     Dimetilamina        1,9         Dietilamina                  27,8
     Trimetilamina       5,2         Trietilamina                 37,4
     Piridina            4,4         2,4 dimetilpiridina          58,0
     metil piridina     30,0
     3 metil piridina   27,8         2,4,6 trimetilpiridina         85,2

     Otras bases heterocíclicas nitrogenadas como la quinolina, pirol, pirolidina,
indol, inidiazol, purina y pirimidina, son oxidadas fácil y completamente. Sin em-
bargo, en los compuestos heterocíclicos que contienen dos o más átomos de
nitrógeno en la molécula, solamente una parte de ellos se desprende como amo-
níaco y el resto como nitrógeno.7
     El azufre de los compuestos orgánicos es oxidado a sulfato. La excepción
está constituida por el grupo CH3
     Durante la prueba de la DQO se determinan tanto los compuestos
degradables como los no degradables biológicamente. También se incluyen aque-
llos compuestos inorgánicos reductores que pueden ser oxidados por el dicromato
en medio ácido, como es el caso común del anión cloruro.


1.5. CARBONO ORGÁNICO TOTAL (COT)
    Hoy día el COT es utilizado como una medida del contenido de sustancias
orgánicas en el agua. Sin embargo, este parámetro no brinda información acer-
ca del oxígeno necesario para la oxidación de las mismas. Así, por ejemplo, la

                                       13
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

glucosa y el ácido caproico poseen en su molécula el mismo número de átomos
de carbono, no obstante la demanda teórica de oxígeno (DTO) de ambos com-
puestos es diferente:
                                                                       1
              C6 H12 O 6    6O 2     6CO 2    6H 2 O DTO 1,07 gg           (1.14)

                                                                       1
              C6 H12 O 2   8O 2     6CO 2     6H 2 O DTO     2,21 gg       (1.15)
    En el primer caso se requieren 2,66 g de oxígeno para la oxidación de 1 g de
carbono. En el segundo caso cada gramo de carbono necesita 3,55 g de oxígeno
para la oxidación total.
    En el orden teórico existe una relación entre la DTO y DQO, así como entre
la DTO y el COT.1 Por tanto, existe también una relación entre la DQO y el
COT. En el mismo plano teórico cabe suponer que la relación DTO/COT varía
entre los límites de cero, cuando los compuestos orgánicos no son oxidables por
el dicromato, hasta 5,33, que es la relación para el metano según la ecuación:

                           CH 4     2 O2     CO 2   2 H 2O                 (1.16)
    En la tabla 1.3 se representa esta relación para algunos compuestos orgáni-
cos comunes.

Tabla 1.3. Relación DTO/COT de algunos compuestos8

                       Compuesto            Relación DTO / COT
                     Ácido acético                  2,67
                     Glucosa                        2,67
                     Sacarosa                       2,67
                     Piridina                       3,33
                     Benceno                        3,33
                     Etilamina                      4,00
                     Metano                         5,33

    El valor límite de 5,33 para la relación DTO/COT es también válido para
mezclas de compuestos, aunque en la medida que aumenta en complejidad la
composición del residual, la DTO va perdiendo su interés práctico y la relación
DTO/COT llega a ser inoperante.
    Para las aguas residuales, constituidas por mezclas de sustancias cuya com-
posición no siempre se conoce y de concentración variable, la DTO tiene esca-
so valor práctico. De ahí la importancia de la DQO y la DBO como parámetros
indicadores de la contaminación en unidades de oxígeno.

                                             14
Indicadores de la Contaminación

     En la práctica la relación DQO/DTO es muy variable debido a que, como ya
se dijo, hay muchos compuestos orgánicos que no son fácilmente oxidados por
el dicromato. La relación puede ser tan alta como 1 (para el etanol, ácido oxálico
y ácido benzoico)9 y tan baja como 0,02 para la piridina.8 Por tanto, las relacio-
nes DTO/COT que aparecen en la tabla 1.3 para compuestos puros, no son
igualmente válidas para DQO/COT.
     Hay una correspondencia entre las relaciones anteriores y el número de
oxidación promedio (NOP) del carbono (figura 1.10).
     Este puede calcularse por la ecuación:

                                            nO 2
                              NOP 4 2                                        (1.17)
                                            nC

donde:
    nO 2 : Número de átomos de oxígeno necesarios para la oxidación completa
de un compuesto dado en CO2 , H2O, NH3 y H2SO4.
    nC: Número de átomos de carbono en el compuesto dado.




 Fig. 1.10. Dependencia del NOP de la relación DTO/Corg para algunos
                             compuestos.


                                       15
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

    Cuando se aplica la ecuación 1.17 a las moléculas de glucosa, formaldehído
y ácido acético, puede llegarse a la conclusión que en esos compuestos el car-
bono tiene el NOP igual a cero.
    El carbono en todas las aminas alifáticas y alcoholes tiene el NOP igual

    Para los compuestos puros, la ecuación 1.17 se transforma en:

                                                   DTO
                                  NOP     4 2                                    (1.18)
                                                   Corg

    Para aguas residuales la ecuación 1.18 se modifica:

                                               DQO / 16
                                 NOP 4 2
                                               Corg / 12


                                               3 DQO
                                 NOP      4                                      (1.19)
                                               2 Corg

    en la que tanto la DQO como la concentración de carbono orgánico se
expresan en mg L .
    En el mismo plano teórico puede afirmarse que cuando el NOP del
sustrato es menor que cero se hace necesario suministrar oxígeno para la
síntesis celular:

          5nC 6 H12 O 2    6nNH 3 10nO 2           6 C5 H 7 NO 2   n
                                                                       18nH 2O   (1.20)
   Para sustratos cuyo NOP es mayor que cero, el contenido de oxígeno en su
molécula es tal que no requiere un suministro adicional del mismo para que
ocurra la síntesis celular:

           5nC6 H 8 O 7    6nNH 3        6 C5 H 7 NO 2    n
                                                              8nH 2 O 7,5nO 2    (1.21)

    Como se aprecia de la ecuación 1.21 aún queda una cierta fracción del
oxígeno que puede ser utilizado para la oxidación.
    Debe destacarse que cuando la biomasa es considerada como sustrato, su
NOP es igual a cero:

               C5 H 7 NO2    n   5nO 2        5nCO 2      2nH 2O nNH3            (1.22)




                                              16
Indicadores de la Contaminación

1.6. NITRÓGENO
    El nitrógeno en las aguas residuales se puede presentar principalmente en
forma orgánica, formando parte de proteínas, y en forma amoniacal. El nitrito
(NO2 ) y los nitratos (NO3 ) rara vez aparecen en las aguas residuales crudas,
y cuando existen, se trata fundamentalmente de aguas residuales industriales.
    El conocimiento del contenido de nitrógeno en sus variadas formas re-
sulta de gran interés. Así por ejemplo, cuando un agua destinada a consumo
humano presenta nitrógeno orgánico, o nitrógeno amoniacal, es indicio de
contaminación fecal reciente, lo cual es un alerta sobre su peligrosidad. La
urea contenida en la orina del hombre y animales, se descompone aportando
nitrógeno amoniacal según muestra la siguiente ecuación:

                    CON 2 H 4     H 2O                   CO 2   2NH 3                       (1.23)

    Así mismo, las heces fecales de animales contienen cantidades apreciables
de proteínas las cuales son convertidas en nitrógeno amoniacal por las bacterias
según:

             Nitrógeno orgánico              Bacterias                     NH 3             (1.24)

    El nitrógeno amoniacal puede ser posteriormente convertido en iones nitrito
por las bacterias Nitrosomonas:
                                 bacterias
              2NH 3(g)    3O 2                  2NO 2           2H       2H 2 O             (1.25)

    La presencia de iones nitrito en un agua destinada al consumo humano
puede ser considerada también como indicativo de contaminación fecal.
    Esta secuencia de reacciones no termina sino en los iones nitrato, que
constituyen la forma más oxidada del nitrógeno. Esto ocurre cuando los iones
nitrito son oxidados por las Nitrobacter según:
                                             bacterias
                         2NO 2   O2                        2NO 3                            (1.26)

    La secuencia de la nitrificación se puede mostrar gráficamente, tal como
indica la figura 1.11.
    La presencia de diferentes formas del nitrógeno tiene otra connotación cuando
se trata de aguas residuales. En este caso es importante conocer el contenido
de nitrógeno por ejemplo cuando se requiere diseñar un sistema de tratamiento
biológico donde se debe cumplir que el contenido de nitrógeno guarde relación
definida con la DBO y el fósforo, para que el proceso de depuración transcurra
de manera adecuada.

                                             17
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo




       Fig. 1.11. Transformación de diferentes formas del nitrógeno.
    Por otra parte el contenido de nitrógeno y las diferentes formas en que se
puede presentar a lo largo del sistema de tratamiento aporta criterio sobre algu-
nos de los fenómenos que pueden ocurrir.
    En la tabla 1.4 se resume el impacto de diferentes formas del nitrógeno.

Tabla 1.4. Impactos causados por diferentes especies del nitrógeno

        Forma del                 Impacto
        Nitrógeno
        N-NH3                     La oxidación del nitrógeno amoniacal en
                                  un curso receptor produce disminución
                                  del oxígeno disuelto.
                                  El nitrógeno amoniacal no ionizado
                                  puede causar toxicidad en varios
                                  organismos acuáticos.
        N-NO3                     El nitrógeno en forma de nitrato en aguas
                                  potables puede causar metahemoglo-
                                  binemia en niños pequeños.
        Nitrógeno total           El nitrógeno como nutriente es causa de
                                  un crecimiento excesivo de organismos
                                  acuáticos que consumen oxígeno durante
                                  la noche y excretan sustancias que causan
                                  olor y sabor.




                                          18
Indicadores de la Contaminación

1.7. FÓSFORO
    El conocimiento del contenido de fósforo de las aguas residuales reviste
interés, pues este elemento constituye un factor imprescindible para la vida
de los organismos acuáticos al entrar a formar parte de su estructura.
    La presencia de compuestos de fósforo en cursos receptores induce el
crecimiento de algas. Estas afectan de forma notable la calidad de las aguas
ya que pueden ser el origen de toda una secuencia de fenómenos, dado que
este elemento es el limitante para el desarrollo de estas formas de vida. La
luz y los compuestos de nitrógeno (los cuales son los otros elementos im-
prescindibles) son generalmente abundantes.
    El deterioro de la calidad del agua debido a la aparición de color o sabor
desagradables no es el único problema que se genera como consecuencia de
la presencia del fósforo en un cuerpo de agua, sino que se produce otro no
menos grave y es que al morir las algas, estas ocasionan una contaminación
de carácter orgánico en el agua.
    Por todo lo anterior es importante disponer de datos sobre la concentra-
ción de fósforo que se vierte a los cuerpos receptores, provenientes funda-
mentalmente de las aguas residuales industriales y domésticas.
    Las aguas residuales de origen doméstico son relativamente ricas en
fósforo. Antes del desarrollo de los detergentes sintéticos, el contenido
de fósforo usualmente estaba en el intervalo de 2 a 5 mgL y las formas
orgánicas variaban de 0,5 a 1,0 mgL . Esta contribución humana se debe a
la ruptura de las proteínas con la consiguiente eliminación del fósforo en la
orina. En la actualidad muchos detergentes sintéticos contienen grandes
cantidades de poli fosfatos, pudiendo contener hasta 10 % en su composi-
ción. La sustitución del jabón por estos productos ha incrementado notable-
mente el contenido de este elemento en las aguas residuales.




                                     19
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

1.7.1. Diferentes compuestos de fósforo presentes en las aguas
       residuales
    En las aguas residuales se pueden encontrar compuestos de fósforo tales como:

Tabla 1.5. Diferentes compuestos de fósforo
                Nombre                           Fórmula
                Ortofosfatos
                Fosfato trisódico                Na3PO4
                Fosfato disódico                 Na2HPO4
                Fosfato monosódico               NaH2PO4
                Fosfato diamónico                (NH4)HPO4
                Polifosfatos
                Hexametafosfato de sodio         Na3(PO3)6
                Tripolifosfato de sodio          Na5P3O10
                Pirofosfato tetrasódico          Na4P2O7

    Todos los polifosfatos experimentan reacciones químicas produciendo
ortofosfatos (PO4 ), siendo la velocidad con que ocurre este proceso de-
pendiente del tiempo, la temperatura y el pH.


1.8. CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES
1.8.1. Aguas residuales municipales
    Están constituidas por materia orgánica en forma suspendida, coloidal y
disuelta. La carga contaminante de estas aguas puede ser expresada en
función de la contribución per cápita.
    La DBO, contenido de sólidos y el gasto de agua per cápita que normalmen-
te se reporta en la literatura varía de un país a otro, de una zona o región a otra
e incluso con el tiempo en una misma localización. Esto está, por supuesto, en
función de los hábitos alimentarios, de las costumbres y condiciones higiénico-
sanitarias de la población.
    Los valores típicos de la contribución per cápita diaria a los residuales muni-
cipales son 0,5 m3 hab , 104 g hab de DBO y un contenido de sólidos suspen-
didos de 90,7 g hab .10 Estudios parciales realizados en Cuba arrojan valores
de 30 g hab para la DBO y de 24 g hab para los sólidos suspendidos.11
    Como referencia, la composición promedio de un agua residual munici-
pal se muestra en la tabla 1.6. La incorporación de residuales industriales
pueden modificar sustancialmente los valores de estas concentraciones. 12

                                         20
Indicadores de la Contaminación

Tabla 1.6. Características promedio de un residual municipal
    Propiedad                             Máximo     Promedio       Mínimo
    pH                                     7,5          7,2          6,8
    Sólidos totales (mg L-1)               640          453          322
    Sólidos totales volátiles (mg L-1)     503          340          225
    Sólidos suspendidos (mg L-1)           258          145           83
    Sólidos suspendidos volátiles          208          120           62
    (mg L-1)
    DQO (mg L-1)                              436        288           159
    DBO (mg L-1)                              276        158           75
    Cloruros (mg L-1)                         45         35            25


1.8.2. Características de los residuales industriales líquidos
       (RIL)
     Para tener un conocimiento real de las características de un agua resi-
dual no basta con conocer la magnitud, en términos de concentración, de los
parámetros indicadores seleccionados. Si bien el conocimiento de las con-
centraciones puede ser útil en determinadas circunstancias, una mayor in-
formación se obtiene del conocimiento del flujo másico (kgd ).
     Así, por ejemplo, suponiendo dos residuales con las siguientes caracte-
rísticas:
   Residual A:      DBO5 = 500 mgL             Flujo = 200 m3d .
   Residual B:      DBO5 = 250 mgL             Flujo = 600 m3d
    Pudiera pensarse que el residual A es más contaminante que el B debido a
que tiene mayor concentración de DBO. Obviamente el residual A presenta una
DBO superior al B, sin embargo el valor de su flujo o gasto es menor. El produc-
to de la concentración por el flujo da el valor del flujo másico. De esta manera,
para el ejemplo anterior se tiene que:
   Flujo másico de A = 100 kgd
   Flujo másico de B = 150 kgd
    Este simple ejemplo pone de manifiesto que el conocimiento de la concen-
tración de un parámetro solamente no es suficiente para tener una idea real del
poder contaminante de un agua residual.
    Lo anterior destaca la importancia de conocer, con el mayor grado de certe-
za posible, el flujo de agua residual que como promedio se genera. Por lo que se
debe utilizar un procedimiento de muestreo que responda en el mayor grado

                                         21
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

posible a la realidad. Es decir, las determinaciones que se realicen deben ser
representativas, para lo cual estas deben ser proporcionales al flujo.
     Para llegar a disponer de muestras integradas o compuestas, se requiere
que cada una de las tomas puntuales que constituirán la compuesta, sea obteni-
da teniendo en cuenta tanto el flujo promedio de agua residual como el existente
en el instante en que se toma la muestra. El flujo promedio debe ser calculado
previamente.
     Algunas de las características químicas de las aguas residuales municipales
reportadas por Walter13 aparecen resumidas en la tabla 1.7.
     Para estimar el volumen de muestra a extraer en cada momento, puede
utilizarse la expresión:

                                            VT
                                    Vi =       Qi                            (1.27)
                                           Q N

donde:
   Vi: volumen de muestra a tomar en un instante (L).
   VT: volumen total de muestra a recolectar (L).
   N: número de muestras que se van a tomar.
   Q : flujo promedio determinado previamente (Lh ).
   Qi : flujo puntual en el instante de la toma de muestra (Lh ).
    En la aplicación de este procedimiento es recomendable que durante el pe-
riodo de muestreo se tomen volúmenes de muestras, se conserven en frío y se
mida el flujo puntual en el instante de tomar cada muestra.

Tabla 1.7. Características químicas de las aguas residuales municipales

       Constituyentes          Tipo                     Concentración
       Ácidos volátiles        Fórmico, acético,        (8,5-20) mg L-1
                               propiónico, butírico
                               y valérico
       Ácidos solubles         Láctico, glicólico,      (0,1-1,0) mg L-1
       no volátiles            cítrico y benzoico
       Ácidos grasos           Palmítico, esteárico y   60 % del contenido
       superiores              oleico                   de ácidos grasos
       Proteínas y             Al menos veinte          (45-50 %) del
       aminoácidos             tipos                    nitrógeno total
       Carbohidratos           Glucosa, lactosa,
                               sacarosa


                                            22
Indicadores de la Contaminación

    La caracterización de un agua residual reviste dos objetivos muy impor-
tantes:
1. Inmediato. El conocimiento de las características del agua residual per-
              mite conocer su poder contaminante y decidir si el residual
              debe ser sometido a tratamiento o no.
2. Mediato. Cuando las características del agua residual son tales que
              es obligado su tratamiento, los datos que aporta la caracte-
              rización son una parte imprescindible para el diseño de la
              instalación de tratamiento.
    En el curso de un proceso de caracterización se debe tener la mirada
puesta en la posibilidad de estudiar separadamente las diferentes corrientes
de residuales que pueden existir a fin de valorar su posible segregación,
pues dependiendo de sus características pueden requerir de tratamientos
diferentes, por lo que no es aconsejable su mezcla. Esta óptica está, por
supuesto, condicionada en buena medida al estudio o conocimiento previo
del problema.
    Para el caso particular de los residuales industriales líquidos (RIL), un
procedimiento para conocer el balance material y de flujo de todos los pro-
cesos de la industria que utilizan agua y producen residuales, así como de la
industria en su conjunto, puede resultar imprescindible.
    El resultado de la caracterización debe brindar información acerca de la
fortaleza contaminante de cada corriente, así como de las alternativas de
tratamiento y de su reuso.
    El procedimiento general recomendado para obtener la información ne-
cesaria para la caracterización con un mínimo de esfuerzo, y que al mismo
tiempo sea confiable, puede resumirse en cuatro etapas:
     obtener el diagrama de flujo de los residuales,
     elaborar el esquema de muestreo y análisis,
     efectuar el balance de flujo y materiales,
     reportar la variación estadística de los parámetros más significativos
     de la caracterización.


1.8.2.1. Diagrama de flujo de los residuales
    Este diagrama se construye a través de la inspección de todas las operacio-
nes del proceso y con la consulta del ingeniero de la planta. El diagrama debe
indicar los posibles puntos de muestreo y el orden de magnitud del flujo de la
corriente de aguas residuales.


                                      23
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

1.8.2.2. Elaboración del esquema de muestreo y análisis
    El muestreo óptimo es el continuo, con volúmenes que son una fracción del
flujo promedio. Sin embargo, esto pocas veces es factible.
    Otra posibilidad es la de las muestras integradas o compuestas con una
frecuencia de muestreo que se establece de acuerdo con el proceso que se
necesita caracterizar. El periodo de la composición de la muestra y la frecuen-
cia de muestreo se establece de acuerdo con la naturaleza del proceso cuya
agua residual se estudia. Algunos procesos en operación continua pueden
muestrearse cada hora e integrarse por periodos de 8, 12 y hasta de 24 h. Aque-
llos procesos en los que hay mucha variación deben integrarse en periodos de
una o dos horas. A los procesos a templa se les toma muestras en el periodo de
vaciado.
    Los análisis a realizar dependen de las características del parámetro que se
está midiendo. Por ejemplo, el pH debe medirse puntualmente, ya que es posible
en muchos casos que la integración resulte en una neutralización de elementos
ácidos y básicos perdiéndose durante la integración una información valiosa. La
carga de DBO puede requerir integración de las muestras durante 8 h cuando
se pretende diseñar tratamientos de tiempos de retención cortos, aunque mues-
tras integradas durante 24 h resultan suficientes para tratamientos de varios
días de retención como el de las lagunas.
    Cuando se miden constituyentes como nitrógeno y fósforo para determinar
si hay necesidad o no de adición de nutrientes en tratamientos biológicos, son
suficientes muestras integradas de 24 h, ya que los sistemas biológicos tienen
alta capacidad de amortiguamiento. Si se conoce la presencia de sustancias
tóxicas en el agua residual, estas deben ser muestreadas continuamente.
    Un aspecto importante en este punto, al que ya se hizo referencia, es el de la
medición del flujo.


1.8.2.3. Balance de flujo y materiales
    Después de realizados el muestreo y los análisis, debe efectuarse el balance
de flujo y materiales tomando en consideración todas las fuentes de contamina-
ción que sean significativas. En la medida en que el balance coincida con el
efluente total, se confirmará el cuidado con el que se realizó la caracterización.


1.8.2.4. Variación estadística de los parámetros
    Esta información se obtiene de diversas formas, una de ellas consiste en
graficar en papel de probabilidades la frecuencia de ocurrencia.

                                         24
Indicadores de la Contaminación

    La data de la caracterización de los RIL generalmente es muy variable y
susceptible de análisis estadístico. La información puede ser reportada en tér-
minos de frecuencia de ocurrencia de una propiedad en particular, que es el
valor que se espera que tenga esa propiedad o lo exceda 10, 50 y 90 % del
tiempo. Los valores obtenidos en la caracterización se ordenan en orden cre-
ciente de magnitud. Por ejemplo, si se trata de la DBO,
donde:
   n: Número total de valores de DBO.
   m: Número consecutivo y en orden creciente asignado a cada uno de los
      valores de DBO, desde uno hasta n.
    m
   n 1 : posición de cada valor en la tabla y que es equivalente al porcentaje
        de ocurrencia.

Tabla 1.8. Porcentaje de ocurrencia

               m          DBO                         m        Ocurrencia
                              -1
                         (mg L )                    n 1           (%)
               1           175                       0,1             10
               2           225                       0,2             20
               3           285                       0,3             30
               4           340                       0,4             40
               5           350                       0,5             50
               6           375                       0,6             60
               7           405                       0,7             70
               8           460                       0,8             80
               9           515                       0,9             90

     Al graficar estos resultados en papel de probabilidades, tal como se hace en
la figura 1.12, la DBO promedio es la que corresponde a frecuencia de ocurren-
cia del 50 %. Por otro lado, aceptando que 68 , 27 % de los valores están
                            _
incluidos en el intervalo: X sn 1 , se tiene que:

                                      X 84 ,1       X 15 ,9
                             sn   1                                                  (1.28)
                                                2
   Para el ejemplo anterior:
   DBO promedio = 347,8 mg L


                                          25
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo


                                         450 230
                               sn   1            110
                                            2
    s: desviación estándar.




Fig. 1.12. Porcentaje del tiempo que la DBO será igual o menor al valor
                                indicado.
    Cuando el número de observaciones es muy grande (de cincuenta a cien) se
recomienda agrupar la data por incrementos. Estos incrementos pueden tomar-
se de 50 mg L .

Ejemplo 4.1
    Suponga una data que tiene noventa y seis observaciones agrupadas por
intervalos de 50 mg L .
donde:
   n: Número total de muestras
   m: Número de muestras en el intervalo analizado y los anteriores
     m
        100 : posición al graficar.
                                  .
    n 1




                                            26
Indicadores de la Contaminación

Tabla 1.9. Intervalos y números de muestras

     Intervalo          Muestra                  m       Posición
                        en el intervalo                  en el gráfico
     200 - 249                    5              5               5,2
     250 - 299                    4              9               9,3
     300 -349                     6              15             15,5
     .                            .               .               .
     .                            .               .               .
     .                            .               .               .
      1150 1 199                  4              96             99,0

    Las mediciones del caudal de aguas residuales durante el estudio pueden
llevarse a cabo por diversos métodos, en dependencia de la accesibilidad del
lugar. Estos pueden ser, entre otros:
 1. Instalación de vertederos, se usa en canales o conductoras abiertos.
 2. Cubo o cubetas y cronómetro: aplicable cuando hay bajo caudal.
 3. Medición de la duración del bombeo: hay que hacer uso de la curva carac-
    terística de la bomba.
 4. Uso de medidores de flujo de paleta.


1.8.3. Empleo de índices en la caracterización
    Tomando en cuenta que los procedimientos de caracterización son gene-
ralmente complejos y exigen de importantes recursos de tiempo y de tipo
financiero, la utilización de indicadores o índices de producción y consumo
se presenta como un importante enfoque a considerar, dentro de los proce-
dimientos utilizados para determinar, al menos aproximadamente, los niveles
de carga contaminante que son generados por las diferentes actividades de
producción y servicios.
    Los índices de producción constituyen un instrumento que permite determi-
nar la efectividad de medidas y programas orientados a la disminución de la
contaminación, facilitando la identificación y establecimiento de prioridades de
gestión, con arreglo a la evaluación cuantitativa de las tendencias que se mani-
fiestan en la calidad del medio.
    En este sentido, es importante indicar que esta herramienta de trabajo
no sustituye ni exime, la necesidad de realizar investigaciones más com-
pletas.



                                      27
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

Tabla 1.10. Indicadores de carga contaminante de algunos procesos

                                                                           Sólidos
                                                 DBO         DQO
      Proceso                Unidad                                      suspendidos
                                                (kg/u)       (kg/u)
                                                                            (kg/u)
      Instalaciones de
                                                   250          -            1716
      cría de reses
      Instalaciones de       cabezas
                                                   1,4          -             14,6
      cría de pollos
      Granjas lecheras                             539          -               -
      Mataderos                                    6,4          -              5,2
      Sin recuperar
                                                   11           -               -
      sangre                 PVS
      Sin recuperar
                                                   4,7          -               -
      panza se agrega
      Proceso de aves
                             1000 aves             11,9       22.4            12,7
      de corral
      Enlatado de
                                                   12,5         -              4,3
      frutas y verduras      t de
      Refinación de          producción
                                                   12,9        21             16,4
      aceite vegetal
      Producción de
                             m3 de vino            0,26         -               -
      vino
                               3
      Producción de          m de
                                                   8,6          -             14,7
      cerveza                cerveza
PVS: Peso vivo sacrificado.
Fuente: Evaluación rápida de fuentes de contaminación de aire, agua y suelo, OMS, México, 1988.

    El indicador de carga contaminante o índice es la relación entre el nivel
de producción y la carga contaminante que se genera en esa actividad. El
índice define una cantidad de sustancia determinada que se obtiene en la
actividad productiva en un tiempo considerado, refiriendo a él la contamina-
ción generada durante el proceso de obtención.
    Los índices han de ser el resultado de experiencias anteriores, sean pro-
pias u obtenidas de la literatura.
    En la tabla 1.10 se presentan ejemplos de los índices de producción refe-
ridos a la contaminación que generan.
    De igual manera puede ser de importancia el índice de consumo de agua.
    Ejemplos de este tipo de índice se reflejan en la tabla 1.11.



                                              28
Indicadores de la Contaminación

Tabla 1.11. Consumo de agua de la industria azucarera y derivados

                    Industria                   Índice de consumo
                    Central azucarero           0.5 m3/t caña molida
                    Destilería                  1.6 m3/HL de alcohol
                    Levadura                    70 m3/t de levadura
                                                (tecnología francesa)
                                                80 m3/t levadura
                                                (tecnología austríaca)
Fuente: Programa integral de desarrollo de los derivados de la caña de azúcar. Subprograma: Alcohol
 y levaduras, septiembre 1985, Cuba.



1.9. MEDICIONES DEL CAUDAL
    El conocimiento del gasto, flujo o caudal es importante no solo en el
momento de proyectar una instalación, su sistema de tuberías y de bombeo.
    Se encuentran diversas formas comunes de conocer un caudal. Desde
trabajar por datos de proyecto, pasando por el manejo de índices de consu-
mo por unidad de producción o por habitante, hasta la medición directa. De
las mediciones directas del caudal de aguas residuales trata este epígrafe.
    Los medidores de caudal más usuales que pueden ser encontrados en
las plantas de tratamiento de aguas residuales son:
    Canales de aforo Parshall.
    Vertedores.
    Medidores de caudal en líneas de presión.


1.9.1. Canal Parshall
    El canal Parshall está formado por una sección de entrada de paredes
verticales convergentes y fondo a nivel, un estrechamiento de paredes para-
lelas y fondo descendente. El canal posee además una sección de salida de
paredes divergentes y fondo ascendente. En la figura 1.13 se muestra un
esquema de un canal Parshall.
    Este tipo de medidor es especialmente útil para aguas que contienen sólidos
en suspensión, debido a que la presencia de estos no afecta las mediciones. Por
otra parte, el aumento de la velocidad del agua a su paso por la parte más
estrecha del canal, la garganta, dificulta la sedimentación de las partículas.
    La determinación del caudal se realiza considerando la altura alcanzada
por el agua (H), tomada en una arqueta aneja conectada por un tubo
piezométrico.

                                               29
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

   El caudal instantáneo en cada momento se obtiene por aplicación de la
ecuación:
                                                          0,026
                                                1,567 W
                             Q    0,37 3,28 H                       (1.29)

siendo:
    Q: caudal instantáneo (m3 ·s ).
    W: ancho del estrechamiento, (m).
    H: calado del agua en el punto de observación fijo, (m).




                  Fig. 1.13. Esquema de un medidor Parshall.
    La medición manual de la altura (H), arroja como resultado un valor
instantáneo del caudal. Existe en el mercado un conjunto de instrumentos
para realizar la medida de forma continua y así obtener el caudal medio
diario, punta, mensual, etc., de forma precisa. En ocasiones además es de
interés acoplar el canal a un indicador con registro gráfico y totalizador.




                                          30
Indicadores de la Contaminación




                        Fig. 1.14. Canal Parshall.


1.9.2. Vertedores
    Los vertedores consisten básicamente en una obstrucción en la que se es-
tanca el líquido y vierte por encima de ella (Figura 1.15).




                   Fig. 1.15. Esquema de un vertedor.

                                    31
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

    En el uso de los vertedores se emplean términos que requieren ser defi-




                                             (H) a la diferencia entre la altura
de la superficie alcanzada por el liquido y la altura de la cresta medida aguas

   Una vez medido el valor de la carga del vertedor, H, se puede obtener el
caudal de agua residual que pasa en cada instante.
   Hay dos elementos que deben ser tomados en consideración cuando
se desea o necesita instalar un vertedor para la medición de caudales.
Estos son:
      partiendo del hecho de que la contracción de la vena líquida comienza a
      una distancia aproximada de 2H aguas arriba del vertedor, la medida
      debe efectuarse a una distancia mayor que esta,
      la altura mínima de la cresta debe ser de 2,5 H para permitir la contrac-
      ción completa de la lámina.
    Los vertedores más utilizados son:
    Rectangular.
    Triangular.
    Trapezoidal.

Vertedor rectangular
    Estos pueden ser sin contracción lateral o con ella.
    En aquellos casos en los que no exista contracción lateral, la cresta ocupa
todo el ancho del canal. El caudal viene dado por la ecuación,

                                   Q 1,84 L H 1,5                        (1.30)

siendo:
    Q: caudal, m3 · s .
    L: longitud de la cresta, m.
    H: carga sobre la cresta, m.
   Las dimensiones que debe cumplir el vertedor se detallan en la fi-
gura 1.16.



                                          32
Indicadores de la Contaminación




 Fig. 1.16. Relación de las dimensiones de un vertedero rectangular sin
                           contracción lateral.
    En los vertedores rectangulares con contracción lateral, la cresta no ocupa
toda la anchura del canal. Las dimensiones de las contracciones laterales se
especifican en la figura 1.17.
    La ecuación que permite calcular el caudal en este tipo de vertedor es,

                         Q 1,84 L 0 ,1 n H H 1,5                           (1.31)

donde n es el número de contracciones laterales.




 Fig. 1.17. Relación de las dimensiones en un vertedor rectangular con
                          contracción lateral.

                                      33
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

Vertedor triangular
    Este tipo de vertedor es uno de los más utilizados debido a que, para un
mismo caudal, se consigue mayor altura que en los rectangulares. Este efecto
se traduce en una mayor precisión en la lectura (figura 1.18).
    El ángulo del vértice de este vertedor puede tener diferentes valores. Los
más usuales son 60° y 90°. La expresión que da el caudal en este tipo de verte-
dor es:

Para 90 °                           Q    1,38 H 2,5                     (1.32)

donde:
   Q: gasto, m3 · s .
   H: altura del líquido con relación al vértice, m.

Para 60 °                           Q    0,79 H 2 ,5                    (1.33)




     Fig. 1.18. Relación de las dimensiones en un vertedor triangular.




    Fig. 1.19. Relación de las dimensiones en un vertedor trapezoidal.

                                           34
Indicadores de la Contaminación

Vertedor trapezoidal
    Este vertedor tiene una forma similar al rectangular (figura 1.19). La expre-
sión que se emplea para calcular el caudal es:

                               Q 1,859 L H 1,5                               (1.34)

   L: la longitud de la cresta del vertedero, m
Medidores de caudal en línea
   Los métodos usualmente utilizados en la determinación de caudales en
tuberías a presión corresponden a los llamados métodos dinámicos, que su-
ponen una aplicación del teorema de Bernouilli entre dos puntos de una tu-




                           Fig. 1.20. Tubo Venturi.


1.10. DISMINUCIÓN DEL VOLUMEN Y FORTALEZA
      DE LOS RESIDUALES
    Con frecuencia, haciendo sencillas modificaciones en la industria, se
pueden lograr reducciones apreciables en el volumen y fortaleza de las aguas
residuales, obteniendo como consecuencia de ello disminuciones en los cos-
tos de inversión y operación de las instalaciones de tratamiento, entre estas
modificaciones puede señalarse:
     Recirculación: el agua que esté relativamente poco contaminada puede ser
     recirculada con un mínimo de tratamiento o sin tratamiento alguno.
     Clasificación de las diversas corrientes y segregación de las mismas: el
     agua de enfriamiento y otras poco contaminadas pueden segregarse

                                       35
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

      con anterioridad al tratamiento. Las aguas que contengan sustancias
      tóxicas no deben llegar nunca a las unidades de tratamiento biológico.
      Sustitución de aditivos químicos: hay casos en los que se facilita el
      tratamiento sustituyendo algunas materias primas cuyo residuos sean
      resistentes por otros más fácilmente tratables.
      Recuperación de subproductos: en ocasiones con instalaciones de bajo
      costo se logra obtener un subproducto dando lugar a una producción
      marginal, o a la recuperación de alguna materia prima del propio proce-
      so productivo.
   La disminución en las variaciones del caudal y de la fortaleza de las
aguas residuales deben ser prioritarios, lo que puede ser logrado, entre otros
medios, mediante el empleo de tanques compensadores.


Notas bibliográficas
1 CHUDOBA, J., C. MENÉNDEZ Y J. PÉREZ O.: Fundamentos teóricos de algunos
     procesos para la purificación de aguas residuales, Ed. ISPJAE, Ciu-
     dad de La Habana, 1986.
2 THOMAS, M.A.:                                                      Water
     and Sewage Works, 1950.
3 MOORE, E.W., H.A. THOMAS, AND W.B. SNOW.:
                     Sewage and Ind. Wastes, vol. 22, no. 10, 1950.
4 RHAME, G. A.:                                                     Sewage
     and Ind. Wastes, vol. 28, no. 9, 1950.
5 Standard Method for the Examination of Water and Wastewater, Ed.
     APWA-AWWA, 1995.
6 MOORE, W.A.:
     Anal. Chemistry, 1951.
7 ARGAMAN, Y. AND A. BRENNER:
     natives and process parameters for the single-sludge nitrogen removal
                IAWPRC Specialised Seminar, Copenhagen, Denmark, Au-
     gust, 1985.
8 MENÉNDEZ, C.: Reporte Inédito, ISPJAE, Ciudad de La Habana, 1989.
9 ECKENFELDER, W.W.: Water Quality Engineering for Practicing Engineers,
     CBI, Pub. 1980.
10 LOEHRS, H.C.:                                       Pub. Works, vol. 99,
     no. 81, 1968.
11 RODRÍGUEZ, C.:                                                     Inge-
     niería Hidráulica, vol. 19, no. 4, 1998.

                                         36
Indicadores de la Contaminación

12 HUNTER, J.V.   AND   H. HEUKELEKIAN:
                        Water Poll. Control Fed., vol. 37, no. 8, 1965.
13 WALTER, L.:
     Water Sewage Works, vol. 109, no. 11 y 12, 1961.
14 OMS, REPORTE: Evaluación rápida de fuentes de contaminación de aire,
     agua y suelo, México, 1988.
15 Programa integral de desarrollo de los derivados de la caña de azúcar.
     Sub-programa alcohol y levaduras, Cuba, 1985.




                                       37
Pretratamiento de Aguas Residuales




                                                                    CAPÍTULO 2
  PRETRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES



    El tratamiento biológico de las aguas residuales, fundamentalmente las
de origen industrial, en ocasiones requiere de algún tipo de pretratamiento
cuyo objetivo puede ser la remoción de contaminantes, como ocurre du-
rante la sedimentación primaria, o el acondicionamiento del agua residual
mediante la compensación y (o) neutralización, para facilitar la depuración
biológica.


2.1. COMPENSACIÓN
     Los residuales líquidos industriales se caracterizan por la diversidad
de corrientes con diferencias en su composición y concentración. Aun una
misma corriente puede presentar variaciones horarias en sus propiedades. Cuando
los residuales manifiestan mucha variación en su composición se recomienda el
empleo de tanques compensadores.
     La experiencia ha demostrado que los procesos de tratamiento se realizan
mejor si las fluctuaciones extremas en la carga del sistema pueden ser evitadas
o en última instancia ser atenuadas mediante la compensación.
     En los tanques compensadores los residuales se retienen durante un periodo
en el que se llega a obtener un efluente relativamente estable.
     La neutralización de corrientes ácidas o básicas, la estabilización de la DBO
y la separación de metales pesados, son algunos de los objetivos de la compen-
sación.
     Aguas residuales con alta acidez o alcalinidad que no son compensadas
requieren de la neutralización mediante la adición de reactivos químicos.
     La mezcla en el tanque de compensación generalmente se promueve con
aire. Un método común es el empleo de aereadores superficiales, con un consu-
mo de potencia de 4.10                 W m . Cuando se utiliza aire mediante
difusores, el consumo aproximado de este puede tener un valor cercano a los
4 m3 m d . 1

                                       39
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

     Para el diseño de los tanques de compensación pueden emplearse criterios
empíricos y calcular su volumen considerando el tiempo requerido para acumu-
lar el agua residual de un ciclo de producción o por turnos de trabajo. Siempre
que se pueda, el criterio de diseño debe tener como base el nivel de varianza
aceptable que tiene el parámetro que se desea normalizar para las etapas subsi-
guientes del tratamiento.
     Los tanques compensadores pueden diseñarse para operar a volumen cons-
tante o volumen variable, en función de que interese amortiguar variaciones de
concentración o flujo respectivamente.


2.1.2. Dinámica de los sistemas de compensación
    La compensación se logra vertiendo el residual en un tanque o cisterna de
forma tal que se mezcle con el que le ha precedido, con lo cual se amortiguan las
variaciones bruscas.




   Fig. 2.1. Efecto de un compensador sobre variaciones de flujo y / o
                             composición.
    A fin de ilustrar la dinámica de un compensador considere el caso más
sencillo de un tanque perfectamente agitado de volumen constante, al cual
llega continuamente una corriente de agua residual de flujo Q y concentra-
ción del componente de interés CE, siendo la salida de igual flujo pero de
concentración CS.




                 Fig. 2.2. Compensador de volumen constante.

                                         40
Pretratamiento de Aguas Residuales

    Aplicando un balance diferencial para el componente de interés:
                                                     dCS
                              Q CE     Q CS      V                                    (2.1)
                                                      dt
por lo que integrando:
                                CS                   t
                                       dCS      Q
                                                    dt                                (2.2)
                                C0
                                     C E CS     Vt 0
por lo tanto:
                                     CE CS           t
                                ln
                                     CE C0

                V
donde:          Q

entonces:
                                                           t
                         CS    CE (C E        C0 ) exp                                (2.3)

   En la tabla 2.1 se muestra un ejemplo numérico donde se ilustra el efecto
compensador del sistema mostrado, suponiendo por simplicidad, que el flujo de
agua residual es constante y la composición variable.

Tabla 2.1. Efecto compensador del sistema

                          Horario        DQO, mgL-1
                             1             150
                             2             175
                             3             180
                             4             200
                             5             250
                             6             300
                             7             320
                             8             300
                             9             250
                            10             180
                            11             150
                            12             140

                                          41
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

    Se ha supuesto que el tiempo de residencia en el compensador es de 10




Fig. 2.3. Ilustración del efecto de un compensador de volumen constante.
    En la figura 2.3 se muestran las curvas de variación de DQO de entrada al
compensador, las del efluente compensado y la composición promedio. De la
misma puede observarse el efecto compensador del sistema, ya que la variación
que experimenta la composición de salida es menor que la de entrada.
    Es de destacar que el compensador no modifica la composición promedio
del efluente con respecto al caudal de entrada, sino su varianza.
    Al incrementarse el tiempo de residencia del compensador aumenta su efecto
amortiguador, por lo que para un tiempo de residencia infinito desaparecen las
fluctuaciones de la composición de salida igualándose a la promedio.
    El método que se siga para calcular las dimensiones del tanque compensador
dependerá de las condiciones en que este operará.


2.1.3. Compensación para flujo de residual constante
       y de composición variable
    Bajo condiciones de flujo constante la relación entre la varianza del efluente
de un tanque completamente mezclado y la del afluente, cuando las variaciones
de composición son aleatorias, viene expresada por la relación:2

                                         S 2e
                                                                            (2.4)
                                         S 2i    2.


                                                42
Pretratamiento de Aguas Residuales

donde:
   S2e: varianza de la concentración del efluente.
   S2i: varianza de la concentración del afluente.
     T: tiempo de recolección de la muestra compuesta.
    : tiempo de retención (V / Q).
   De acuerdo con lo anterior puede calcularse el tiempo de retención si se
conocen la varianza del afluente y la permisible o deseada para el efluente.
   La varianza en el afluente, S2i se determina según:
                                          n
                                     1                   2
                          S 2i                  Xi   X                                  (2.5)
                                 n 1      i 1

donde:
   Xi: valor individual de la concentración de cada muestra tomada.
    X : valor promedio de todas las mediciones.
   n: número de muestras.
   Se define el valor típico normal Z de la propiedad controlada como:

                                         Xm X
                                 Z                                                      (2.6)
                                           Se
donde:
   Xm: valor máximo que puede tomar la propiedad en el efluente del tanque de
compensación.
   Se: desviación típica del efluente.
Procedimiento para el diseño
    El procedimiento de diseño consiste en hallar el tiempo de retención reque-
rido en el tanque compensador para obtener las condiciones de salida deseadas.
El tiempo de retención y el caudal de agua a tratar, definirán el volumen de
tanque necesario.

1. Determinar el valor promedio de la concentración del afluente X .
2. Calcular su desviación típica.
3. Fijar el valor máximo permisible de concentración que se desea a la salida
   (Xm).
4. Determinar la desviación típica del efluente tomando un valor de Z con un
   por ciento de confiabilidad, por ejemplo, 90 %.
5. Hallar el valor de .



                                         43
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

6. Con el valor de       y el flujo que se desea procesar se estima el volumen del
   compensador:
                                               V
                                               Q

Ejemplo 2.1
     Se estudió un agua residual cuyo caudal es de 1 500 m 3d . Se tomaron
cuatro muestras diarias integradas durante 6 horas cada una en 10 días diferen-
tes. Los resultados se muestran en la tabla 2.2:

Tabla 2.2. Resultados del ejemplo 2.1
            HORA        6:00 a.m.        12:00 m 6:00 p.m. 12:00 a.m.
             Día                      Valores de DBO (mgL-1)
              1            850             1240        600    1130
              2            1430            324        1290    741
              3            1550            421        750     422
              4            1390            1324       1050     560
              5            410             990         684    1220
              6            500             270         820    530
              7            420             450         750    1205
              8            960             1230        680    890
              9            395             1190        300    500
             10            600             1304       1020     922

    Debido al tratamiento que se empleará se requiere disminuir la variación que
presenta la DBO se pretende diseñar un tanque para compensar tales efectos.
    Determine el volumen del compensador si se conoce que el valor máximo
permisible de la DBO a la salida es de 1000 mgL .

                                          X
                                  X                832,8
                                         n
    Si 367,438
    Xm 1000
    De la tabla de distribución normal (Anexo 2), para 90 % de confianza, el
valor de Z 1,30

                    Xm X                           1000 832 ,8
               Z                          Se                   167 ,2
                      Se                               1,30


                                           44
Pretratamiento de Aguas Residuales


            S 2e
                                  Se2 = 27955,84; Si2 = 135810,68
            S 2i   2.
   El tiempo de retención en el tanque compensador será,
                              6 135810 ,68
                                           14 ,5 h
                              2 27955 ,84
       0,6 d, por lo tanto, el volumen es,
   V    1500 · 0,6 900 m3


2.1.4. Compensación cuando hay variación simultánea de flujo
       y composición3
   Realizando un balance de masa en el tanque compensador:
                        Q C1 T V C0     Q C2 T V C                            (2.7)
donde:
   C1: concentración que entra al tanque durante el intervalo de muestreo T.
   T: intervalo de muestreo, por ejemplo, 1 h.
   Q: flujo promedio en el intervalo de muestreo.
   C: concentración en el tanque al inicio del intervalo de muestreo.
   V: volumen del tanque.
   C2: concentración que sale del tanque al concluir el intervalo de muestreo.
    En este caso se está asumiendo que la concentración del efluente es cons-
tante durante un intervalo de muestreo. Esto es cierto si el tiempo del intervalo
es espaciado apropiadamente.
                                   C1T C 0V/Q
                             C2                                               (2.8)
                                     T V/Q

Procedimiento para el diseño
1. Se asume un volumen del tanque compensador, y este define el tiempo de
   retención.
2. Tomando como primer valor de C0 el valor promedio de las mediciones, se
   calculan los valores de la concentración compensada. Para los restantes
   intervalos se toma la concentración final del intervalo anterior.
3. Si los valores de concentración así obtenidos no llegan a satisfacer los re-
   querimientos, se toma otro valor de tiempo de retención y repite el proceso.


                                       45
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

Ejemplo 2.2

Tabla 2.3. Resultados
                 Intervalo                 Q                Concentración
                     de                  (m3h-1)              de DBO
                  tiempo                                       (mgL-1)
                     1                    363                    250
                     2                     45                     70
                     3                    230                     60
                     4                    270                    170
                     5                    363                    330
                     6                    450                     50
                     7                    290                     60
                     8                    260                    400
                 Promedio                283,87                 173,75

    La tabla 2.3 fue obtenida de una planta industrial durante un ciclo de produc-
ción de 8 horas. Cada intervalo de tiempo representa un periodo de muestreo de
1 hora. Determine el factor pico del efluente de un tanque compensador cuando
se utiliza un tiempo de retención de: a) 8 horas, b) 2 horas y compárelos con el
factor pico cuando no se utiliza compensación.
                                            Valor máximo
                          Factor Pico
                                            Valor promedio

                   400
    Al inicio: FP         2 ,3
                  173,75
    a) Asumiendo un tiempo de retención igual a 8 h:
                            V = 283,87 · 8 = 2270,96 m3

                                                        V
                                          C1    C0
                                                        Q
                                   C2
                                                    V
                                            1
                                                    Q

    Después del primer intervalo,
C1 = 250 mgL                        Q = 363 m3h                     C0 = 173,75 mgL


                                               46
Pretratamiento de Aguas Residuales


                                     2270 ,96
                      250 173,75
                C2                     363       184 ,39 mgL 1
                                2270 ,96
                              1
                                  363
    Después del segundo intervalo:
C1 = 70 mgL                   Q = 45 m3h                       C0 = 184,79 mgL

                                    2270 ,96
                      70 184 ,39
                C2                     45       182 ,17 mg L 1
                                2270 ,96
                           1
                                  45
    Al proceder de manera similar para los restantes intervalos se obtienen los
resultados que se muestran en la tabla 2.4:

Tabla 2.4. Resultados
        Intervalo     C1         Q        Concentración compensada (C2)
                                           Para    8h     Para    2h
        Primero       250       363          173,75         203,49
        Segundo        70        45          182,17         193,70
        Tercero        60       230          170,93         155,15
        Cuarto        170       270          170,83         160,00
        Quinto        330       363          192,77         226,30
        Sexto          50       450          169,16         148,35
        Séptimo        60       290          156,68         109,28
        Octavo        400       260          156,80         200,60
        Promedio     173,75    283,37

   Factor Pico para un tiempo de retención de 8 h en el tanque compensador:
                                        192 ,70
                                FP              1,
                                                 1
                                        173 ,75
   b) Asumiendo un tiempo de retención igual a 2 h:
                       V = 283,87 · 2 = 567,74 m3
   Después del primer intervalo,
C1 = 250 mgL                     Q = 363 m3h                   C0 = 173,75 mgL


                                          47
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo


                                        567 ,74
                          250 173 ,75
                    C2                   363      203,49 mgL 1
                                  567 ,74
                                1
                                   363
    Después del segundo intervalo:
C1 = 70 mgL                   Q = 45 m3h                          C0 = 203,49 mgL

                                       567 ,74
                           70 184 ,39
                     C2                  45       193 ,70 mgL 1
                                  567 ,74
                                1
                                    45
    Procediendo de manera similar para los restantes intervalos se obtienen los
resultados que se muestran en la tabla anterior para: = 2 h.
    Factor Pico para un tiempo de retención de 2 h en el tanque compensador:
                                         226 ,30
                                  FP             1,3
                                         173,75


2.1.5. Compensación cuando hay variación simultánea de flujo
       y composición, pero el volumen en el compensador es
       variable
     El volumen requerido para la homogeneización o compensación se determi-
na mediante un diagrama de los caudales a tratar, en el cual se representa el
volumen de afluente acumulado a lo largo del día. El caudal medio diario, tam-
bién representado en el mismo diagrama, es la pendiente de la línea recta traza-
da desde el origen hasta el punto final del diagrama.
     Para determinar el volumen necesario, se traza una recta paralela a la que
define el caudal medio diario, tangente a la curva de caudales acumulados. El
volumen requerido es igual a la distancia vertical existente entre el punto de
tangencia y la línea recta que representa el caudal medio, tal como muestra la
figura 2.4.
     Si una parte de la curva de caudales acumulados está situada por encima de
la línea que representa el caudal medio, el diagrama acumulado debe limitarse
con dos líneas paralelas a la del caudal medio y tangente a las dos curvas del
diagrama. El volumen requerido en este caso es igual a la distancia vertical
existente entre las dos tangentes. Figura 2.5.


                                           48
Pretratamiento de Aguas Residuales




                                                         Horario

            Fig. 2.4. Determinación del volumen del compensador.
    La interpretación física de los diagramas representados es la siguiente:
    En el punto inferior de tangencia el tanque de compensación está vacío. A
partir de este punto el tanque empieza a elevar su nivel por lo que la pendiente
del diagrama de la curva de volumen del afluente es mayor que la del caudal
medio diario y continúa llenándose hasta que lo hace al final del horario. Para el
segundo modelo de flujo, el tanque está totalmente lleno en el punto de tangen-
cia superior.
       acumulado
        Volumen




                                                          Horario
            Fig. 2.5. Determinación del volumen del compensador.

                                       49
Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo

Procedimiento para el diseño
1. Se desarrolla una curva de caudales acumulados de agua expresada en me-
   tros cúbicos.
                 V    Q T
                 Vf    Vo       Vi    VS
                 V1 Vo      1

                 V2   Vo    1    V1   2
                                           Vn    V0   1   V1   2   ............. V( n   1) n

2. Se traza la línea de caudal medio diario.
3. Se determina el volumen del tanque requerido.
4. Para estimar el efecto de homogeneización:
   a) Se calcula el volumen de líquido existente en el tanque al final de cada
      periodo de tiempo mediante la expresión:
                                          Vf    Vo Vi Vs
donde:
   Vf: volumen en el tanque al final del periodo de tiempo considerado.
   V0: volumen en el tanque al final del periodo de tiempo anterior.
   Vi: volumen aportado durante el tiempo considerado.
   VS: volumen de caudal saliente durante el tiempo considerado.
   b) Se calcula la concentración media que sale del tanque:
                                                Vi X i V0 X 0
                                      Xf
                                                   Vi V0
donde:
   Xf: concentración media en el caudal que sale del tanque durante el tiempo
   considerado mg / L.
   Vi: volumen aportado durante el tiempo considerado, m3.
   V0: concentración del agua residual contenida en el tanque al final del perio-
   do anterior.
5. La magnitud de la carga horaria se calcula utilizando la expresión:
                                 Carga          horaria        X i Qi
    El efecto de la homogeneización puede mostrarse numéricamente a partir
de las relaciones siguientes:
               punta / media; mínima / media y punta / mínima


                                                   50
Libroaguasresiduales
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  • 1.
  • 2. Edición y corrección: Dania Relova Fernández Diseño de interior y cubierta: Frank Herrera Diagramación: Israel de Jesús Zaldívar Pedroso © Carlos L. Menéndez Gutiérrez y Jesús García, 2007 Versión impresa ISBN 978-959-07-0339-3 Félix Varela Versión electrónica ISBN 978-959-16-0619-8 Editorial Universitaria
  • 3. Procesos para el tratamiento de aguas residuales / Carlos Menendez Gutierrez y Jesús M. Pérez Olmo PRESENTACIÓN En 1984, los autores, en colaboración con el Dr. Jan Chudoba, del Instituto de Tecnología Química de Praga, publicaron el libro Fundamentos Teóricos de Algunos Procesos para la Purificación de Aguas Residuales, con el propó- sito de que sirviera de apoyo a aquellos profesionales de habla hispana que realizaban su trabajo de doctorado en la República de Checoslovaquia. Dos años después se publicó la segunda edición de ese título. Para continuar supliendo las crecientes necesidades de los profesionales de este campo de trabajo, los autores publicaron en Cuba en 1991, bajo el título de Procesos para el Tratamiento Biológico de Aguas Residuales Industriales un texto enfocado fundamentalmente, tal como indica su título, en los procesos biológicos para el tratamiento de aguas residuales. Doce años después se pre- senta esta segunda edición con el mismo propósito. Como generalmente ocurre, una vez que concluyó la preparación de esta nueva edición, es que los autores se consideraron en condiciones de iniciar el trabajo. Esto es consecuencia de la inconformidad natural que se experimenta, a partir de la convicción de que toda obra humana es perfectible. También esto forma parte de las enseñanzas que nos legó Jan Chudoba. La justificación que nos anima ahora, como en las ocasiones anteriores, estimulados por los resultados ya logrados, es continuar contribuyendo a la su- peración de los profesionales dedicados a esta esfera de trabajo, con temas actualizados y expuestos de manera más completa que en la primera edición. Otra justificación quizás sea el de siempre haber pensado que el camino por recorrer era más largo del que en realidad ha sido y que sentimos la necesidad de expresarnos. Ambas justificaciones son igualmente válidas. Agradecemos a todos los que han colaborado en este nuevo empeño, en especial a la profesora Julia María Hernández por su apoyo en la preparación de los materiales, y a nuestras familias por la paciencia manifestada una vez más. Deseamos dedicar esta obra, que es a su vez un nuevo punto de partida a la memoria de Jan Chudoba, que sigue estando entre nosotros. a JAN III Ciudad de La Habana : Editorial Félix Varera - Editorial Universitaria, 2007. ISBN 978-959-16-0619-8
  • 4. Procesos para el tratamiento de aguas residuales / Carlos Menendez Gutierrez y Jesús M. Pérez Olmo LOS AUTORES Carlos L. Menéndez Gutiérrez Graduado de Ingeniero Químico en la Universidad de La Habana y de Especialista en Saneamiento Ambiental en el Centro Nacio- nal de Investigaciones Científicas de Cuba. Obtuvo el título de Doctor en Ciencias Técnicas en el Instituto de Tecnología Quí- mica de Praga. Ha impartido cursos en el tema de tratamiento de aguas residuales en universidades cubanas y latinoamericanas. Miembro del Comité Doctoral del Instituto Tecnológico de Tolu- ca, México, y del Tribunal de Grados Científicos para Ingeniería Química de Cuba. Miembro de varias sociedades científicas. Es autor de artículos técnicos. Jesús M. Pérez Olmo Graduado de Ingeniero Químico en la Universidad de La Habana y Máster en Ingeniería Saneamiento Ambiental. Ha impartido cursos sobre tratamiento de aguas residuales en universidades cubanas. Es Especialista Principal en el tratamiento de aguas residuales de la Compañía Especializada en Soluciones Integra- les Geográficas y Medio Ambientales (CESIGMA S.A.) y ha brindado asesoría en plantas cubanas y de otros países latinoa- mericanos. Edición auspiciada por: «Environmental Capacity Enhancement Project in Cuba». Proyecto internacional establecido entre la University of Guelph y el Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría Financiado por: Canadian International Development Agency (CIDA) IV Ciudad de La Habana : Editorial Félix Varera - Editorial Universitaria, 2007. ISBN 978-959-16-0619-8
  • 5. Procesos para el tratamiento de aguas residuales / Carlos Menendez Gutierrez y Jesús M. Pérez Olmo ÍNDICE CAPÍTULO 1. Indicadores de la contaminación / 1 1.1. Introducción / 1 1.2. Contenido de sólidos / 1 1.3. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) / 3 1.4. Demanda teórica de oxígeno (DTO) y demanda química de oxígeno (DQO) / 11 1.5. Carbono orgánico total (COT) / 13 1.6. Nitrógeno / 17 1.7. Fósforo / 19 1.8. Características de las aguas residuales / 20 1.9. Mediciones del caudal / 29 1.10. Disminución del volumen y fortaleza de los residuales / 35 CAPÍTULO 2. Pretratamiento de aguas residuales / 39 2.1. Compensación / 39 2.2. Sedimentación / 53 CAPÍTULO 3. Oxidación biológica nitrificación / 77 3.1. Principios de la oxidación biológica / 77 3.2. Metabolismo / 78 3.3. Biodegradabilidad de las aguas residuales / 82 3.4. Cinética del crecimiento biológico y remoción de sustrato / 87 3.5. Nitrificación-desnitrificación / 98 CAPÍTULO 4. Lodo activado / 119 4.1. Generalidades / 119 4.2. Parámetros básicos / 123 4.3. Principales modificaciones tecnológicas / 128 V Ciudad de La Habana : Editorial Félix Varera - Editorial Universitaria, 2007. ISBN 978-959-16-0619-8
  • 6. Procesos para el tratamiento de aguas residuales / Carlos Menendez Gutierrez y Jesús M. Pérez Olmo 4.4. Aplicación de los modelos cinéticos / 135 4.5. Factores que inciden en la eficiencia de purificación / 138 4.6. Presencia de compuestos orgánicos en el efluente / 144 4.7. Producción de biomasa y lodo / 146 4.8. Determinación de constantes a escala de laboratorio / 157 4.9. Requerimientos nutricionales / 160 CAPÍTULO 5. Transferencia de oxígeno / 165 5.1. Introducción / 165 5.2. Consideraciones fundamentales de la transferencia de oxígeno / 165 5.3. Requerimiento de oxígeno / 173 5.4. Implementos de aereación / 180 5.5. Consumo de potencia / 192 CAPÍTULO 6. Filtros percoladores / 199 6.1. Introducción / 199 6.2. Partes de las que consta un filtro percolador. Mecanismo de remoción de la DBO / 201 6.3. Parámetros básicos del proceso. Definiciones / 206 6.4. Clasificación de los filtros percoladores / 207 6.5. Recirculación / 208 6.6. Factores que inciden en la eficiencia de purificación / 209 6.7. Diseño de filtros percoladores / 214 6.8. Cálculo de las constantes del modelo de primer orden / 224 CAPÍTULO 7. Lagunas de estabilización / 235 7.1. Características generales / 235 7.2. Lagunas aerobias / 235 7.3. Lagunas anaerobias / 236 7.4. Lagunas facultativas / 236 7.5. Régimen de flujo en las lagunas / 240 7.6. Diseño de lagunas de estabilización / 241 7.7. Relación área: volumen para las lagunas / 247 7.8. Remoción de patógenos / 248 VI Ciudad de La Habana : Editorial Félix Varera - Editorial Universitaria, 2007. ISBN 978-959-16-0619-8
  • 7. Procesos para el tratamiento de aguas residuales / Carlos Menendez Gutierrez y Jesús M. Pérez Olmo 7.9. Balance hídrico de las lagunas / 248 7.10. Criterios para la operación y mantenimiento de las lagunas de estabilización / 251 CAPÍTULO 8. Digestión anaerobia / 255 8.1. Introducción / 255 8.2. Mecanismo de la digestión anaerobia / 256 8.3. Distintas variantes de los procesos de digestión anaerobia / 257 8.4. Factores que controlan el proceso de digestión / 265 8.5. Parámetros indicadores del curso de la digestión / 269 8.6. Métodos de diseño / 272 8.7. Puesta en marcha de los digestores anaerobios / 282 CAPÍTULO 9. Manejo de lodos / 285 9.1. Introducción / 285 9.2. Contenido de humedad y volumen de los lodos / 285 9.3. Lodos primarios y secundarios. Criterios de estimación / 287 9.4. Espesamiento por gravedad / 290 9.5. Lechos de secado / 291 9.6. Volumen de agua producida / 293 ANEXO 1. Volúmenes mínimos de muestras y criterios para su conservación / 295 ANEXO 2. Distribución normal acumulativa / 296 VII Ciudad de La Habana : Editorial Félix Varera - Editorial Universitaria, 2007. ISBN 978-959-16-0619-8
  • 8. Indicadores de la Contaminación CAPÍTULO 1 INDICADORES DE LA CONTAMINACIÓN 1.1. INTRODUCCIÓN Generalmente el nivel de contaminación de las aguas residuales no se mide a partir del conocimiento de la concentración de los distintos constituyentes de un agua residual que pueden ser considerados conta- minantes, sino determinando parámetros globales como son la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y la demanda química de oxígeno (DQO) entre otros. En ocasiones, fundamentalmente cuando se trabaja con residuales industriales, las características de estos son tales que se requiere conocer constituyentes específicos como los metales pesados, tensoactivos, fenoles y otros. En algunos casos, por ejemplo, para la determinación de trazas de con- taminantes orgánicos en aguas superficiales y para beber, se emplean téc- nicas analíticas especiales a saber la cromatografía y la espectrometría de masas. 1.2. CONTENIDO DE SÓLIDOS El conocimiento del contenido de sólidos de un agua o agua residual aporta valiosa información sobre sus características, lo cual permite conocer de forma general su naturaleza y si estas requieren de algún tratamiento en particular que facilite su remoción o eliminación. Cuando se habla de sólidos contenidos en un agua residual se está haciendo referencia a aquello que permanece como residuo después de la evaporación y secado de la muestra a 103 oC. Los sólidos en las aguas residuales pueden estar en forma suspendida, coloi- dal y disuelta. Todos ellos a su vez son de naturaleza inorgánica u orgánica. La fracción orgánica de los sólidos se determina mediante la pérdida por ignición a 600 oC. 2
  • 9. Indicadores de la Contaminación 1.3. DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO) La DBO es uno de los parámetros más utilizados en la caracterización de los contaminantes orgánicos. Esta determinación brinda un estimado del oxíge- no disuelto requerido por los microorganismos en la degradación de los com- puestos biodegradables. El mecanismo presente durante la prueba de laboratorio de la DBO es esen- cialmente biológico y no depende solo del oxígeno presente y utilizado en un momento dado, sino también de la velocidad a la que este se consume, y por tanto, del tiempo. Así, es necesario fijar un tiempo y temperatura de incubación estándar, que normalmente es de cinco días, y 20 C como temperatura de refe- rencia. En muchos casos se necesita conocer la demanda bioquímica de oxíge- no total de un agua residual (DBO última). En tal sentido se requiere deter- minar previamente la velocidad a la cual ocurre la reacción en toda su extensión. La variación en el tiempo de la demanda bioquímica de oxígeno de un agua residual sigue una cinética de primer orden, según se observa en la figu- ra 1.2. La determinación de la DBO implica conocer el oxígeno consumido por las bacterias en un intervalo de tiempo, ya que existe una relación cuantita- tiva entre el oxígeno consumido y la concentración del material orgánico que se transforma en dióxido de carbono y amoníaco. Esta relación puede ser representada por la siguiente ecuación generalizada: a b 3 a 3 C n H a Ob N c n c O2 n CO 2 c H 2O c NH 3 (1.1) 4 2 4 2 2 La diferencia en el contenido de oxígeno al inicio y al final del análisis, por litro de muestra utilizada constituye la DBO de la muestra expresada en mg de O2 L . Lógicamente la velocidad y extensión a la cual ocurre esta degradación depende de la temperatura y del tiempo, de ahí que se ha aceptado para estos dos parámetros 20 o C y cinco días respectivamente, tal como ya fue expresado. 3
  • 10. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo Fig. 1.2. Variación en el tiempo de la DBO: a) remanente, b) satisfecha. 1.3.1. Cinética de la DBO Los estudios cinéticos sobre la DBO han indicado que para propósitos prácticos esta puede ser considerada, con un buen grado de aproximación, como una reacción de primer orden, lo cual se expresa matemáticamente mediante la ecuación: dLt k Lt (1.2) dt donde: Lt: DBO remanente, mg L . t: tiempo, días. k´: constante de velocidad, día . Como toda constante de velocidad de reacción, k es función de la tempera- tura. Aunque el análisis típico o estándar se realiza a 20 oC el valor de k puede calcularse a otra temperatura mediante la relación: T 20 kt k 20 (1.3) en la que = 1,056 La integración de la ecuación 1.2 conduce a: Lt Lo e - k t Lo10 kt (1.4) 4
  • 11. Indicadores de la Contaminación donde: Lo: DBO última o total de la muestra, mg L . k: k´/2,3 Tal como se aprecia en la ecuación anterior, el conocimiento de la DBO remanente de la muestra en un instante dado exige conocer Lo y k. La determi- nación de Lt no es lo más común en el trabajo rutinario. Generalmente lo que más interesa conocer es aquella parte de la demanda bioquímica de oxígeno que se ha satisfecho en un intervalo de tiempo y a una temperatura dada. Así, si Lo es la demanda total o última de un agua residual, y Lt es la demanda remanente en un instante t dado, la demanda satisfecha o ya ejercida (Y) será: kt Y Lo Lt DBOt Lo 1 10 (1.5) Para el caso del análisis realizado a 200 C y cinco días: 5k Y Lo L5 DBO5 d , 20 C Lo 1 10 (1.6) Estas expresiones describen los lugares geométricos representados en la figura 1.3. Fig. 1.3. Relación entre Lo y Lt. Como ya fue expresado, es la DBO ejercida la que se determina normalmente en el periodo de incubación de cinco días y a la temperatura de referencia de 20 oC. El conocimiento de la DBO total (Lo), se requiere solamente en casos específicos y conlleva un tratamiento matemático especial de los datos experimentales. Para que la muestra de agua residual sea analizada exitosamente es nece- sario que contenga una determinada población microbiana o en su defecto esta 5
  • 12. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo sea suministrada, a fin de que la materia orgánica pueda ser degradada y tenga lugar consumo de oxígeno. Este aspecto reviste una gran importancia porque puede ocurrir que el agua residual objeto de análisis contenga bacterias del género Nitrosomonas y Nitrobacter, las cuales no degradan la materia orgánica, sino que oxidan dife- rentes formas del nitrógeno con el consiguiente consumo de oxígeno (fenómeno este denominado nitrificación), y por lo que se falsean los resultados. En las siguientes ecuaciones se muestra la estequiometría del proceso de nitrificación. 2NH3 3O2 2NO2 2H2 O 2H 2NO2 O2 2NO3 Siendo la reacción total: 2NH 3 4O 2 2NO 3 2H 2H 2 O (1.7) En aquellos casos en que se analizan efluentes de plantas de tratamiento que utilizan filtros percoladores o lodos activados están presentes las bacterias nitrificantes, por lo que al realizar el análisis de la DBO se debe añadir alguna sustancia que las inhiba. El compuesto más comúnmente empleado para inhibir el crecimiento de organismos nitrificantes es el alilthiourea (ATU). Cuando estos tipos de bacterias están presentes, la curva de la DBO puede mostrar un comportamiento similar al representado en la figura 1.4. Fig. 1.4. Efecto de la nitrificación sobre la DBO. Obsérvese que de estar presente el fenómeno de la nitrificación la DBO de- terminada resultará mayor que la que corresponde a la degradación de la materia orgánica, lo cual introduce un error por exceso con respecto a lo deseado. 6
  • 13. Indicadores de la Contaminación 1.3.2. Influencia de la constante de velocidad en la determinación de la DBO La constante de velocidad desempeña un rol importante en la fracción de la DBO que puede ser estimada en un periodo de cinco días. Cuanto mayor sea el valor de esta constante, mayor será el valor de la DBO determinada. Esta influencia se puede apreciar en la figura 1.5 donde a manera de ejem- plo se han considerado cuatro valores de k. Fig. 1.5. Influencia de k sobre la DBO. En la figura 1.5 puede apreciarse cómo para el mismo tiempo, por ejemplo cinco días, la DBO será distinta en función del valor de la constante de velocidad k. La variación que puede experimentar la constante k ha sido motivo de am- plias discusiones, pero se pueden considerar como las principales causas: La naturaleza de la materia orgánica. La habilidad de los microorganismos para utilizar esa materia orgánica. Así por ejemplo, se puede señalar que en general la parte soluble es degra- dada más rápidamente que aquella que se presenta en forma coloidal o en sus- pensión. Otro aspecto de importancia en la determinación de la DBO es la concen- tración de microorganismos que aporte el inóculo, ya que de ser muy baja, la DBO ejercida en el tiempo también será baja debido a que las bacterias tardan un tiempo apreciable en multiplicarse como para ejercer una oxidación notable. Este fenómeno se destaca en la figura 1.6. En el caso mostrado por la curva A, la concentración de microorganismos es tres órdenes de magnitud mayor que en B. Esta es la razón por la cual este es un aspecto que debe ser tenido en cuenta en el momento de realizar el análisis de la DBO. En el caso de efluentes de plantas de tratamiento o residual humano este aporte está garantizado de por sí, pudiendo no ocurrir lo mismo cuando la muestra tiene otra procedencia. 7
  • 14. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo Fig. 1.6. Efecto de la concentración del inóculo sobre la DBO. Otro factor no menos importante en la determinación de la DBO es el grado de aclimatación de las bacterias utilizadas en el curso del análisis para el sustrato en particular que presenta la muestra. Por supuesto este fenómeno se presenta cuando la muestra no contiene microorganismos y resulta necesario inocularlos. En la figura 1.7 se muestra el caso de un inóculo no adaptado al sustrato de interés. De ahí que se presente retraso en la DBO ejercida en la etapa inicial. Por el contrario, en el ejemplo representado en la figura 1.8, se ilustra una situa- ción en la que el inóculo está perfectamente adaptado al sustrato y no se pre- senta la fase inicial de retraso. Fig. 1.7. Efecto de la aclimatación del inóculo sobre la DBO. Se puede apreciar que las curvas que aparecen en las figuras 1.6, 1.7 y 1.8 presentan una tendencia que no se corresponde exactamente con lo que predice una cinética de primer orden (figura 1.4), ya que las primeras presentan una meseta más o menos acentuada y que pudiera ser falsamente interpretado como 8
  • 15. Indicadores de la Contaminación un proceso de nitrificación. La explicación de la aparición de estas mesetas pudiera ser la siguiente: durante el primer y segundo día de incubación, la mate- ria orgánica soluble es rápidamente oxidada y la remanente es convertida en velocidad de oxidación, lo cual lleva asociada una fase de respiración endógena. Posteriormente se aprecia un incremento en la velocidad de oxidación, que es atribuible a un incremento en la población de protozoos, los cuales son predadores de las bacterias. La presencia y duración de esta meseta entre estas fases depende del intervalo de tiempo entre el pico de la población bacteriana y el de la población de protozoos. Fig. 1.8. Efecto sobre la DBO de un inóculo adaptado. Se ha comprobado que mientras menor sea la constante de autooxidación de la biomasa, la meseta será más acentuada. Por otra parte, mientras sean los valores mayores de esta constante la meseta tiende a no aparecer. Otro aspecto importante relacionado con la DBO está en el hecho de que por mucho tiempo se pensó que después de un largo periodo de incubación (por ejemplo, 20 días) la DBO determinada era la DBO última o total de la muestra (Lo), y que al mismo tiempo era igual a la DQO teórica, cuando en realidad existe discrepancia entre el valor determinado y la demanda teórica de oxígeno. El siguiente ejemplo pondrá en evidencia esta discrepancia. La oxidación de la glucosa a dióxido de carbono y agua requiere de 192 g de oxígeno por mole de glucosa (180 g/mol) ó 1,065 mg de oxígeno por miligramo de glucosa según la estequiometría de la ecuación 1.8: C 6 H12 O 6 6 02 6 CO 2 6 H2 O (1.8) Así, una solución de glucosa de 300 mg L tiene una demanda teórica de oxígeno de 320 mg L , sin embargo la determinación de la DBO con periodos 9
  • 16. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo de incubación de 20 días ha reportado valores de Lo en el intervalo de 250 a 285 mg L . De aquí resulta evidente que no toda la glucosa ha sido oxidada a dióxido de carbono y agua, interpretándose en los siguientes términos este fenó- meno: en el curso de la degradación de la glucosa las bacterias obtienen energía para su crecimiento y reproducción, lo cual implica que parte de la materia orgánica es convertida en tejido celular, por lo que no experimenta oxidación completa, hasta que ocurre la respiración endógena. Cuando las bacterias mue- ren este tejido celular se convierte en alimento de otras y prosigue la conversión de la materia orgánica en dióxido de carbono y agua. Una parte de las bacterias vivas y muertas sirven de alimento a los protozoos y continúa la degradación de la materia orgánica. Fig. 1.9. Secuencia de degradación de los compuestos orgánicos. En cada una de las etapas por las que transcurre la oxidación de la materia orgánica se producen desechos del metabolismo que resultan resistentes a la degradación biológica y que pueden explicar la discrepancia entre la demanda teórica y práctica. En el diagrama de la figura 1.9 se ilustra esta secuencia de fenómenos. 1.3.3. Cálculo de la constante de oxigenación A partir de la importancia que existe, a la hora de caracterizar un agua residual, del conocimiento de la relación entre la DBO cinco días, DBO última y la constante de velocidad, k, han sido propuestos muchos métodos para el 10
  • 17. Indicadores de la Contaminación cálculo de k.1, 3 A continuación se presenta uno que, aunque no muy exacto, es sencillo y permite tener una idea del valor de esa constante antes de pasar a una determinación más exacta, pero también más laboriosa. El método de Rhame para determinar k, o método de los dos puntos de Rhame,4 se basa en la relación entre los valores de la DBO para dos tiempos dados. El segundo tiempo es el doble del primero. Con el método de Rhame pueden calcularse la DBO última y la constante de de-oxigenación: X2 L (1.9) 2X Z 1 X y k log (1.10) T t Z X donde: L: DBO última. X: DBO en el tiempo t. Z: DBO en el tiempo T = 2t. Según Rhame, para t = 10 días, los valores de L y k que se obtienen son comparables a los que se estiman cuando se usan otros métodos. En la tabla 1.1 se comparan los valores de la DBO última y la constante de de-oxigenación para residuales teneros, calculados por diferentes métodos. Tabla 1.1. Valores de k y Lo de residuales teneros calculados por diferentes métodos 1.4. DEMANDA TEÓRICA DE OXÍGENO (DTO) Y DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) Cualquier compuesto orgánico teóricamente puede ser oxidado hasta la ob- tención final de productos estables como H2O , CO2 , NH3 y SO 2 . La cantidad 4 11
  • 18. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo de oxígeno necesaria para la oxidación se denomina demanda teórica de oxíge- no (DTO). La DTO puede ser calculada considerando las relaciones estequiométricas: y z y Cx H y O z x O x CO 2 HO (1.11) 4 2 2 2 2 4x y 2z DTO (1.12) MM donde: MM: Masa molecular del compuesto. Para compuestos que contienen N en su estructura, la ecuación para la demanda teórica de oxígeno es: y 3p z Cx H y Oz N p x O x CO 2 4 2 2 y 3p (1.13) H 2 O pNH 3 2 4x y 3p 2z 8 DTO (1.14) MM Si además el azufre participa en su composición, y 3p 2q z C X H y O z N p Sq x 2q O 4 2 2 (1.15) y 3p x CO 2 H 2O p NH 3 q H 2SO 4 2 4x y 6q 3 p 2z DTO 8 (1.16) MM La demanda química de oxígeno brinda una medida más real de la cantidad de oxígeno requerida para la oxidación de los compuestos orgánicos a CO2 y H2O, de acuerdo con las ecuaciones 1.11, 1.13 y 1.15, cuando se utiliza un oxidante fuerte. 12
  • 19. Indicadores de la Contaminación El mejor método para determinar la DQO es aquel que arroja valores igua- les o cercanos a la DTO. Actualmente este método es el estándar del dicromato. 5 Este método utiliza una solución de dicromato de potasio cuya concentración molar de equivalente es 0,25, en 50 % de ácido sulfúrico. Bajo estas condicio- nes, con sulfato de plata como catalizador, la mayoría de los compuestos son oxidados entre 90 y 100 %.6 No obstante, algunos compuestos no son oxidados o lo son solo parcialmen- te cuando se utiliza el método estándar con dos horas de reflujo. Esto se ha comprobado en algunas bases fuertes nitrogenadas como las metilaminas, etilaminas, piridinas y sus derivados (tabla 1.2). Tabla 1.2. Algunos compuestos parcialmente oxidables por el dicromato en medio ácido Compuesto Oxidación Compuesto Oxidación % % Metilamina 3,7 Etilamina 36,1 Dimetilamina 1,9 Dietilamina 27,8 Trimetilamina 5,2 Trietilamina 37,4 Piridina 4,4 2,4 dimetilpiridina 58,0 metil piridina 30,0 3 metil piridina 27,8 2,4,6 trimetilpiridina 85,2 Otras bases heterocíclicas nitrogenadas como la quinolina, pirol, pirolidina, indol, inidiazol, purina y pirimidina, son oxidadas fácil y completamente. Sin em- bargo, en los compuestos heterocíclicos que contienen dos o más átomos de nitrógeno en la molécula, solamente una parte de ellos se desprende como amo- níaco y el resto como nitrógeno.7 El azufre de los compuestos orgánicos es oxidado a sulfato. La excepción está constituida por el grupo CH3 Durante la prueba de la DQO se determinan tanto los compuestos degradables como los no degradables biológicamente. También se incluyen aque- llos compuestos inorgánicos reductores que pueden ser oxidados por el dicromato en medio ácido, como es el caso común del anión cloruro. 1.5. CARBONO ORGÁNICO TOTAL (COT) Hoy día el COT es utilizado como una medida del contenido de sustancias orgánicas en el agua. Sin embargo, este parámetro no brinda información acer- ca del oxígeno necesario para la oxidación de las mismas. Así, por ejemplo, la 13
  • 20. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo glucosa y el ácido caproico poseen en su molécula el mismo número de átomos de carbono, no obstante la demanda teórica de oxígeno (DTO) de ambos com- puestos es diferente: 1 C6 H12 O 6 6O 2 6CO 2 6H 2 O DTO 1,07 gg (1.14) 1 C6 H12 O 2 8O 2 6CO 2 6H 2 O DTO 2,21 gg (1.15) En el primer caso se requieren 2,66 g de oxígeno para la oxidación de 1 g de carbono. En el segundo caso cada gramo de carbono necesita 3,55 g de oxígeno para la oxidación total. En el orden teórico existe una relación entre la DTO y DQO, así como entre la DTO y el COT.1 Por tanto, existe también una relación entre la DQO y el COT. En el mismo plano teórico cabe suponer que la relación DTO/COT varía entre los límites de cero, cuando los compuestos orgánicos no son oxidables por el dicromato, hasta 5,33, que es la relación para el metano según la ecuación: CH 4 2 O2 CO 2 2 H 2O (1.16) En la tabla 1.3 se representa esta relación para algunos compuestos orgáni- cos comunes. Tabla 1.3. Relación DTO/COT de algunos compuestos8 Compuesto Relación DTO / COT Ácido acético 2,67 Glucosa 2,67 Sacarosa 2,67 Piridina 3,33 Benceno 3,33 Etilamina 4,00 Metano 5,33 El valor límite de 5,33 para la relación DTO/COT es también válido para mezclas de compuestos, aunque en la medida que aumenta en complejidad la composición del residual, la DTO va perdiendo su interés práctico y la relación DTO/COT llega a ser inoperante. Para las aguas residuales, constituidas por mezclas de sustancias cuya com- posición no siempre se conoce y de concentración variable, la DTO tiene esca- so valor práctico. De ahí la importancia de la DQO y la DBO como parámetros indicadores de la contaminación en unidades de oxígeno. 14
  • 21. Indicadores de la Contaminación En la práctica la relación DQO/DTO es muy variable debido a que, como ya se dijo, hay muchos compuestos orgánicos que no son fácilmente oxidados por el dicromato. La relación puede ser tan alta como 1 (para el etanol, ácido oxálico y ácido benzoico)9 y tan baja como 0,02 para la piridina.8 Por tanto, las relacio- nes DTO/COT que aparecen en la tabla 1.3 para compuestos puros, no son igualmente válidas para DQO/COT. Hay una correspondencia entre las relaciones anteriores y el número de oxidación promedio (NOP) del carbono (figura 1.10). Este puede calcularse por la ecuación: nO 2 NOP 4 2 (1.17) nC donde: nO 2 : Número de átomos de oxígeno necesarios para la oxidación completa de un compuesto dado en CO2 , H2O, NH3 y H2SO4. nC: Número de átomos de carbono en el compuesto dado. Fig. 1.10. Dependencia del NOP de la relación DTO/Corg para algunos compuestos. 15
  • 22. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo Cuando se aplica la ecuación 1.17 a las moléculas de glucosa, formaldehído y ácido acético, puede llegarse a la conclusión que en esos compuestos el car- bono tiene el NOP igual a cero. El carbono en todas las aminas alifáticas y alcoholes tiene el NOP igual Para los compuestos puros, la ecuación 1.17 se transforma en: DTO NOP 4 2 (1.18) Corg Para aguas residuales la ecuación 1.18 se modifica: DQO / 16 NOP 4 2 Corg / 12 3 DQO NOP 4 (1.19) 2 Corg en la que tanto la DQO como la concentración de carbono orgánico se expresan en mg L . En el mismo plano teórico puede afirmarse que cuando el NOP del sustrato es menor que cero se hace necesario suministrar oxígeno para la síntesis celular: 5nC 6 H12 O 2 6nNH 3 10nO 2 6 C5 H 7 NO 2 n 18nH 2O (1.20) Para sustratos cuyo NOP es mayor que cero, el contenido de oxígeno en su molécula es tal que no requiere un suministro adicional del mismo para que ocurra la síntesis celular: 5nC6 H 8 O 7 6nNH 3 6 C5 H 7 NO 2 n 8nH 2 O 7,5nO 2 (1.21) Como se aprecia de la ecuación 1.21 aún queda una cierta fracción del oxígeno que puede ser utilizado para la oxidación. Debe destacarse que cuando la biomasa es considerada como sustrato, su NOP es igual a cero: C5 H 7 NO2 n 5nO 2 5nCO 2 2nH 2O nNH3 (1.22) 16
  • 23. Indicadores de la Contaminación 1.6. NITRÓGENO El nitrógeno en las aguas residuales se puede presentar principalmente en forma orgánica, formando parte de proteínas, y en forma amoniacal. El nitrito (NO2 ) y los nitratos (NO3 ) rara vez aparecen en las aguas residuales crudas, y cuando existen, se trata fundamentalmente de aguas residuales industriales. El conocimiento del contenido de nitrógeno en sus variadas formas re- sulta de gran interés. Así por ejemplo, cuando un agua destinada a consumo humano presenta nitrógeno orgánico, o nitrógeno amoniacal, es indicio de contaminación fecal reciente, lo cual es un alerta sobre su peligrosidad. La urea contenida en la orina del hombre y animales, se descompone aportando nitrógeno amoniacal según muestra la siguiente ecuación: CON 2 H 4 H 2O CO 2 2NH 3 (1.23) Así mismo, las heces fecales de animales contienen cantidades apreciables de proteínas las cuales son convertidas en nitrógeno amoniacal por las bacterias según: Nitrógeno orgánico Bacterias NH 3 (1.24) El nitrógeno amoniacal puede ser posteriormente convertido en iones nitrito por las bacterias Nitrosomonas: bacterias 2NH 3(g) 3O 2 2NO 2 2H 2H 2 O (1.25) La presencia de iones nitrito en un agua destinada al consumo humano puede ser considerada también como indicativo de contaminación fecal. Esta secuencia de reacciones no termina sino en los iones nitrato, que constituyen la forma más oxidada del nitrógeno. Esto ocurre cuando los iones nitrito son oxidados por las Nitrobacter según: bacterias 2NO 2 O2 2NO 3 (1.26) La secuencia de la nitrificación se puede mostrar gráficamente, tal como indica la figura 1.11. La presencia de diferentes formas del nitrógeno tiene otra connotación cuando se trata de aguas residuales. En este caso es importante conocer el contenido de nitrógeno por ejemplo cuando se requiere diseñar un sistema de tratamiento biológico donde se debe cumplir que el contenido de nitrógeno guarde relación definida con la DBO y el fósforo, para que el proceso de depuración transcurra de manera adecuada. 17
  • 24. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo Fig. 1.11. Transformación de diferentes formas del nitrógeno. Por otra parte el contenido de nitrógeno y las diferentes formas en que se puede presentar a lo largo del sistema de tratamiento aporta criterio sobre algu- nos de los fenómenos que pueden ocurrir. En la tabla 1.4 se resume el impacto de diferentes formas del nitrógeno. Tabla 1.4. Impactos causados por diferentes especies del nitrógeno Forma del Impacto Nitrógeno N-NH3 La oxidación del nitrógeno amoniacal en un curso receptor produce disminución del oxígeno disuelto. El nitrógeno amoniacal no ionizado puede causar toxicidad en varios organismos acuáticos. N-NO3 El nitrógeno en forma de nitrato en aguas potables puede causar metahemoglo- binemia en niños pequeños. Nitrógeno total El nitrógeno como nutriente es causa de un crecimiento excesivo de organismos acuáticos que consumen oxígeno durante la noche y excretan sustancias que causan olor y sabor. 18
  • 25. Indicadores de la Contaminación 1.7. FÓSFORO El conocimiento del contenido de fósforo de las aguas residuales reviste interés, pues este elemento constituye un factor imprescindible para la vida de los organismos acuáticos al entrar a formar parte de su estructura. La presencia de compuestos de fósforo en cursos receptores induce el crecimiento de algas. Estas afectan de forma notable la calidad de las aguas ya que pueden ser el origen de toda una secuencia de fenómenos, dado que este elemento es el limitante para el desarrollo de estas formas de vida. La luz y los compuestos de nitrógeno (los cuales son los otros elementos im- prescindibles) son generalmente abundantes. El deterioro de la calidad del agua debido a la aparición de color o sabor desagradables no es el único problema que se genera como consecuencia de la presencia del fósforo en un cuerpo de agua, sino que se produce otro no menos grave y es que al morir las algas, estas ocasionan una contaminación de carácter orgánico en el agua. Por todo lo anterior es importante disponer de datos sobre la concentra- ción de fósforo que se vierte a los cuerpos receptores, provenientes funda- mentalmente de las aguas residuales industriales y domésticas. Las aguas residuales de origen doméstico son relativamente ricas en fósforo. Antes del desarrollo de los detergentes sintéticos, el contenido de fósforo usualmente estaba en el intervalo de 2 a 5 mgL y las formas orgánicas variaban de 0,5 a 1,0 mgL . Esta contribución humana se debe a la ruptura de las proteínas con la consiguiente eliminación del fósforo en la orina. En la actualidad muchos detergentes sintéticos contienen grandes cantidades de poli fosfatos, pudiendo contener hasta 10 % en su composi- ción. La sustitución del jabón por estos productos ha incrementado notable- mente el contenido de este elemento en las aguas residuales. 19
  • 26. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo 1.7.1. Diferentes compuestos de fósforo presentes en las aguas residuales En las aguas residuales se pueden encontrar compuestos de fósforo tales como: Tabla 1.5. Diferentes compuestos de fósforo Nombre Fórmula Ortofosfatos Fosfato trisódico Na3PO4 Fosfato disódico Na2HPO4 Fosfato monosódico NaH2PO4 Fosfato diamónico (NH4)HPO4 Polifosfatos Hexametafosfato de sodio Na3(PO3)6 Tripolifosfato de sodio Na5P3O10 Pirofosfato tetrasódico Na4P2O7 Todos los polifosfatos experimentan reacciones químicas produciendo ortofosfatos (PO4 ), siendo la velocidad con que ocurre este proceso de- pendiente del tiempo, la temperatura y el pH. 1.8. CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 1.8.1. Aguas residuales municipales Están constituidas por materia orgánica en forma suspendida, coloidal y disuelta. La carga contaminante de estas aguas puede ser expresada en función de la contribución per cápita. La DBO, contenido de sólidos y el gasto de agua per cápita que normalmen- te se reporta en la literatura varía de un país a otro, de una zona o región a otra e incluso con el tiempo en una misma localización. Esto está, por supuesto, en función de los hábitos alimentarios, de las costumbres y condiciones higiénico- sanitarias de la población. Los valores típicos de la contribución per cápita diaria a los residuales muni- cipales son 0,5 m3 hab , 104 g hab de DBO y un contenido de sólidos suspen- didos de 90,7 g hab .10 Estudios parciales realizados en Cuba arrojan valores de 30 g hab para la DBO y de 24 g hab para los sólidos suspendidos.11 Como referencia, la composición promedio de un agua residual munici- pal se muestra en la tabla 1.6. La incorporación de residuales industriales pueden modificar sustancialmente los valores de estas concentraciones. 12 20
  • 27. Indicadores de la Contaminación Tabla 1.6. Características promedio de un residual municipal Propiedad Máximo Promedio Mínimo pH 7,5 7,2 6,8 Sólidos totales (mg L-1) 640 453 322 Sólidos totales volátiles (mg L-1) 503 340 225 Sólidos suspendidos (mg L-1) 258 145 83 Sólidos suspendidos volátiles 208 120 62 (mg L-1) DQO (mg L-1) 436 288 159 DBO (mg L-1) 276 158 75 Cloruros (mg L-1) 45 35 25 1.8.2. Características de los residuales industriales líquidos (RIL) Para tener un conocimiento real de las características de un agua resi- dual no basta con conocer la magnitud, en términos de concentración, de los parámetros indicadores seleccionados. Si bien el conocimiento de las con- centraciones puede ser útil en determinadas circunstancias, una mayor in- formación se obtiene del conocimiento del flujo másico (kgd ). Así, por ejemplo, suponiendo dos residuales con las siguientes caracte- rísticas: Residual A: DBO5 = 500 mgL Flujo = 200 m3d . Residual B: DBO5 = 250 mgL Flujo = 600 m3d Pudiera pensarse que el residual A es más contaminante que el B debido a que tiene mayor concentración de DBO. Obviamente el residual A presenta una DBO superior al B, sin embargo el valor de su flujo o gasto es menor. El produc- to de la concentración por el flujo da el valor del flujo másico. De esta manera, para el ejemplo anterior se tiene que: Flujo másico de A = 100 kgd Flujo másico de B = 150 kgd Este simple ejemplo pone de manifiesto que el conocimiento de la concen- tración de un parámetro solamente no es suficiente para tener una idea real del poder contaminante de un agua residual. Lo anterior destaca la importancia de conocer, con el mayor grado de certe- za posible, el flujo de agua residual que como promedio se genera. Por lo que se debe utilizar un procedimiento de muestreo que responda en el mayor grado 21
  • 28. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo posible a la realidad. Es decir, las determinaciones que se realicen deben ser representativas, para lo cual estas deben ser proporcionales al flujo. Para llegar a disponer de muestras integradas o compuestas, se requiere que cada una de las tomas puntuales que constituirán la compuesta, sea obteni- da teniendo en cuenta tanto el flujo promedio de agua residual como el existente en el instante en que se toma la muestra. El flujo promedio debe ser calculado previamente. Algunas de las características químicas de las aguas residuales municipales reportadas por Walter13 aparecen resumidas en la tabla 1.7. Para estimar el volumen de muestra a extraer en cada momento, puede utilizarse la expresión: VT Vi = Qi (1.27) Q N donde: Vi: volumen de muestra a tomar en un instante (L). VT: volumen total de muestra a recolectar (L). N: número de muestras que se van a tomar. Q : flujo promedio determinado previamente (Lh ). Qi : flujo puntual en el instante de la toma de muestra (Lh ). En la aplicación de este procedimiento es recomendable que durante el pe- riodo de muestreo se tomen volúmenes de muestras, se conserven en frío y se mida el flujo puntual en el instante de tomar cada muestra. Tabla 1.7. Características químicas de las aguas residuales municipales Constituyentes Tipo Concentración Ácidos volátiles Fórmico, acético, (8,5-20) mg L-1 propiónico, butírico y valérico Ácidos solubles Láctico, glicólico, (0,1-1,0) mg L-1 no volátiles cítrico y benzoico Ácidos grasos Palmítico, esteárico y 60 % del contenido superiores oleico de ácidos grasos Proteínas y Al menos veinte (45-50 %) del aminoácidos tipos nitrógeno total Carbohidratos Glucosa, lactosa, sacarosa 22
  • 29. Indicadores de la Contaminación La caracterización de un agua residual reviste dos objetivos muy impor- tantes: 1. Inmediato. El conocimiento de las características del agua residual per- mite conocer su poder contaminante y decidir si el residual debe ser sometido a tratamiento o no. 2. Mediato. Cuando las características del agua residual son tales que es obligado su tratamiento, los datos que aporta la caracte- rización son una parte imprescindible para el diseño de la instalación de tratamiento. En el curso de un proceso de caracterización se debe tener la mirada puesta en la posibilidad de estudiar separadamente las diferentes corrientes de residuales que pueden existir a fin de valorar su posible segregación, pues dependiendo de sus características pueden requerir de tratamientos diferentes, por lo que no es aconsejable su mezcla. Esta óptica está, por supuesto, condicionada en buena medida al estudio o conocimiento previo del problema. Para el caso particular de los residuales industriales líquidos (RIL), un procedimiento para conocer el balance material y de flujo de todos los pro- cesos de la industria que utilizan agua y producen residuales, así como de la industria en su conjunto, puede resultar imprescindible. El resultado de la caracterización debe brindar información acerca de la fortaleza contaminante de cada corriente, así como de las alternativas de tratamiento y de su reuso. El procedimiento general recomendado para obtener la información ne- cesaria para la caracterización con un mínimo de esfuerzo, y que al mismo tiempo sea confiable, puede resumirse en cuatro etapas: obtener el diagrama de flujo de los residuales, elaborar el esquema de muestreo y análisis, efectuar el balance de flujo y materiales, reportar la variación estadística de los parámetros más significativos de la caracterización. 1.8.2.1. Diagrama de flujo de los residuales Este diagrama se construye a través de la inspección de todas las operacio- nes del proceso y con la consulta del ingeniero de la planta. El diagrama debe indicar los posibles puntos de muestreo y el orden de magnitud del flujo de la corriente de aguas residuales. 23
  • 30. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo 1.8.2.2. Elaboración del esquema de muestreo y análisis El muestreo óptimo es el continuo, con volúmenes que son una fracción del flujo promedio. Sin embargo, esto pocas veces es factible. Otra posibilidad es la de las muestras integradas o compuestas con una frecuencia de muestreo que se establece de acuerdo con el proceso que se necesita caracterizar. El periodo de la composición de la muestra y la frecuen- cia de muestreo se establece de acuerdo con la naturaleza del proceso cuya agua residual se estudia. Algunos procesos en operación continua pueden muestrearse cada hora e integrarse por periodos de 8, 12 y hasta de 24 h. Aque- llos procesos en los que hay mucha variación deben integrarse en periodos de una o dos horas. A los procesos a templa se les toma muestras en el periodo de vaciado. Los análisis a realizar dependen de las características del parámetro que se está midiendo. Por ejemplo, el pH debe medirse puntualmente, ya que es posible en muchos casos que la integración resulte en una neutralización de elementos ácidos y básicos perdiéndose durante la integración una información valiosa. La carga de DBO puede requerir integración de las muestras durante 8 h cuando se pretende diseñar tratamientos de tiempos de retención cortos, aunque mues- tras integradas durante 24 h resultan suficientes para tratamientos de varios días de retención como el de las lagunas. Cuando se miden constituyentes como nitrógeno y fósforo para determinar si hay necesidad o no de adición de nutrientes en tratamientos biológicos, son suficientes muestras integradas de 24 h, ya que los sistemas biológicos tienen alta capacidad de amortiguamiento. Si se conoce la presencia de sustancias tóxicas en el agua residual, estas deben ser muestreadas continuamente. Un aspecto importante en este punto, al que ya se hizo referencia, es el de la medición del flujo. 1.8.2.3. Balance de flujo y materiales Después de realizados el muestreo y los análisis, debe efectuarse el balance de flujo y materiales tomando en consideración todas las fuentes de contamina- ción que sean significativas. En la medida en que el balance coincida con el efluente total, se confirmará el cuidado con el que se realizó la caracterización. 1.8.2.4. Variación estadística de los parámetros Esta información se obtiene de diversas formas, una de ellas consiste en graficar en papel de probabilidades la frecuencia de ocurrencia. 24
  • 31. Indicadores de la Contaminación La data de la caracterización de los RIL generalmente es muy variable y susceptible de análisis estadístico. La información puede ser reportada en tér- minos de frecuencia de ocurrencia de una propiedad en particular, que es el valor que se espera que tenga esa propiedad o lo exceda 10, 50 y 90 % del tiempo. Los valores obtenidos en la caracterización se ordenan en orden cre- ciente de magnitud. Por ejemplo, si se trata de la DBO, donde: n: Número total de valores de DBO. m: Número consecutivo y en orden creciente asignado a cada uno de los valores de DBO, desde uno hasta n. m n 1 : posición de cada valor en la tabla y que es equivalente al porcentaje de ocurrencia. Tabla 1.8. Porcentaje de ocurrencia m DBO m Ocurrencia -1 (mg L ) n 1 (%) 1 175 0,1 10 2 225 0,2 20 3 285 0,3 30 4 340 0,4 40 5 350 0,5 50 6 375 0,6 60 7 405 0,7 70 8 460 0,8 80 9 515 0,9 90 Al graficar estos resultados en papel de probabilidades, tal como se hace en la figura 1.12, la DBO promedio es la que corresponde a frecuencia de ocurren- cia del 50 %. Por otro lado, aceptando que 68 , 27 % de los valores están _ incluidos en el intervalo: X sn 1 , se tiene que: X 84 ,1 X 15 ,9 sn 1 (1.28) 2 Para el ejemplo anterior: DBO promedio = 347,8 mg L 25
  • 32. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo 450 230 sn 1 110 2 s: desviación estándar. Fig. 1.12. Porcentaje del tiempo que la DBO será igual o menor al valor indicado. Cuando el número de observaciones es muy grande (de cincuenta a cien) se recomienda agrupar la data por incrementos. Estos incrementos pueden tomar- se de 50 mg L . Ejemplo 4.1 Suponga una data que tiene noventa y seis observaciones agrupadas por intervalos de 50 mg L . donde: n: Número total de muestras m: Número de muestras en el intervalo analizado y los anteriores m 100 : posición al graficar. . n 1 26
  • 33. Indicadores de la Contaminación Tabla 1.9. Intervalos y números de muestras Intervalo Muestra m Posición en el intervalo en el gráfico 200 - 249 5 5 5,2 250 - 299 4 9 9,3 300 -349 6 15 15,5 . . . . . . . . . . . . 1150 1 199 4 96 99,0 Las mediciones del caudal de aguas residuales durante el estudio pueden llevarse a cabo por diversos métodos, en dependencia de la accesibilidad del lugar. Estos pueden ser, entre otros: 1. Instalación de vertederos, se usa en canales o conductoras abiertos. 2. Cubo o cubetas y cronómetro: aplicable cuando hay bajo caudal. 3. Medición de la duración del bombeo: hay que hacer uso de la curva carac- terística de la bomba. 4. Uso de medidores de flujo de paleta. 1.8.3. Empleo de índices en la caracterización Tomando en cuenta que los procedimientos de caracterización son gene- ralmente complejos y exigen de importantes recursos de tiempo y de tipo financiero, la utilización de indicadores o índices de producción y consumo se presenta como un importante enfoque a considerar, dentro de los proce- dimientos utilizados para determinar, al menos aproximadamente, los niveles de carga contaminante que son generados por las diferentes actividades de producción y servicios. Los índices de producción constituyen un instrumento que permite determi- nar la efectividad de medidas y programas orientados a la disminución de la contaminación, facilitando la identificación y establecimiento de prioridades de gestión, con arreglo a la evaluación cuantitativa de las tendencias que se mani- fiestan en la calidad del medio. En este sentido, es importante indicar que esta herramienta de trabajo no sustituye ni exime, la necesidad de realizar investigaciones más com- pletas. 27
  • 34. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo Tabla 1.10. Indicadores de carga contaminante de algunos procesos Sólidos DBO DQO Proceso Unidad suspendidos (kg/u) (kg/u) (kg/u) Instalaciones de 250 - 1716 cría de reses Instalaciones de cabezas 1,4 - 14,6 cría de pollos Granjas lecheras 539 - - Mataderos 6,4 - 5,2 Sin recuperar 11 - - sangre PVS Sin recuperar 4,7 - - panza se agrega Proceso de aves 1000 aves 11,9 22.4 12,7 de corral Enlatado de 12,5 - 4,3 frutas y verduras t de Refinación de producción 12,9 21 16,4 aceite vegetal Producción de m3 de vino 0,26 - - vino 3 Producción de m de 8,6 - 14,7 cerveza cerveza PVS: Peso vivo sacrificado. Fuente: Evaluación rápida de fuentes de contaminación de aire, agua y suelo, OMS, México, 1988. El indicador de carga contaminante o índice es la relación entre el nivel de producción y la carga contaminante que se genera en esa actividad. El índice define una cantidad de sustancia determinada que se obtiene en la actividad productiva en un tiempo considerado, refiriendo a él la contamina- ción generada durante el proceso de obtención. Los índices han de ser el resultado de experiencias anteriores, sean pro- pias u obtenidas de la literatura. En la tabla 1.10 se presentan ejemplos de los índices de producción refe- ridos a la contaminación que generan. De igual manera puede ser de importancia el índice de consumo de agua. Ejemplos de este tipo de índice se reflejan en la tabla 1.11. 28
  • 35. Indicadores de la Contaminación Tabla 1.11. Consumo de agua de la industria azucarera y derivados Industria Índice de consumo Central azucarero 0.5 m3/t caña molida Destilería 1.6 m3/HL de alcohol Levadura 70 m3/t de levadura (tecnología francesa) 80 m3/t levadura (tecnología austríaca) Fuente: Programa integral de desarrollo de los derivados de la caña de azúcar. Subprograma: Alcohol y levaduras, septiembre 1985, Cuba. 1.9. MEDICIONES DEL CAUDAL El conocimiento del gasto, flujo o caudal es importante no solo en el momento de proyectar una instalación, su sistema de tuberías y de bombeo. Se encuentran diversas formas comunes de conocer un caudal. Desde trabajar por datos de proyecto, pasando por el manejo de índices de consu- mo por unidad de producción o por habitante, hasta la medición directa. De las mediciones directas del caudal de aguas residuales trata este epígrafe. Los medidores de caudal más usuales que pueden ser encontrados en las plantas de tratamiento de aguas residuales son: Canales de aforo Parshall. Vertedores. Medidores de caudal en líneas de presión. 1.9.1. Canal Parshall El canal Parshall está formado por una sección de entrada de paredes verticales convergentes y fondo a nivel, un estrechamiento de paredes para- lelas y fondo descendente. El canal posee además una sección de salida de paredes divergentes y fondo ascendente. En la figura 1.13 se muestra un esquema de un canal Parshall. Este tipo de medidor es especialmente útil para aguas que contienen sólidos en suspensión, debido a que la presencia de estos no afecta las mediciones. Por otra parte, el aumento de la velocidad del agua a su paso por la parte más estrecha del canal, la garganta, dificulta la sedimentación de las partículas. La determinación del caudal se realiza considerando la altura alcanzada por el agua (H), tomada en una arqueta aneja conectada por un tubo piezométrico. 29
  • 36. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo El caudal instantáneo en cada momento se obtiene por aplicación de la ecuación: 0,026 1,567 W Q 0,37 3,28 H (1.29) siendo: Q: caudal instantáneo (m3 ·s ). W: ancho del estrechamiento, (m). H: calado del agua en el punto de observación fijo, (m). Fig. 1.13. Esquema de un medidor Parshall. La medición manual de la altura (H), arroja como resultado un valor instantáneo del caudal. Existe en el mercado un conjunto de instrumentos para realizar la medida de forma continua y así obtener el caudal medio diario, punta, mensual, etc., de forma precisa. En ocasiones además es de interés acoplar el canal a un indicador con registro gráfico y totalizador. 30
  • 37. Indicadores de la Contaminación Fig. 1.14. Canal Parshall. 1.9.2. Vertedores Los vertedores consisten básicamente en una obstrucción en la que se es- tanca el líquido y vierte por encima de ella (Figura 1.15). Fig. 1.15. Esquema de un vertedor. 31
  • 38. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo En el uso de los vertedores se emplean términos que requieren ser defi- (H) a la diferencia entre la altura de la superficie alcanzada por el liquido y la altura de la cresta medida aguas Una vez medido el valor de la carga del vertedor, H, se puede obtener el caudal de agua residual que pasa en cada instante. Hay dos elementos que deben ser tomados en consideración cuando se desea o necesita instalar un vertedor para la medición de caudales. Estos son: partiendo del hecho de que la contracción de la vena líquida comienza a una distancia aproximada de 2H aguas arriba del vertedor, la medida debe efectuarse a una distancia mayor que esta, la altura mínima de la cresta debe ser de 2,5 H para permitir la contrac- ción completa de la lámina. Los vertedores más utilizados son: Rectangular. Triangular. Trapezoidal. Vertedor rectangular Estos pueden ser sin contracción lateral o con ella. En aquellos casos en los que no exista contracción lateral, la cresta ocupa todo el ancho del canal. El caudal viene dado por la ecuación, Q 1,84 L H 1,5 (1.30) siendo: Q: caudal, m3 · s . L: longitud de la cresta, m. H: carga sobre la cresta, m. Las dimensiones que debe cumplir el vertedor se detallan en la fi- gura 1.16. 32
  • 39. Indicadores de la Contaminación Fig. 1.16. Relación de las dimensiones de un vertedero rectangular sin contracción lateral. En los vertedores rectangulares con contracción lateral, la cresta no ocupa toda la anchura del canal. Las dimensiones de las contracciones laterales se especifican en la figura 1.17. La ecuación que permite calcular el caudal en este tipo de vertedor es, Q 1,84 L 0 ,1 n H H 1,5 (1.31) donde n es el número de contracciones laterales. Fig. 1.17. Relación de las dimensiones en un vertedor rectangular con contracción lateral. 33
  • 40. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo Vertedor triangular Este tipo de vertedor es uno de los más utilizados debido a que, para un mismo caudal, se consigue mayor altura que en los rectangulares. Este efecto se traduce en una mayor precisión en la lectura (figura 1.18). El ángulo del vértice de este vertedor puede tener diferentes valores. Los más usuales son 60° y 90°. La expresión que da el caudal en este tipo de verte- dor es: Para 90 ° Q 1,38 H 2,5 (1.32) donde: Q: gasto, m3 · s . H: altura del líquido con relación al vértice, m. Para 60 ° Q 0,79 H 2 ,5 (1.33) Fig. 1.18. Relación de las dimensiones en un vertedor triangular. Fig. 1.19. Relación de las dimensiones en un vertedor trapezoidal. 34
  • 41. Indicadores de la Contaminación Vertedor trapezoidal Este vertedor tiene una forma similar al rectangular (figura 1.19). La expre- sión que se emplea para calcular el caudal es: Q 1,859 L H 1,5 (1.34) L: la longitud de la cresta del vertedero, m Medidores de caudal en línea Los métodos usualmente utilizados en la determinación de caudales en tuberías a presión corresponden a los llamados métodos dinámicos, que su- ponen una aplicación del teorema de Bernouilli entre dos puntos de una tu- Fig. 1.20. Tubo Venturi. 1.10. DISMINUCIÓN DEL VOLUMEN Y FORTALEZA DE LOS RESIDUALES Con frecuencia, haciendo sencillas modificaciones en la industria, se pueden lograr reducciones apreciables en el volumen y fortaleza de las aguas residuales, obteniendo como consecuencia de ello disminuciones en los cos- tos de inversión y operación de las instalaciones de tratamiento, entre estas modificaciones puede señalarse: Recirculación: el agua que esté relativamente poco contaminada puede ser recirculada con un mínimo de tratamiento o sin tratamiento alguno. Clasificación de las diversas corrientes y segregación de las mismas: el agua de enfriamiento y otras poco contaminadas pueden segregarse 35
  • 42. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo con anterioridad al tratamiento. Las aguas que contengan sustancias tóxicas no deben llegar nunca a las unidades de tratamiento biológico. Sustitución de aditivos químicos: hay casos en los que se facilita el tratamiento sustituyendo algunas materias primas cuyo residuos sean resistentes por otros más fácilmente tratables. Recuperación de subproductos: en ocasiones con instalaciones de bajo costo se logra obtener un subproducto dando lugar a una producción marginal, o a la recuperación de alguna materia prima del propio proce- so productivo. La disminución en las variaciones del caudal y de la fortaleza de las aguas residuales deben ser prioritarios, lo que puede ser logrado, entre otros medios, mediante el empleo de tanques compensadores. Notas bibliográficas 1 CHUDOBA, J., C. MENÉNDEZ Y J. PÉREZ O.: Fundamentos teóricos de algunos procesos para la purificación de aguas residuales, Ed. ISPJAE, Ciu- dad de La Habana, 1986. 2 THOMAS, M.A.: Water and Sewage Works, 1950. 3 MOORE, E.W., H.A. THOMAS, AND W.B. SNOW.: Sewage and Ind. Wastes, vol. 22, no. 10, 1950. 4 RHAME, G. A.: Sewage and Ind. Wastes, vol. 28, no. 9, 1950. 5 Standard Method for the Examination of Water and Wastewater, Ed. APWA-AWWA, 1995. 6 MOORE, W.A.: Anal. Chemistry, 1951. 7 ARGAMAN, Y. AND A. BRENNER: natives and process parameters for the single-sludge nitrogen removal IAWPRC Specialised Seminar, Copenhagen, Denmark, Au- gust, 1985. 8 MENÉNDEZ, C.: Reporte Inédito, ISPJAE, Ciudad de La Habana, 1989. 9 ECKENFELDER, W.W.: Water Quality Engineering for Practicing Engineers, CBI, Pub. 1980. 10 LOEHRS, H.C.: Pub. Works, vol. 99, no. 81, 1968. 11 RODRÍGUEZ, C.: Inge- niería Hidráulica, vol. 19, no. 4, 1998. 36
  • 43. Indicadores de la Contaminación 12 HUNTER, J.V. AND H. HEUKELEKIAN: Water Poll. Control Fed., vol. 37, no. 8, 1965. 13 WALTER, L.: Water Sewage Works, vol. 109, no. 11 y 12, 1961. 14 OMS, REPORTE: Evaluación rápida de fuentes de contaminación de aire, agua y suelo, México, 1988. 15 Programa integral de desarrollo de los derivados de la caña de azúcar. Sub-programa alcohol y levaduras, Cuba, 1985. 37
  • 44. Pretratamiento de Aguas Residuales CAPÍTULO 2 PRETRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES El tratamiento biológico de las aguas residuales, fundamentalmente las de origen industrial, en ocasiones requiere de algún tipo de pretratamiento cuyo objetivo puede ser la remoción de contaminantes, como ocurre du- rante la sedimentación primaria, o el acondicionamiento del agua residual mediante la compensación y (o) neutralización, para facilitar la depuración biológica. 2.1. COMPENSACIÓN Los residuales líquidos industriales se caracterizan por la diversidad de corrientes con diferencias en su composición y concentración. Aun una misma corriente puede presentar variaciones horarias en sus propiedades. Cuando los residuales manifiestan mucha variación en su composición se recomienda el empleo de tanques compensadores. La experiencia ha demostrado que los procesos de tratamiento se realizan mejor si las fluctuaciones extremas en la carga del sistema pueden ser evitadas o en última instancia ser atenuadas mediante la compensación. En los tanques compensadores los residuales se retienen durante un periodo en el que se llega a obtener un efluente relativamente estable. La neutralización de corrientes ácidas o básicas, la estabilización de la DBO y la separación de metales pesados, son algunos de los objetivos de la compen- sación. Aguas residuales con alta acidez o alcalinidad que no son compensadas requieren de la neutralización mediante la adición de reactivos químicos. La mezcla en el tanque de compensación generalmente se promueve con aire. Un método común es el empleo de aereadores superficiales, con un consu- mo de potencia de 4.10 W m . Cuando se utiliza aire mediante difusores, el consumo aproximado de este puede tener un valor cercano a los 4 m3 m d . 1 39
  • 45. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo Para el diseño de los tanques de compensación pueden emplearse criterios empíricos y calcular su volumen considerando el tiempo requerido para acumu- lar el agua residual de un ciclo de producción o por turnos de trabajo. Siempre que se pueda, el criterio de diseño debe tener como base el nivel de varianza aceptable que tiene el parámetro que se desea normalizar para las etapas subsi- guientes del tratamiento. Los tanques compensadores pueden diseñarse para operar a volumen cons- tante o volumen variable, en función de que interese amortiguar variaciones de concentración o flujo respectivamente. 2.1.2. Dinámica de los sistemas de compensación La compensación se logra vertiendo el residual en un tanque o cisterna de forma tal que se mezcle con el que le ha precedido, con lo cual se amortiguan las variaciones bruscas. Fig. 2.1. Efecto de un compensador sobre variaciones de flujo y / o composición. A fin de ilustrar la dinámica de un compensador considere el caso más sencillo de un tanque perfectamente agitado de volumen constante, al cual llega continuamente una corriente de agua residual de flujo Q y concentra- ción del componente de interés CE, siendo la salida de igual flujo pero de concentración CS. Fig. 2.2. Compensador de volumen constante. 40
  • 46. Pretratamiento de Aguas Residuales Aplicando un balance diferencial para el componente de interés: dCS Q CE Q CS V (2.1) dt por lo que integrando: CS t dCS Q dt (2.2) C0 C E CS Vt 0 por lo tanto: CE CS t ln CE C0 V donde: Q entonces: t CS CE (C E C0 ) exp (2.3) En la tabla 2.1 se muestra un ejemplo numérico donde se ilustra el efecto compensador del sistema mostrado, suponiendo por simplicidad, que el flujo de agua residual es constante y la composición variable. Tabla 2.1. Efecto compensador del sistema Horario DQO, mgL-1 1 150 2 175 3 180 4 200 5 250 6 300 7 320 8 300 9 250 10 180 11 150 12 140 41
  • 47. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo Se ha supuesto que el tiempo de residencia en el compensador es de 10 Fig. 2.3. Ilustración del efecto de un compensador de volumen constante. En la figura 2.3 se muestran las curvas de variación de DQO de entrada al compensador, las del efluente compensado y la composición promedio. De la misma puede observarse el efecto compensador del sistema, ya que la variación que experimenta la composición de salida es menor que la de entrada. Es de destacar que el compensador no modifica la composición promedio del efluente con respecto al caudal de entrada, sino su varianza. Al incrementarse el tiempo de residencia del compensador aumenta su efecto amortiguador, por lo que para un tiempo de residencia infinito desaparecen las fluctuaciones de la composición de salida igualándose a la promedio. El método que se siga para calcular las dimensiones del tanque compensador dependerá de las condiciones en que este operará. 2.1.3. Compensación para flujo de residual constante y de composición variable Bajo condiciones de flujo constante la relación entre la varianza del efluente de un tanque completamente mezclado y la del afluente, cuando las variaciones de composición son aleatorias, viene expresada por la relación:2 S 2e (2.4) S 2i 2. 42
  • 48. Pretratamiento de Aguas Residuales donde: S2e: varianza de la concentración del efluente. S2i: varianza de la concentración del afluente. T: tiempo de recolección de la muestra compuesta. : tiempo de retención (V / Q). De acuerdo con lo anterior puede calcularse el tiempo de retención si se conocen la varianza del afluente y la permisible o deseada para el efluente. La varianza en el afluente, S2i se determina según: n 1 2 S 2i Xi X (2.5) n 1 i 1 donde: Xi: valor individual de la concentración de cada muestra tomada. X : valor promedio de todas las mediciones. n: número de muestras. Se define el valor típico normal Z de la propiedad controlada como: Xm X Z (2.6) Se donde: Xm: valor máximo que puede tomar la propiedad en el efluente del tanque de compensación. Se: desviación típica del efluente. Procedimiento para el diseño El procedimiento de diseño consiste en hallar el tiempo de retención reque- rido en el tanque compensador para obtener las condiciones de salida deseadas. El tiempo de retención y el caudal de agua a tratar, definirán el volumen de tanque necesario. 1. Determinar el valor promedio de la concentración del afluente X . 2. Calcular su desviación típica. 3. Fijar el valor máximo permisible de concentración que se desea a la salida (Xm). 4. Determinar la desviación típica del efluente tomando un valor de Z con un por ciento de confiabilidad, por ejemplo, 90 %. 5. Hallar el valor de . 43
  • 49. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo 6. Con el valor de y el flujo que se desea procesar se estima el volumen del compensador: V Q Ejemplo 2.1 Se estudió un agua residual cuyo caudal es de 1 500 m 3d . Se tomaron cuatro muestras diarias integradas durante 6 horas cada una en 10 días diferen- tes. Los resultados se muestran en la tabla 2.2: Tabla 2.2. Resultados del ejemplo 2.1 HORA 6:00 a.m. 12:00 m 6:00 p.m. 12:00 a.m. Día Valores de DBO (mgL-1) 1 850 1240 600 1130 2 1430 324 1290 741 3 1550 421 750 422 4 1390 1324 1050 560 5 410 990 684 1220 6 500 270 820 530 7 420 450 750 1205 8 960 1230 680 890 9 395 1190 300 500 10 600 1304 1020 922 Debido al tratamiento que se empleará se requiere disminuir la variación que presenta la DBO se pretende diseñar un tanque para compensar tales efectos. Determine el volumen del compensador si se conoce que el valor máximo permisible de la DBO a la salida es de 1000 mgL . X X 832,8 n Si 367,438 Xm 1000 De la tabla de distribución normal (Anexo 2), para 90 % de confianza, el valor de Z 1,30 Xm X 1000 832 ,8 Z Se 167 ,2 Se 1,30 44
  • 50. Pretratamiento de Aguas Residuales S 2e Se2 = 27955,84; Si2 = 135810,68 S 2i 2. El tiempo de retención en el tanque compensador será, 6 135810 ,68 14 ,5 h 2 27955 ,84 0,6 d, por lo tanto, el volumen es, V 1500 · 0,6 900 m3 2.1.4. Compensación cuando hay variación simultánea de flujo y composición3 Realizando un balance de masa en el tanque compensador: Q C1 T V C0 Q C2 T V C (2.7) donde: C1: concentración que entra al tanque durante el intervalo de muestreo T. T: intervalo de muestreo, por ejemplo, 1 h. Q: flujo promedio en el intervalo de muestreo. C: concentración en el tanque al inicio del intervalo de muestreo. V: volumen del tanque. C2: concentración que sale del tanque al concluir el intervalo de muestreo. En este caso se está asumiendo que la concentración del efluente es cons- tante durante un intervalo de muestreo. Esto es cierto si el tiempo del intervalo es espaciado apropiadamente. C1T C 0V/Q C2 (2.8) T V/Q Procedimiento para el diseño 1. Se asume un volumen del tanque compensador, y este define el tiempo de retención. 2. Tomando como primer valor de C0 el valor promedio de las mediciones, se calculan los valores de la concentración compensada. Para los restantes intervalos se toma la concentración final del intervalo anterior. 3. Si los valores de concentración así obtenidos no llegan a satisfacer los re- querimientos, se toma otro valor de tiempo de retención y repite el proceso. 45
  • 51. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo Ejemplo 2.2 Tabla 2.3. Resultados Intervalo Q Concentración de (m3h-1) de DBO tiempo (mgL-1) 1 363 250 2 45 70 3 230 60 4 270 170 5 363 330 6 450 50 7 290 60 8 260 400 Promedio 283,87 173,75 La tabla 2.3 fue obtenida de una planta industrial durante un ciclo de produc- ción de 8 horas. Cada intervalo de tiempo representa un periodo de muestreo de 1 hora. Determine el factor pico del efluente de un tanque compensador cuando se utiliza un tiempo de retención de: a) 8 horas, b) 2 horas y compárelos con el factor pico cuando no se utiliza compensación. Valor máximo Factor Pico Valor promedio 400 Al inicio: FP 2 ,3 173,75 a) Asumiendo un tiempo de retención igual a 8 h: V = 283,87 · 8 = 2270,96 m3 V C1 C0 Q C2 V 1 Q Después del primer intervalo, C1 = 250 mgL Q = 363 m3h C0 = 173,75 mgL 46
  • 52. Pretratamiento de Aguas Residuales 2270 ,96 250 173,75 C2 363 184 ,39 mgL 1 2270 ,96 1 363 Después del segundo intervalo: C1 = 70 mgL Q = 45 m3h C0 = 184,79 mgL 2270 ,96 70 184 ,39 C2 45 182 ,17 mg L 1 2270 ,96 1 45 Al proceder de manera similar para los restantes intervalos se obtienen los resultados que se muestran en la tabla 2.4: Tabla 2.4. Resultados Intervalo C1 Q Concentración compensada (C2) Para 8h Para 2h Primero 250 363 173,75 203,49 Segundo 70 45 182,17 193,70 Tercero 60 230 170,93 155,15 Cuarto 170 270 170,83 160,00 Quinto 330 363 192,77 226,30 Sexto 50 450 169,16 148,35 Séptimo 60 290 156,68 109,28 Octavo 400 260 156,80 200,60 Promedio 173,75 283,37 Factor Pico para un tiempo de retención de 8 h en el tanque compensador: 192 ,70 FP 1, 1 173 ,75 b) Asumiendo un tiempo de retención igual a 2 h: V = 283,87 · 2 = 567,74 m3 Después del primer intervalo, C1 = 250 mgL Q = 363 m3h C0 = 173,75 mgL 47
  • 53. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo 567 ,74 250 173 ,75 C2 363 203,49 mgL 1 567 ,74 1 363 Después del segundo intervalo: C1 = 70 mgL Q = 45 m3h C0 = 203,49 mgL 567 ,74 70 184 ,39 C2 45 193 ,70 mgL 1 567 ,74 1 45 Procediendo de manera similar para los restantes intervalos se obtienen los resultados que se muestran en la tabla anterior para: = 2 h. Factor Pico para un tiempo de retención de 2 h en el tanque compensador: 226 ,30 FP 1,3 173,75 2.1.5. Compensación cuando hay variación simultánea de flujo y composición, pero el volumen en el compensador es variable El volumen requerido para la homogeneización o compensación se determi- na mediante un diagrama de los caudales a tratar, en el cual se representa el volumen de afluente acumulado a lo largo del día. El caudal medio diario, tam- bién representado en el mismo diagrama, es la pendiente de la línea recta traza- da desde el origen hasta el punto final del diagrama. Para determinar el volumen necesario, se traza una recta paralela a la que define el caudal medio diario, tangente a la curva de caudales acumulados. El volumen requerido es igual a la distancia vertical existente entre el punto de tangencia y la línea recta que representa el caudal medio, tal como muestra la figura 2.4. Si una parte de la curva de caudales acumulados está situada por encima de la línea que representa el caudal medio, el diagrama acumulado debe limitarse con dos líneas paralelas a la del caudal medio y tangente a las dos curvas del diagrama. El volumen requerido en este caso es igual a la distancia vertical existente entre las dos tangentes. Figura 2.5. 48
  • 54. Pretratamiento de Aguas Residuales Horario Fig. 2.4. Determinación del volumen del compensador. La interpretación física de los diagramas representados es la siguiente: En el punto inferior de tangencia el tanque de compensación está vacío. A partir de este punto el tanque empieza a elevar su nivel por lo que la pendiente del diagrama de la curva de volumen del afluente es mayor que la del caudal medio diario y continúa llenándose hasta que lo hace al final del horario. Para el segundo modelo de flujo, el tanque está totalmente lleno en el punto de tangen- cia superior. acumulado Volumen Horario Fig. 2.5. Determinación del volumen del compensador. 49
  • 55. Menéndez Gutiérrez, C. y J. Pérez Olmo Procedimiento para el diseño 1. Se desarrolla una curva de caudales acumulados de agua expresada en me- tros cúbicos. V Q T Vf Vo Vi VS V1 Vo 1 V2 Vo 1 V1 2 Vn V0 1 V1 2 ............. V( n 1) n 2. Se traza la línea de caudal medio diario. 3. Se determina el volumen del tanque requerido. 4. Para estimar el efecto de homogeneización: a) Se calcula el volumen de líquido existente en el tanque al final de cada periodo de tiempo mediante la expresión: Vf Vo Vi Vs donde: Vf: volumen en el tanque al final del periodo de tiempo considerado. V0: volumen en el tanque al final del periodo de tiempo anterior. Vi: volumen aportado durante el tiempo considerado. VS: volumen de caudal saliente durante el tiempo considerado. b) Se calcula la concentración media que sale del tanque: Vi X i V0 X 0 Xf Vi V0 donde: Xf: concentración media en el caudal que sale del tanque durante el tiempo considerado mg / L. Vi: volumen aportado durante el tiempo considerado, m3. V0: concentración del agua residual contenida en el tanque al final del perio- do anterior. 5. La magnitud de la carga horaria se calcula utilizando la expresión: Carga horaria X i Qi El efecto de la homogeneización puede mostrarse numéricamente a partir de las relaciones siguientes: punta / media; mínima / media y punta / mínima 50