Arranque y operación de un reactor experimental de lodos activados para el tratamiento de aguas residuales urbanas
Autor: Giraldo Valencia,  Luis Fernando
Asesor: Marín Arias, Jorge Eliécer (Thesis advisor)
Fecha: 2003
Programa: Bogotá - Medicina -Fisioterapia
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: Este documento presenta las principales características del proceso de arranque y puesta en marcha de la planta piloto el Popal, perteneciente a la empresa Aguas de Manizales S.A.E.S.P; además de la simulación de las condiciones de estabilidad del reactor biológico, a partir de un modelo matemático convencional que tuvo en cuenta la población microbiana típica de un sistema de lodos activos por aireación extendida. Así mismo, se presenta un diagnostico preliminar de funcionamiento del sistema. / Abstract: This document presents the main characteristics of the outburst and progress process in the pilot plant El Popal, belonging to the company Aguas de Manizales S.A.E.S.P; besides the simulation of stability conditions of the biological reactor, starting from a conventional mathematical model that kept in mind the typical microbial population of an active muds system for extended aireation. Likewise, a preliminary diagnosis of the system operation is presented.

ARRANQUE Y OPERACIÓN DE UN REACTOR EXPERIMENTAL
DE LODOS ACTIVADOS PARA EL TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES URBANAS
LUIS FERNANDO GIRALDO VALENCIA
ISABEL CRISTINA RESTREPO MARULANDA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MANIZALES
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
INGENIERÍA QUÍMICA
2003ARRANQUE Y OPERACIÓN DE UN REACTOR EXPERIMENTAL
DE LODOS ACTIVADOS PARA EL TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES URBANAS
LUIS FERNANDO GIRALDO V. Cod. 397520 LP. AMBIENTAL
ISABEL CRISTINA RESTREPO M. Cod. 398046 LP. AMBIENTAL
MODALIDAD
Pasantía
Director:
JORGE ELIÉCER MARÍN.
Ingeniero Químico.
Director Ad-Hoc:
MARIA CRISTINA JARAMILLO.
Ingeniera Química.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MANIZALES
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
INGENIERÍA QUÍMICA
2003A Dios, La Vida.
A Nuestras Familias, Nuestro Ser.AGRADECIMIENTOS
Luis Fernando Giraldo Valencia e Isabel Cristina Restrepo autores del trabajo,
expresan sus agradecimientos a:
Ingeniero Jorge Eliécer Marín, Director del Trabajo de Grado.
Ingeniera María Cristina Jaramillo, Directora AD-Hoc.
Al Personal del laboratorio de Aguas de Manizales.
A la Universidad Nacional de Colombia.
A la Empresa Aguas de Manizales S.A.E.S.P.
Personas que con su trabajo y dedicación hicieron posible la realización de este modesto
trabajo.TABLA DE CONTENIDO
1. RESUMEN 4
2. INTRODUCCIÓN 5
3. MARCOTEORICO
6
3.1 ORIGEN DE LAS AGUAS RESIDUALES
6
3.2 TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES
7
3.2.1 TRATAMIENTO PRELIMINAR 7
3.2.2 TRATAMIENTO PRIMARIO 7
3.2.3 TRATAMIENTO SECUNDARIO 8
3.2.4 TRATAMIENTO TERCIARIO 8
3.2.5 TRATAMIENTO DE LOS LODOS 8
3.3 LODOS ACTIVADOS
9
3.3.1 PROCESO CONVENCIONAL DE LODOS 9
3.3.2 AIREACIÓN EXTENDIDA 10
3.3.3 AIREACIÓN ESCALONADA 10
3.3.4 AIREACIÓN GRADUADA (AIREACIÓN DECRECIENTE)
11
3.3.5 AIREACIÓN ACTIVADA 11
3.3.6 ESTABILIZACIÓN POR CONTACTO 12
3.3.7 ZANJAS DE OXIDACIÓN 13
3.3.8 COMPLETAMENTE MEZCLADOS.
13
4. ANTECEDENTES
16
5. BREVE RESEÑA HISTORICA 17
6. DETERMINACION DE LAS CARACTERISTICAS
FISICAS DE LA PLANTA Y DE LA LINEA BASE DEL ARRANQUE 19
6.1 ASPECTOS TOPOGRÁFICOS DEL ÁREA DONDEESTA UBICADA LA PLANTA 19
6.2 DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
DE LA PLANTA 19
6.3 ORIGEN DEL AGUA A TRATAR 31
6.3.1 ESTUDIO DEL SECTOR 32
6.3.2 CARACTERIZACIONES DEL AGUA RESIDUAL GENERADA POR LA
COMUNIDAD DE LA PARTE ALTA DEL BARRIO LA SULTANA 34
6.3.3 CARGAS CONTAMINANTES 40
6.4 DETERMINACION DE LA LINEA BASE DEL ARRANQUE 42
7. SEGUIMIENTO AL ARRANQUE DE LA PLANTA 43
7.1 COMPORTAMIENTO EN EL ARRANQUE
43
7.1.1 SSLM 43
7.1.2 pH 43
7.1.3 OXIGENO DISUELTO 44
7.1.4 TEMPERATURA 48
7.1.5 RELACIÓN DE RECIRCULACIÓN 48
7.1.6 SS DEL RETORNO DE LODOS 50
7.1.7 INDICE VOLUMÉTRICO DE LODOS 50
7.2 CONDICIONES DE ESTABILIDAD 54
7.2.1 CONDICIONES DE ESTABILIDAD CON UNA CONCENTRACIÓN
DE 3800 DE SSLM 54
7.2.1.1 TIEMPO DE RETENCIÓN 54
7.2.1.2 CARGA ORGÁNICA 54
7.2.1.3 CARGA VOLUMÉTRICA 55
7.2.1.4 INDICE VOLUMETRICO DE LODOS 55
7.2.1.5 PRODUCCIÓN DE LODOS 56
7.2.1.6 CONCETRACIÓN DE SUSTRATO EN LA SALIDA 56
7.2.2 CONDICIONES DE ESTABILIDAD CON UNA CONCENTRACIÓN
DE 4800 DE SSLM 56
7.2.2.1 TIEMPO DE RETENCIÓN 56
7.2.2.2 CARGA ORGÁNICA 56
7.2.2.3 CARGA VOLUMÉTRICA 57
7.2.2.4 INDICE VOLUMETRICO DE LODOS 57
7.2.2.5 EDAD DE LOS LODOS 57
7.2.2.6 CONCENTRACIÓN DE SALIDA 588. APLICACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO 60
8.1 EXPRESIONES PARA LODOS ACTIVADOS 60
8.2 EXPRESIONES PARA NITRIFICACIÓN 62
8.3 ECUACIONES DE BALANCE 63
8.4 MUESTRA DE CÁLCULO 68
8.4.1 DATOS DE ENTRADA 68
8.4.1.1 VARIABLES DE SIMULACIÓN 69
8.4.1.2 CONSTANTES CINÉTICAS 69
8.4.2 CÁLCULOS DEL MODELO 70
8.5 COMPARACIÓN DEL MODELO CON LOS DATOS REALES DE
OPERACIÓN 82
9. EVALUACIÓN PRELIMINAR DEL FUNCIONAMIENTO
DE LA PLANTA 84
9.1 COMPORTAMIENTO AMBIENTAL 84
9.1.1 REJILLA DE ENTRADA 84
9.1.2 DESARENADOR 85
9.1.3 LODOS DE PURGA EN LAS ERAS DE SECADO 85
9.2 EFICIENCIA 87
9.3 DETERMINACIÓN DE LAS ADECUADAS
CONDICIONES DE PROCESO 88
9.3.1 OXIGENO DISUELTO 92
9.3.2 INDICE VOLUMÉTRICO DE LODOS 102
9.3.3 SSLM 103
9.3.4 PH 104
9.3.5 RELACIÓN F/M 104
10. ANÁLISIS DE RESULTADOS 105
11. CONCLUSIONES 111
12. SUGERENCIAS 113
13. BIBLIOGRAFÍA 12314. ANEXOS 124ÍNDICE DE GRÁFICAS
Gráfica 7.1 Comportamiento de los SSLM en el arranque 45
Gráfica 7.2 Comportamiento del pH en el arranque 46
Gráfica 7.3 Comportamiento de los SS del retorno en el arranque 51
Gráfica 7.4 Comportamiento del IVL en el arranque 52
Gráfica 7.5 Comportamiento de la DQO en el arranque 59
Gráfica 9.1 Variación del IVL con adiciones de Hipoclorito y Cal 99
Gráfica 9.2 Variación del IVL respecto a los SSLM 103INDICE DE FIGURAS
Figura 3.1 Proceso convencional de lodos activados 10
Figura 3.2 Aireación extendida 10
Figura 3.3 Aireación escalonada 11
Figura 3.4 Aireación activada 12
Figura 3.5 Estabilización por contacto 12
Figura 3.6 Zanja de oxidación 13
Figura 3.7 Completamente mezclados 13
Figura 6.1 Esquema general de la planta de tratamiento el Popal 20
Figura 7.1 Esquema de la relación de recirculación 49
Figura 8.1 Esquema del estado estable de la planta 63
Figura 8.2 Esquema general del sistema de aire de la planta de tratamiento el Popal 77
Figura 9.1 Bacterias filamentosas: Nocardia 92
Figura 9.2 Bacterias filamentosas: Micothrix Parvicella 94
Figura 9.3 Disminución de Bacterias filamentosas 102
Figura 10.1 Comportamiento de las bacterias filamentosas 109INDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Parámetros de diseño para el proceso de lodos activados. 15
Tabla 6.1 Tratamiento preliminar. 21
Tabla 6.2 Tratamiento primario. 21
Tabla 6.3 Tratamiento secundario. 23
Tabla 6.4 Tratamiento lodos. 29
Tabla 6.5 Otros materiales que hacen parte de la infraestructura. 30
Tabla 6.6 Demanda química de oxígeno. 37
Tabla 6.7 Demanda bioquímica de oxígeno. 37
Tabla 6.8 Sólidos suspendidos totales. 38
Tabla 6.9 Grasas y aceites. 38
Tabla 6.10 Concentración típica de un agua residual doméstica en Colombia. 39
Tabla 6.11 Composición usual de un agua residual en Latinoamérica. 40
Tabla 6.12 Cargas contaminantes promedio. 41
Tabla 7.1 Funcionamiento del soplador. 47
Tabla 7.2 Caudal de recirculación. 49
Tabla 7.3 Características del sistema en el arranque. 53
Tabla 8.1 Comparación de los datos experimentales con los datos proporcionados por
el modelo matemático. 83
Tabla 9.1 Sólidos retenidos en la rejilla de entrada. 85
Tabla 9.2 Características en los lechos de secado. 86
Tabla 9.3 Producción de lodos. 86
Tabla 9.4 Parámetros exigidos por la EPA para biosólidos, comparados con los
biosólidos producidos en el Popal. 87
Tabla 9.5 Remoción para una concentración de 4500 ppm de SSLM. 89
Tabla 9.6 Remoción para una concentración de 4200 ppm de SSLM. 89
Tabla 9.7 Remoción para una concentración de 4800 ppm de SSLM. 90
Tabla 9.8 Remoción para una concentración de 4320 ppm de SSLM. 90
Tabla 9.9 Remoción para una concentración de 4700 ppm de SSLM. 91
Tabla 9.10 Remoción para una concentración de 3800 ppm de SSLM 91
Tabla 9.10 Funcionamiento del soplador. 95Tabla 9.11 Comportamiento del IVL durante la adición de hipoclorito 98
Tabla 9.12 Comportamiento del IVL durante la adición de cal 101
Tabla 12.1 Sugerencias para el control de la planta El Popal. 114
Tabla 12.2 Sugerencias para el control de las remociones en la planta El Popal. 115
Tabla 12.3 Problemas y Soluciones. 1194
1. RESUMEN
Como parte del plan estratégico de saneamiento de las aguas residuales de la ciudad de
Manizales, la empresa Aguas de Manizales S.A. E.S.P, puso en funcionamiento su
planta piloto de lodos activos El Popal (cuya capacidad instalada es de 2.2 L/s), con el
propósito de estudiar las características de este sistema en el tratamiento biológico de
aguas residuales.
Este documento presenta las principales características del proceso de arranque y puesta
en marcha de la planta piloto, además de la simulación de las condiciones de estabilidad
del reactor biológico, a partir de un modelo matemático convencional que tuvo en
cuenta la población microbiana típica de un sistema de lodos activos por aireación
extendida.
Así mismo, se presenta un diagnóstico preliminar del funcionamiento del sistema.U
NIVERSIDAD
NACIONAL BIBLIOTECA ALFONSO CARVAJAL ESCOBAR
Resumen trabajo de Grado
C
DE OLOMBIA
SEDE MANIZALES
CARRERA INGENIERÍA QUÍMICA
1er Apellido GIRALDO 2º Apellido VALENCIA Nombre LUIS FERNANDO
1er Apellido RESTREPO 2º Apellido MARULANDA Nombre ISABEL CRISTINA
1er Apellido 2º Apellido Nombre
TITULO DEL TRABAJO Arranque y Operación de un Reactor Experimental de Lodos Activados para el Tratamiento de Aguas
Residuales Urbanas
NOMBRE DEL DIRECTOR DEL TRABAJO Ingeniero JORGE ELIÉCER MARÍN
RESUMEN DEL CONTENIDO (ESPAÑOL)
Este documento presenta las principales características del proceso de arranque y puesta en marcha de la planta piloto El popal,
perteneciente a la Empresa Aguas de Manizales S.A E.S.P; además de la simulación de las condiciones de estabilidad del reactor
biológico, a partir de un modelo matemático convencional que tuvo en cuenta la población microbiana típica de un sistema de lodos
activos por aireación extendida.
Así mismo, se presenta un diagnóstico preliminar del funcionamiento del sistema.
ABSTRACT
This document presents the main characteristics of the outburst and progress process in the pilot plant El Popal, belonging to the
company Aguas de Manizales S.A. E.S.P; besides the simulation of stability conditions of the biological reactor, starting from a
conventional mathematical model that kept in mind the typical microbial population of an active muds system for extended
aireation.
Likewise, a preliminary diagnosis of the system operation is presented.
PALABRAS CLAVES Lodos activados, Aireación Extendida, Tratamiento de Aguas Residuales.5
2. INTRODUCCIÓN
A principios de este siglo, los daños y las condiciones sanitarias impulsaron una
creciente demanda de mayor eficiencia en el tratamiento y gestión de las aguas
residuales. Actualmente la mayoría de las operaciones y procesos unitarios empleados
en el tratamiento de aguas residuales están siendo sometidos a una intensa y continua
investigación con el objetivo de conseguir su adecuación a los crecientes y rigurosos
requerimientos que se establecen de cara a la mejora ambiental de los cursos de agua
[1].
En ese sentido, Manizales no podía ser la excepción. Por esto, desde el año 1988 la
cuidad de Manizales inició el tratamiento de las aguas residuales con la construcción de
dos plantas pilotos: una de tipo anaerobio y otra de tipo aerobio por aireación extendida,
las cuales estaban localizadas en la antigua estación de bombeo el Popal de propiedad
de Infimanizales y entregada en concesión a Aguas de Manizales S.A. E.S.P.
En el año de 1995 el proyecto fue abandonado por problemas con la comunidad debido
al ruido y a los olores. Siete años después, la empresa Aguas de Manizales, revive el
proyecto de saneamiento de las aguas residuales de la ciudad, para lo cual reinició la
operación de la planta de tratamiento tipo aerobio “EL POPAL”, localizada entre la vía
que conduce a la reserva forestal Río Blanco y la parte baja del barrio la Sultana,
además delimitada por la quebrada olivares.
El presente trabajo expone el seguimiento general al arranque, a la operación y al
funcionamiento de la planta “El Popal”, como parte del conocimiento y la experiencia
necesaria para la selección, construcción y operación de futuras plantas de tratamiento
que permitan llevar a cabo el desarrollo del Plan de Saneamiento de la ciudad, liderado
por Aguas de Manizales.6
3. MARCO TEÓRICO
3.1 ORIGEN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Como consecuencia de la actividad humana (urbana e industrial) se produce un aporte
de materias contaminantes al agua. El origen, cantidad y composición de las aguas
residuales es diverso, pero en general podemos decir que éstas se clasifican como sigue:
• Procedentes de los distintos usos domésticos (lavado de ropa y vajilla, cocción y
limpieza de alimentos, etc.): “aguas grises”.
• Procedentes de los excrementos producidos por las personas: “aguas negras”.
• Procedentes de la limpieza de calles y zonas públicas: “aguas de escorrentías
urbanas”
• Procedentes de la atmósfera y que pueden ser arrastradas por las aguas lluvias:
“aguas pluviales”.
• Procedentes de los productos utilizados en agricultura para incrementar las cosechas
(abonos, plaguicidas, etc.): “aguas residuales de escorrentías agrícolas”.
• Procedentes, como desechos, de las distintas industrias: “aguas residuales
industriales”.
La mayoría de estos contaminantes son eliminados de la actividad humana utilizando el
agua como vehículo. Por lo tanto, el agua natural mas los diferentes aportes constituyen
el agua residual.
Las aguas residuales procedentes de las actividades domésticas, de la limpieza de
locales comerciales, así como las aguas pluviales y/o de lavado de calles (cuando los
colectores son de tipo unitario y no separativo) están constituidas en una alta proporción
por sustancias biodegradables. En su composición figuran sólidos orgánicos disueltos y
suspendidos, los cuales son putrescibles y por tanto sujetos a degradación. Las aguas
negras contienen también un número incalculable de organismos vivos, como bacterias
y otros microorganismos, cuyas actividades vitales son las que causan el proceso de
descomposición. La composición de las aguas residuales domésticas varía según los7
hábitos de la población que los genera, además de la configuración del alcantarillado
que transporta las aguas residuales urbanas. Estos pueden ser:
• Alcantarillado Sanitario: transporta únicamente aguas residuales domésticas, además
de aguas subterráneas que se filtran dentro del alcantarillado.
• Alcantarillado de aguas lluvias: recoge únicamente las aguas lluvias; se mantiene
seco en épocas de sequía, exceptuando algunas aguas de infiltración que se van
acumulando.
• Alcantarillado combinado: recoge tanto las aguas residuales domésticas como las
aguas lluvias.
3.2 TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES
El propósito del tratamiento de las aguas residuales domésticas, consiste en separar de
ellas la cantidad suficiente de contaminación, que permita que la que quede, al ser
descargada a las aguas receptoras, no interfiera con el mejor o más adecuado empleo de
éstas, teniendo en cuenta la capacidad de las aguas receptoras para asimilar la carga
residual que se agregue. En términos generales, se pueden definir los tratamientos de las
aguas residuales en las siguientes categorías:
3.2.1 Tratamiento preliminar: sirve para aumentar la efectividad de los tratamientos
primarios, secundarios y terciarios. Los dispositivos para el tratamiento preliminar están
destinados a eliminar o separar los sólidos mayores o flotantes, a eliminar los sólidos
inorgánicos pesados y a eliminar cantidades excesivas de aceites y grasas. Se emplean
comúnmente los siguientes dispositivos:
- Rejas de barras o más finas.
- Tamices.
- Desmenuzadores (molinos, cortadoras o trituradoras).
- Desarenadores.
- Tanques de preaireación.
3.2.2 Tratamiento primario: los dispositivos que se usan en el tratamiento primario,
están diseñados para retirar de las aguas negras los sólidos orgánicos e inorgánicos
sedimentables, mediante el proceso físico de sedimentación. Esto se lleva a cabo
reduciendo la velocidad de flujo. En un tratamiento primario convencional, cerca de un8
40 - 60% de los sólidos suspendidos y un 25 - 35% de la DBO presente en las aguas
residuales pueden ser removidos; los compuestos solubles no pueden ser eliminados por
este tipo de tratamiento. Los tanques de sedimentación pueden dividirse en cuatro
grandes grupos:
- Tanques sépticos
- Tanques de doble acción (Imhoff)
- Tanques de sedimentación con eliminación mecánica de lodos.
- Clarificadores de flujo ascendente con eliminación mecánica de lodos
3.2.3 Tratamiento secundario: el objetivo del tratamiento secundario es remover la
DBO soluble que escapa a un tratamiento primario, además de remover cantidades
adicionales de sólidos suspendidos. Estas remociones se efectúan fundamentalmente por
medio de procesos biológicos. Varios son los mecanismos usados para llevar a efecto el
proceso anterior, entre los cuales suelen destacarse los lodos activados, filtros
percoladores, lagunas de estabilización y biodiscos.
3.2.4 Tratamiento terciario: la necesidad de tratamientos terciarios o avanzados se ha
hecho necesaria a medida que se han percibido los efectos de compuestos que escapan
al tratamiento secundario de las aguas residuales. Entre estos compuestos podemos citar
el nitrógeno, el fósforo, metales pesados, DQO soluble y también se puede incluir el
tratamiento y disposición de los lodos.
3.2.5 El tratamiento de los lodos: el tratamiento de los lodos se realiza con dos
propósitos: primero, disminuir su volumen, eliminando parcial o totalmente el agua que
contienen, y segundo, descomponer los sólidos orgánicos putrescibles,
transformándolos en sólidos minerales o sólidos orgánicos relativamente estables. Este
tratamiento puede hacerse con la combinación de dos o más de los métodos siguientes:
- Espesamiento.
- Digestión (aerobia o anaerobia).
- Secado en lechos de arena (cubiertos o descubiertos).
- Acondicionamiento con productos químicos.
- Filtración al vacío.
- Incineración.
- Centrifugación.9
3.3 LODOS ACTIVADOS
El desarrollo del proceso de los lodos activados ha marcado un progreso importante en
el tratamiento secundario de las aguas negras. Este es un proceso biológico de contacto,
en el que los organismos vivos aerobios y los sólidos orgánicos de las aguas negras, se
mezclan íntimamente en un medio ambiente favorable para la descomposición aeróbica
de sólidos. Como el medio ambiente está formado por las mismas aguas negras, la
eficacia del proceso depende de que se mantenga continuamente oxígeno disuelto en
ellas durante todo el tratamiento.
Se han desarrollado diversas variaciones para llevar a cabo los pasos anteriores, con el
propósito de satisfacer ciertas condiciones locales o para lograr economías en la
construcción y operación. Esto ha dado origen a que se use el término “método
convencional de lodos activados”, para distinguir el proceso original, asignando
nombres específicos a las variaciones.
3.3.1 Proceso convencional de lodos activados: Todas las aguas negras
sedimentadas se mezclan con los lodos activados recirculados a la entrada del
tanque de aireación. El volumen de lodos recirculados es de 20 a 30% del
volumen de aguas residuales que se van a tratar. Los tanques de aireación se
diseñan de manera que proporcionen un tiempo de residencia hidráulica de seis a
ocho horas. Los lodos activados se recirculan en una proporción que mantengan
un contenido de sólidos de 1000 a 2500 ppm en el licor mixto. El índice de lodos
y su edad, según se determinen para cada planta, caerán respectivamente dentro
de los límites de 100 a 200 y de 3 a 4 días. Se puede esperar una eficiencia
global de la planta de 80 - 95%.10
Figura 3.1. Proceso Convencional de lodos activados
3.3.2 Aireación extendida: Este proceso se conoce también como Oxidación total.
Opera en condiciones de inanición, propiamente en la fase endógena; esto se
consigue aumentando el tiempo de residencia de los lodos. Busca minimizar la
producción de lodos, por el autoconsumo de los microorganismos, obteniendo
lodos bastante estabilizados, sin muchas necesidades adicionales de digestión.
Requiere aireación prolongada, por lo que se utiliza con descargas pequeñas y el
volumen del reactor es comparativamente mayor que el requerido en el proceso
convencional de lodos activados.
Figura 3.2. Aireación extendida
3.3.3 Aireación escalonada: En este proceso las aguas residuales entran al tanque de
aireación por diversos lugares, pero todos los lodos recirculados se introducen
en el primer punto de entrada. Por lo tanto, la concentración de sólidos de los
lodos en el licor mixto, es mayor en la primera etapa o lugar de entrada y11
disminuye a medida que se introducen más aguas residuales en las etapas
subsiguientes. En este proceso se puede lograr un tratamiento equivalente al del
proceso convencional de lodos activados, en casi la mitad del tiempo de
aireación, si se mantiene la edad de los lodos dentro de los límites adecuados de
tres a cuatro días.
Figura 3.3. Aireación escalonada
3.3.4 Aireación graduada (aireación decreciente): Este proceso se desarrolló
basándose en la teoría que se necesita mayor cantidad de aire en el comienzo
del período de aireación. Por este motivo, la proporción de aire que se introduce
en las aguas residuales es mayor en la sección de entrada del tanque de
aireación, cuando la demanda es mayor, y se va disminuyendo
proporcionalmente, conforme el sustrato avanza en el tanque y la demanda
decrece.
3.3.5 Aireación activada: Este es un tratamiento de lodos activados por etapas, con
un menor período de aireación. El cultivo que se produce en la sección de lodos
activados y que generalmente se desperdicia como exceso de lodos, se pasa a
una sección de aireación activada que recibe también una porción del gasto de
aguas residuales sedimentadas. En la sección de aireación activada, se airea la
porción de aguas negras sedimentadas que se enviaron allí, con una baja
concentración de sólidos (200 a 400 ppm). Se destinan tanques de
sedimentación final para ambas secciones.12
Figura 3.4. Aireación activada
3.3.6 Estabilización por contacto: En este método, los lodos biológicamente activos
se ponen en contacto íntimo con las aguas residuales durante 15 a 30 minutos
solamente, tiempo durante el cual los lodos activados absorben y adsorben un
gran porcentaje de la materia contaminante suspendida, coloidal y disuelta, de
las aguas residuales. Entonces fluye la mezcla al tanque de sedimentación
donde se separan los lodos y se pasan a un tanque regenerador en el que se
estabilizan y regeneran por aireación.
Figura 3.5. Estabilización por contacto.13
3.3.7 Zanjas de oxidación: En realidad se trata de una aireación extendida, realizada
con flujo pistón, múltiples veces; al forzar el sustrato a realizar circuitos
cerrados alrededor de un canal cerrado por medio de rotores – aireadores - con
forma de cepillo, que impulsan el agua en una dirección dada.
Figura 3.6. Zanja de Oxidación
3.3.8 Completamente mezclados: El influente sedimentado entra en un tanque
violentamente agitado por aireadores mecánicos o sistemas de difusión de aire
comprimido, de modo que todo el contenido del reactor mantiene una
composición aproximadamente constante. La entrada de aguas residuales puede
ser por varios puntos, mientras la aireación se efectúa homogéneamente. Una
vez sedimentado, los lodos asentados se retornan y el efluente se descarga.
Figura 3.7. Completamente Mezclado.14
Algunos parámetros importantes para el diseño y operación de un sistema de lodos
activados se mencionan a continuación:
- Edad de los lodos: (θ ), es el parámetro de diseño y operación más
c
ampliamente utilizado en la actualidad. Desde el punto de vista hidráulico, la
edad de los lodos, es el tiempo promedio que permanece en el reactor una
partícula de lodo biológico.
- Indice volumétrico de lodos: (IVL), es un importante parámetro de operación
del reactor, y de diseño del sedimentador secundario. Mide la asentabilidad de
los lodos, la cual es variable. La forma estándar de medirlo es permitiendo el
asentamiento del licor mixto durante 30 minutos, en un cilindro graduado de
1000 ml.
- Coeficiente de retorno: Es la relación que existe entre el caudal de retorno de
lodos del sedimentador secundario y el caudal neto de aguas residuales a tratar.
- Tiempo de detención: Es la relación del volumen del aireador o reactor y el
caudal influente neto, sin recirculación.
- Sólidos Suspendidos en el licor mixto (SSLM): Representa la cantidad de
microorganismos en el tanque de aireación, medidos como masa. Es un
parámetro importante, ya que de él depende en gran medida la purga de lodos.
Los valores de estos parámetros para el sistema convencional de lodos activados y sus
modificaciones, se presentan en la tabla 3.1.15
Tabla 3.1. PARÁMETROS DE DISEÑO PARA LOS PROCESOS DE LODOS ACTIVADOS
Tiempo de F/M Carga
Edad de lodos SSLM Retorno
Tipo de proceso detención KgDBO /Kg volumétrica
5
(días) (mg/l) (fracción)
(horas) SSVLM.d KgDBO /m3.d
5
Convencional 4 – 8 5 – 15 1500 – 3000 0.25 – 0.5 0.2 – 0.4 0.3 – 0.6
Completamente mezclado 4 – 8 5 – 15 2500 – 4500 0.25 – 1.0 0.2 – 0.6 0.8 – 2.0
Aireación escalonada 3 – 5 5 – 15 2000 – 3500 0.25 – 0.7 0.2 – 0.4 0.6 – 1.0
Contacto 0.5 – 1 5 – 15 1000 – 3000 0.2 – 1.0
Estabilización
Estabilización 3 – 6 - 4000 – 10000 -
Aireación extendida 15 – 36 20 - 30 3000 – 6000 0.75 – 1.5 0.05 – 0.15 0.1 – 0.416
4. ANTECEDENTES
Los métodos de tratamiento de aguas residuales empezaron a desarrollarse como una
necesidad de disminuir los daños causados por la descarga de aguas contaminadas al
medio ambiente, así como mejorar las condiciones sanitarias y la salud pública.
Los objetivos que se plantearon hasta 1970 estaban relacionados con la eliminación de
la materia en suspensión y los flotantes, el tratamiento de la materia orgánica
biodegradable y la eliminación de los organismos patógenos.
Desde inicio de los setenta hasta 1980, aproximadamente, los objetivos del tratamiento
de las aguas residuales estaban más relacionados con aspectos estéticos y
medioambientales. Los objetivos en la reducción de la DBO, los sólidos en suspensión y
los organismos patógenos se mantuvieron, aunque a mayor nivel. Con el fin de mejorar
la calidad de las aguas superficiales, se hicieron grandes esfuerzos para la mejora de la
efectividad y extensión de los tratamientos del agua residual. Este esfuerzo fue
consecuencia de una mejor comprensión del impacto medioambiental causado por los
vertidos y la concientización de la necesidad de preservar el medio ambiente.
Un posible tratamiento de las aguas residuales urbanas, es tratar por vía biológica, en
donde los microorganismos utilizan el agua residual doméstica para su propio sustento,
transformándola en productos metabólicos terminales, aprovechando la característica de
ser una fuente rica en nutrientes, provenientes de los procesos vitales de los organismos
vivos.
Uno de los procesos biológicos más ampliamente utilizados es el de lodos activados.
Este proceso fue desarrollado en Inglaterra en 1914 por Andern y Lockett, y su nombre
proviene de la producción de una masa activada de microorganismos capaz de
estabilizar el residuo por vía aerobia.17
5. BREVE RESEÑA HISTORICA
PLANTA EL POPAL
En el año de 1988 la ciudad de Manizales inició actividades respecto al tratamiento de
las aguas residuales, con la construcción de dos plantas pilotos: Una anaerobia tipo
UASB y una segunda planta tipo aerobia por aireación extendida, ambas localizadas en
la antigua estación de bombeo El Popal. Esta estación se encuentra sobre un lote de
3146 m2 entre la vía que conduce a la reserva forestal Río Blanco y la parte baja del
barrio la Sultana, además delimitada por la quebrada Olivares.
El objetivo de la construcción y puesta en funcionamiento de estas dos plantas era
verificar paralelamente las condiciones de operación de ambas tecnologías, como
experiencia necesaria para la selección y construcción de futuras plantas de tratamiento
de aguas residuales en la ciudad.
Como parte del seguimiento a la operación de las plantas, durante los años 1993 y 1994
se realizó el estudio “Monografía de la Planta de Tratamiento El Popal”, por los
ingenieros Juan Antonio Montoya, John Jaime Valencia y Germán Castro.
Las principales características del funcionamiento de la planta aerobia, obtenidos a
partir del estudio, fueron:
• Olores en el sedimentador y el desarenador.
• Ascenso de lodos en el sedimentador.
• Deficiencias en algunos de los difusores de aire.
• Formación de abundante espuma en las orillas del aireador.
• Mucho ruido.
Y los principales resultados:
• pH promedio del efluente 6,9
• Sólidos Suspendidos promedio del efluente 79,6 mg/l18
• El comportamiento de la DBO, la DQO y la eficiencia de la planta se presenta en el
anexo1.
En el año de 1995 y luego de tener problemas con la comunidad vecina por el manejo
de olores y ruido, se decidió no continuar con la operación de las plantas y por lo tanto
fue abandonado el proyecto.
Siete años después la empresa Aguas de Manizales como parte del plan estratégico de
Saneamiento de las Aguas Residuales de la ciudad, quiso aprovechar la infraestructura
instalada de la planta aerobia. Para cumplir con este propósito, se contrataron los
servicios del Ingeniero Juan Bernardo Botero, quién realizo las siguientes adecuaciones:
• Impermeabilización del tanque de aireación.
• Arreglo del motor y soplador para el suministro de aire.
• Conexión a la red primaria de la CHEC e instalación de una sección trifásica a la
línea de 13200 voltios.
• Adecuación de la cámara desarenadora.
• Construcción de nuevos sistemas de rebose de aguas clarificadas.
• Renovación del sistema de aireación.
• Construcción de lechos de secado de lodos.
Después de las modificaciones realizadas en el año 2002, la planta de tratamiento El
Popal entró en funcionamiento.
Actualmente la planta trata 2.2 L/s, alrededor del 30% del total de las descargas del
barrio la Sultana. El agua a tratar llega inicialmente a un desarenador, pasa a un reactor
de lodos activos en el cual el aire se introduce por medio de difusores de burbuja fina, y
finalmente el agua pasa a un clarificador secundario, en donde el agua clarificada es
conducida por una canaleta de recolección a la quebrada Olivares. Los lodos de exceso
que produce la planta son llevados a eras de secado.19
6. DETERMINACION DE LAS CARACTERISTICAS FISICAS DE LA PLANTA Y
DE LA LINEA BASE DEL ARRANQUE
6.1 ASPECTOS TOPOGRÁFICOS DEL ÁREA DONDE ESTA UBICADA LA
PLANTA
La planta “El Popal” se encuentra sobre un lote de 3146 m2 de explanación, al costado
sur aguas abajo de la quebrada Olivares la cual recorre de oriente a occidente la ciudad
de Manizales. Se encuentra delimitada por la vía que conduce a la reserva forestal Río
Blanco y la parte baja del barrio la Sultana (nororiente de la ciudad). Además está en la
base de una ladera de alta pendiente, con afloraciones de agua en varios sitios.
6.2 DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA
PLANTA
El proceso de purificación de las aguas residuales llevado a cabo en la planta “El
Popal”, se basa en tres tratamientos:
1. Tratamiento preliminar
Es llevado a cabo por una rejilla convencional y su propósito es separar los sólidos
gruesos.
2. Tratamiento primario
En el cual se retiran los sólidos orgánicos e inorgánicos sedimentables por medio de un
desarenador rectangular.
3. Tratamiento secundario
Tratamiento que también puede ser llamado tratamiento biológico, se realiza en un
reactor de lodos activados, que por la modificación al sistema convencional y por las
características mencionadas a continuación, puede ser considerado de aireación
extendida:
a) Mezclado de los lodos biológicos con las aguas negras que se van a tratar.
b) Aireación y agitación del licor mixto.
c) Separación de los lodos biológicos del licor mixto.
d) Recirculación de la cantidad adecuada de los lodos biológicos, y20
e) Disposición del exceso de lodos biológicos.
En la figura 6.1 se presenta el diagrama de flujo de los tratamientos llevados a cabo;
algunos detalles, medidas y arreglos, se describen en el anexo 2.
Figura 6.1 Esquema general de la planta de tratamiento El Popal
4. Tratamiento de lodos: los lodos de exceso son llevados a las eras de secado donde
son deshidratados y estabilizados.21
Características físicas de la planta
Las características de la infraestructura instalada, accesorios y materiales de
construcción, que constituyen los diferentes tratamientos que se llevan a cabo en la
planta, se presentan en las tablas 6.1, 6.2 y 6.3. Por otra parte las tablas 6.4 y 6.5,
presentan respectivamente, las características del sistema de tratamiento de los lodos y
de otros elementos que constituyen la parte física de la planta.
Tabla 6.1. TRATAMIENTO PRELIMINAR
REJILLA DE ENTRADA
Dimensiones: 0.415m de alto x 0.42m de ancho
MATERIAL DE
ACCESORIO CONSTRUCCIÓN CARACTERÍSTICAS
• ½” de diámetro
Barrotes • Número de barrotes, 13
Hierro
• Espaciado entre Barrotes,
2 cm
Tabla 6.2. TRATAMIENTO PRIMARIO
DESARENADOR
Dimensiones:
1.5 m de ancho x 1.5m de largo x 1.75 m de profundidad
Volumen total = 3.9 m3
MATERIAL DE
ACCESORIO CONSTRUCCIÓN CARACTERÍSTICAS
• 8” de diámetro.
• 16 m de longitud.
Tubería de entrada PVC • Conduce el agua desde la
rejilla hasta la entrada del
desarenador.22
• Dimensiones : 1.5 m de
ancho x 0.40 m de
profundidad y un espesor de
Bafle Concreto 0.09 m.
• Reduce la velocidad de
flujo de la entrada.
• Ayuda a la sedimentación.
• Dimensiones: 1.5 m de
ancho x 1.21 m de
profundidad.
Bafle Lámina de acero • Permite que el flujo que
pasa a los vertederos sea
uniforme.
• Dimensiones: 1.5 m de
ancho x 0.3 m de
profundidad.
Vertedero Acero • Regula el caudal de entrada
al tanque de aireación.
• Vertedero graduable, con un
ángulo de 60°.
• Número de crestas: 16.
• 6” de diámetro.
Tubería de Rebose PVC • Elimina el agua de exceso
que entra a la planta.
• 6” de diámetro.
Tubería de desagüe PVC • Permite evacuar el agua
para la limpieza del
desarenador.23
Tabla 6.3. TRATAMIENTO SECUNDARIO
TANQUE DE AIREACIÓN
Dimensiones internas:
5 m de ancho x 13.7 m de largo x 3.35 m de profundidad
Borde libre: 0.45 m.
Volumen Total ocupado por el agua = 198.65 m3
MATERIAL DE
ACCESORIO CONSTRUCCIÓN CARACTERÍSTICAS
• 6” de diámetro.
Tubería de Entrada PVC • 1.5 m de longitud desde la
salida del desarenador.
• Dimensiones: 0.7 m de
ancho x 0.9 m de largo.
• 25 barrotes, separados 1”,
con un diámetro de ½ “ y
una longitud de 0.8 m.
Rejilla de Entrada Hierro Galvanizado • Rejilla en V formando un
ángulo de 90°.
• Lámina calibre 20.
• Retiene sólidos gruesos que
no fueron eliminados ni en
el tratamiento preliminar ni
en el tratamiento primario.24
• 4” de diámetro.
• 12 m de longitud.
PVC de presión • Conduce al aire desde el
(tubería de soplador hasta la tubería de
distribución) conducción.
Tubería de Aire
• 2” de diámetro.
PVC de presión • 58 m de longitud.
(tubería de • Conduce al aire a los
conducción) difusores.
• ½” de diámetro.
PVC de presión • Tubería de desfogue.25
• Difusor de burbuja fina, con
rosca de ¾” NPT .
• 12” de diámetro.
• 6600 orificios y una burbuja
de 1mm de diámetro.
• Caudal por difusor entre
2.5-3.5 cfm (ft3/minuto).
Caudal máximo 5 cfm
• 17 difusores por fila.
Difusores Membrana EPDM
• 5 filas.
• 85 difusores en total.
• Distancia entre difusores
0.8 m.
• Distancia entre filas 1m,
para un ancho de grupo de
4 m.
• Longitud de cada fila 13.50
m.
• Difunde el aire en todo el
tanque de aireación y ayuda
a que el sistema permanezca
en mezcla completa.
• Soporte para instalar
PVC
Bushing Universal difusores. Posee una rosca
de ¾” NPT.
• 8 soportes por fila, 40 en
total.
• Soporta la tubería que
conduce el aire a los
Soporte Metálico difusores. Proporciona una
distancia de 10 cm desde la
tubería hasta el fondo del
tanque.26
• Dimensiones: 1” x 1/8”
• Une el soporte con la
tubería de conducción del
aire.
Abrazadera Platina • Fija a la pared del tanque la
tubería de distribución.
• Protegida con anticorrosivo.
• Con pernos Hilty WG con
rosca.
• Seis codos de 4“ de
diámetro
Codos PVC • Utilizados en la tubería que
conduce el aire desde el
soplador.
Bola • ½” de diámetro
• Desfogue del sistema
Válvulas
• 4” de diámetro
Compuerta
• Regula el aire que viene del
soplador.
CLARIFICADOR
Dimensiones:
5 m de ancho x 5 m de largo x 2.20 m de profundidad.
Borde libre: 0.45 m.
Volumen total = 43.75 m3
MATERIAL DE
ACCESORIO CONSTRUCCIÓN CARACTERÍSTICAS
• Dimensiones: base en forma
de cuadrado de 2.33 m de
Concreto con relleno
Tolvas
lado y 2.20 m de altura.
• 4 tolvas.27
• 2” de diámetro
• 4 retornos y 4 skimmer
• Longitud total de la tubería
Tubería de Hierro Galvanizado de retorno: 6.70 m.
desnatadores
• Longitud total de la tubería
(Skimmer) y Tubería
de skimmer: 4.60 m.
de Retorno de lodos
• Retorna las natas y el lodo
sedimentado en el
clarificador al tanque de
aireación, respectivamente.
• ¾” de diámetro.
Tubería de aire. Hierro Galvanizado • Conduce el aire a la tubería
de retorno de lodos y
skimmer.
• ¾” de diámetro.
• Regula el paso de aire a la
Válvula Cortina tubería de retorno de lodos y
skimmer.
• 8 válvulas.
• Calibre 3/16”.
• Dimensiones: 5 m de largo
Bafle. Acero x 0.3 m de profundidad.
• Disminuye la velocidad de
flujo de salida.
• Dimensiones: 5 m de largo
x 0.20 m de ancho.
• Angulo de cresta 60°.
Canaleta de salida con Lámina de acero. • Número de crestas: 120 (60
vertederos dentados. en cada lado)
• Conduce el agua clarificada
a la tubería de salida.28
• 2” de diámetro.
Tapón roscado Hierro Galvanizado • Adaptador de limpieza del
Tee retorno de lodos.
• 4 copas.
• Reduce la tubería de 4” a
3”.
Reducción copa. PVC • Se encuentra ubicada por
debajo del nivel del agua.
• Recoge las natas de la
superficie del clarificador.
• Reduce la tubería de 3” a
2”.
Bushing PVC • Soporte para instalar la copa
de reducción.
Vertedero para la • Aforo del caudal de salida
medición del caudal Plástico de la planta en galones /
minuto.
• 6” de diámetro.
Tubería de salida PVC • Conduce el agua tratada a la
quebrada Olivares.29
Tabla 6.4. TRATAMIENTO DE LODOS
ERAS DE SECADO
MATERIAL DE
ACCESORIO CONSTRUCCIÓN CARACTERÍSTICAS
• Compartimento 1:
Dimensiones: 8.44 m de
lado 1 x 4.13 m de lado 2 x
7.90 m de lado 3 x 4 m de
lado 4.
• Compartimento 2:
Dimensiones: 7.90 m de
lado 1 x 4.03 m de lado 2 x
Compartimentos Concreto 7.35 m de lado 3 x 4 m de
lado 4.
• Compartimento 3:
Dimensiones: 7.35 m de
lado 1 x 4.03 m de lado 2 x
6.80 m de lado 3 x 4 m de
lado 4.
• 3” de diámetro.
• Conduce los lodos de
Tubería de PVC sanitario desecho del tanque de
alimentación de lodos. aireación a los lechos de
secado.
• Cuatro tapones de 3” de
diámetro.
Tapón PVC • Sellan la tubería de
alimentación de lodos30
• 2” y 4” de diámetro.
• Conduce el agua drenada de
Tubería de drenaje. PVC corrugada los lechos de secado a la
cámara de bombeo de
lixiviados.
• Dimensiones: 0.80 m de
ancho x 0.80 m de largo x
1.20 m de profundidad.
Cámara de Bombeo de Concreto • Almacena el agua filtrada en
lixiviados. los lechos para retornarlos al
tanque de aireación.
• 3/2” de diámetro.
Tubería de retorno de PVC de presión • Retorna los lixiviados al
lixiviados. tanque de aireación.
• Dimensiones: 1 m de ancho
x 1 m de largo x 0.1 m de
profundidad.
Losa Concreto. • Amortigua los lodos que
vienen del tanque de
aireación.
• Cuatro losas una en cada
compartimento.
Tabla 6.5 OTROS MATERIALES QUE HACEN PARTE DE LA
INFRAESTRUCTURA
MATERIALES Y ACCESORIOS CARACTERISTICAS
Concreto ciclópeo • Paredes internas del desarenador.31
• Impermeabilización del tanque de
Impermeabilizante aireación.
• Tuberías metálicas, rejillas, pasamanos
Pintura y bafles.
• Filtro en los lechos de secados de lodo.
• Espesor: 0.20 m.
Arena limpia
• Tamiz:0.75 mm.
• Filtro en los lechos de secados de lodo.
• Espesor: 0.20 m.
Grava limpia
• Tamiz:25 mm.
Concreto 3000 psi impermeabilizado.
Refuerzo 60000 psi. • Lechos de secado de sólidos.
• Recirculación del agua almacenada en
la cámara de bombeo al tanque de
Bomba
aireación.
Panel de fibra de vidrio, 3/2”.
Dry-Wall.
• Aislamiento del cuarto de control.
Cielo raso.
Motor • Potencia 9 caballos de fuerza
• Roots URAI 59
• Genera el aire que se requiere en los
Soplador
tanques de aireación, los retornos de
lodos y los skimmer.
• Amortiguar el sonido generado por el
Silenciadores
soplador
6.3 ORIGEN DEL AGUA A TRATAR
Para determinar con suficiente aproximación el origen del agua a tratar en la planta de
tratamiento El Popal, se realizó un estudio de la comunidad de la parte alta de la sultana,32
como ente generador de las aguas servidas. Este estudio se encaminó a la determinación
del sector de influencia y a la caracterización del agua residual generada por la
comunidad.
6.3.1 Estudio del sector
Con base en el mapa del sector que conforma el circuito “El Popal”, proporcionado por
el Sistema de Información Geográfica (SIG) de Aguas de Manizales S.A. E.S.P, se
realizó un estudio de campo basado en:
1. Censo de las casas, locales comerciales e industrias de la parte alta del barrio la
Sultana. Este censo permitió establecer la ausencia de industrias y la presencia de 258
casas y del colegio Integrado la Sultana. Dentro de las casas, se encontraron 16 locales
comerciales, repartidos de la siguiente manera:
Tiendas 7
Cafeterías 3
Panaderías 2
Carnicerías 1
Peluquerías 1
Jardín infantil 1
Venta de helados 1
2. Verificación del censo realizado a partir de trazadores en la tubería de conducción del
agua residual. Esta actividad permitió no solo comprobar y complementar el mapa
proporcionado por el SIG (ver anexo 3), sino también concluir que el alcantarillado del
agua residual afluente a la planta es combinado.
Además de establecer rigurosamente la población generadora de los residuos líquidos,
se estimó teóricamente y por aparte el caudal habitual del agua residual generada por las
258 casas y por el colegio Integrado la Sultana. Para el caso de las casas se utilizó la33
fórmula de Harman1 (ecuación 6.1), como una herramienta útil para relacionar, a partir
de la población, el caudal máximo diario de aguas residuales con el caudal promedio,
correspondiendo éste último al consumo de agua potable.
Ecuación 6.1
MPD
Q= ×r+Q
86400 diversos
Donde P: población en miles de habitantes. Si se considera que en promedio habitan
4.5 habitantes por vivienda2 , las 258 casas del sector de la parte alta de la
Sultana equivaldrían a 1161 habitantes.
D: dotación de agua potable (l/hab-día). En este caso 220 l/hab-día (2)
r: factor de recuperación de aguas (fracción del agua potable que se descarga al
alcantarillado). Se considera igual a 0,8 2
Q : infiltración, aportes industriales, etc. Se asumen iguales a cero por la
diversos
carencia de datos.
M: factor de mayorización (ecuación 6.2), se define como:
Ecuación 6.2
14
M =1 +
4 + P
Calculando M de la ecuación 6.2 y reemplazando los respectivos datos en la ecuación
6.1 se obtiene,
M =1.37
1,37×1161×220
Q= ×0,8+0
86400
Q=3,24L/s
Por otra parte, el caudal del Colegio Integrado La Sultana, se calculó a partir de un
aporte habitual de 95 L / estudiante*día; valor que se sugiere para una institución que
cuente con cafetería, gimnasio y duchas3.
Y si se tiene en cuenta que el colegio tiene 492 estudiantes, el caudal de aguas
residuales generado sería:34
L 492estud×d
Q =95 ×
colegio
estud×d 86400 s
Q =0.54 L/s
colegio
Si se multiplica este resultado por un factor de mayorización de 1,53 (Ecuación 6.2), se
obtiene el caudal máximo diario del colegio:
Q = 0.83L / s
colegio
Ahora, si se suma el caudal generado por la comunidad y el caudal generado por el
colegio se obtiene el caudal máximo afluente a la planta, el cual sería:
Q = 4 L / s
maximo
De los cuatro litros por segundo que en promedio se generan, la planta trata alrededor
del 50 %; el caudal restante es desviado a un colector.
6.3.2 Caracterizaciones del agua residual generada por la comunidad de la parte
alta del barrio la Sultana.
Con el propósito de complementar las observaciones y el estudio de campo realizado a
la comunidad de la parte alta de la Sultana, y así realizar una lectura más exacta acerca
del origen del agua a tratar; se caracterizaron los residuos líquidos generados por esta
comunidad. Las principales características de estos muestreos se enumeran a
continuación:
Clima: predominantemente seco
Muestra: puntual
Período del muestreo: 24 horas
Muestreos realizados: 5 (De lunes a viernes y en diferentes semanas)35
Estas caracterizaciones permitieron establecer no solo la concentración de los
principales constituyentes, sino también el comportamiento de estos con respecto al
tiempo (ver anexo 4). Las tablas 6.6, 6.7 y 6.8 presentan los valores máximos, los
mínimos, los promedios aritméticos y la media integrada de estos constituyentes en cada
uno de los días en los cuales se realizaron las caracterizaciones; la tabla 6.9 presenta los
valores puntuales de las grasas y los aceites.
El procedimiento para la consecución de estos promedios se presenta en el anexo 5.37
TABLA 6.6 DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO)
Promedio Media
Día Máximo Mínimo
Aritmético/24 horas Integrada/24 horas
Lunes 935 16.3 486,3 535,4
Martes 952 16 459,1 483,2
Miércoles 880 32 479,6 500,4
Jueves 726 94* 417,4 445,2
Viernes 789 70 463,0 496,7
TABLA 6.7 DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO)
Promedio Media
Día Máximo Mínimo
Aritmético/24 horas Integrada/24 horas
Lunes 464 92 264,1 288,4
Martes 686 34 271,4 280,0
Miércoles 704 26 324,2 343,2
Jueves 548 52 254,6 272,4
Viernes 470 16 204,2 220,338
Tabla 6.8 SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES (SST)
Media
Promedio
Día Máximo Mínimo Integrada/24
Aritmético/24 horas
horas
Lunes 366 37 221,2 239,5
Martes 463 17 205,2 213,3
Miércoles 355 25 198,2 207,9
Jueves 298 17 134,1 138,8
Viernes 317 12 169,6 183,3
Tabla 6.9 GRASAS
Promedio
Día Máximo Mínimo
Aritmético
Lunes 138.2 7.7 73
Martes 102.8 45.4 82.3
Miércoles 131 30.7 86.4
Jueves 177.3 43 110.1
Viernes 130.3 75.7 10339
Además de los estudios anteriores, las tablas 6.10 y 6.11 nos presentan la comparación
entre los valores habituales de los constituyentes de un agua residual proveniente de
diferentes fuentes, y los valores de esos mismos constituyentes para el agua residual
generada por la comunidad en estudio.
Tabla 6.10 CONCENTRACION TIPICA DE UN AGUA RESIDUAL EN
COLOMBIA
AFLUENTE AL
MEDELLIN BOGOTA
PARÁMETRO POPAL (1)
(2) (3)
DQO 459.48 396.4 382
DBO 269.38 202.3 190
5
Sólidos Suspendidos Totales 185.66 215.2 160
Grasas y Aceites 90.96 ------ -----
pH 7.6 7.0 -----
Fosfatos 5.8 8.1 -----
Nitrógeno-NH 21.7 21.3 ------
3
(Todos los valores están en mg/l)
(1) Estos valores corresponden al promedio de los valores presentados en los diferentes
muestreos
(2) Valores promedios correspondientes a cuatro estratos socioeconómicos4
(3) Valores correspondientes a una urbanización clase media440
Tabla 6.11 COMPOSICIÓN USUAL DE UN AGUA RESIDUAL EN
LATINOAMERICA4
AFLUENTE AL
PARÁMETRO POPAL URUGUAY ARGENTINA
DQO 459.48 ----- -----
DBO 269.38 260 440
5
Sólidos Suspendidos Totales 185.66 275 480
Grasas y Aceites 90.96 ------ -----
PH 7.6 ----- -----
Fosfatos 5.8 ----- -----
Nitrógeno-NH 21.7 ----- ------
3
(Todos los valores están en mg/L)
Otro de los factores importantes que sirve como apoyo para caracterizar el afluente al
“El Popal”, lo constituyen las cargas contaminantes. A continuación se presentan las
principales:
6.3.3 Cargas contaminantes
De acuerdo a los valores reportados en las tablas 6.6, 6.7 y 6.8 se puede calcular la
carga contaminante promedio de DBO, DQO y SST que ingresa a la planta durante el
día.
La carga contaminante puede calcularse de la siguiente manera:
CC = C × Q × 0.0864 [Kg/día] Ecuación 6.3
Donde:
CC : Carga contaminante en Kg/Día.
Q : Caudal en L/s.
0.0864 : Factor de corrección.
C: Concentración del constituyente mg/L41
El caudal utilizado para calcular las cargas contaminantes fue el de diseño, 2.2 L/s; y
como se mencionó anteriormente, las concentraciones utilizadas están reportadas en las
tablas 6.6, 6.7 y 6.8, utilizando en cada uno de los casos la concentración media
integrada. En la tabla 6.12 se presentan las cargas contaminantes calculadas por medio
de la ecuación 6.3.
Tabla 6.12 CARGAS CONTAMINANTES PROMEDIO
CC Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes
Kg DQO/día 101.8 91.8 95.1 84.6 94.4
Kg DBO/día 54.8 53.2 65.2 51.8 41.9
Kg SST/día 45.5 40.5 39.5 26.4 34.8
Cabe resaltar en este aparte, que los análisis y las observaciones realizadas en la
caracterización del afluente, permitieron establecer la presencia de una central de
sacrificio de pollos; central que no pudo ser establecida en el mapa de influencia de la
planta, por su clandestinidad.
Las principales características que se presentaron en el sistema y que permitieron
concluir lo anterior, fueron:
1. Presencia de vísceras en la rejilla de entrada y de plumas en el desarenador y tanque
de aireación.
2. Afluente con presencia de sangre.
3. Una carga contaminante igual a 52 Kg DQO, en dos horas (notablemente mayor que
el promedio presentado en cada uno de los días).
A pesar de lo anterior el sistema de tratamiento en general, no tuvo desestabilización
alguna.
Por otra parte se pueden hace algunas aseveraciones respecto a la central de sacrificio:
1. Realizan sacrificio cada dos meses (tiempo que se demora un pollo para estar apto
para el sacrificio)
2. Es una industria empírica y casera.42
6.4 DETERMINACIÓN DE LA LÍNEA BASE DEL ARRANQUE
El arranque de la planta “El Popal”, inicialmente se realizó con agua residual sin tratar,
con el propósito de que el sistema creara su propia masa biológica, con la cual pudiera
empezar el tratamiento. El sistema funcionó bajo estas condiciones de operación
alrededor de sesenta días, transcurridos los cuales el soplador falló. Por este motivo se
decidió desocupar el tanque de aireación, pero teniendo presente el dejar un remanente
de la masa biológica inicial, que sirviera como medio de cultivo para comenzar de
nuevo el arranque de la planta. A continuación se presentan las características que
identificaron la línea base del arranque, realizado a partir del inoculo:
- Un inoculo con una concentración de 7340 p.p.m de SST.
- Microbiología del inóculo, anexo 6.
- Caudal durante el llenado del tanque de aireación, 4 L/s. Caudal de estado estable
2.2 L/s.
- Temperatura de funcionamiento, temperatura ambiente 20°C.
- Características del sustrato, las presentadas en las tablas 6.6, 6.7, 6.8 y 6. 9
- Tiempo de estabilización, 21 días.
- Concentración de estabilización 3800 p.p.m de SST.
- Oxígeno disuelto entre 2- 4 p.p.m.43
7. SEGUIMIENTO AL ARRANQUE DE LA PLANTA
Dentro de la operación de la puesta en marcha de un sistema de tratamiento en general,
se encuentran dos fases marcadas, el arranque y la estabilización. La diferencia principal
que se da entre estas, estriba en el hecho de que en el arranque la totalidad de los lodos
en el efluente son recirculados al sistema, con el objetivo de aumentar la concentración
de los sólidos hasta un valor de estado estable; por otra parte en la estabilización una
porción de los lodos debe ser desechada para mantener el sistema invariable.
Con esta salvedad se presenta a continuación, el comportamiento de las principales
variables del tanque de aireación así como las características del licor mixto, en el
período del arranque.
7.1 COMPORTAMIENTO EN EL ARRANQUE
7.1.1 Sólidos Suspendidos en el licor mixto (SSLM): Como se mencionó
anteriormente tras el fallido arranque de la planta, la nueva puesta en marcha, partió de
un inoculo con una concentración de sólidos 7340 p.p.m, el cual ocupaba alrededor de
un 17% del volumen total del tanque de aireación. Inicialmente los sólidos entraron en
una etapa de aclimatación (ver fase I, Gráfica 7.1), caracterizada por la disminución en
la concentración de los sólidos. Una vez aclimatados empieza una etapa de crecimiento
lento que continua hasta alcanzar la concentración de estado estable (ver fase II,
Gráfica 7.1).
7.1.2 pH: El comportamiento del pH (gráfica 7.2) al igual que el comportamiento de
los sólidos, está caracterizado por dos fases. En la primera fase hay una gran
disminución en el pH debido a la insuficiencia de alcalinidad, que hace que las
reacciones de ácidogénesis, predominen. Por otra parte, la segunda fase que va
acompañada por el inicio en la producción de lodos; se caracteriza por el aumento del
pH hasta valores de estado estable, que en el caso de los lodos activos se presenta entre
6 –8 unidades.44
7.1.3 Oxigeno Disuelto: El comportamiento del oxígeno disuelto durante el arranque,
presentó notables diferencias debido a la experiencia recogida durante la primera puesta
en marcha, explicada anteriormente.
Inicialmente la concentración de oxígeno disuelto estuvo entre 2 y 6 mg/l, atendiendo
las recomendaciones teóricas para el sistema de lodos activos5. El comportamiento del
sistema bajo esta condición fue desfavorable, ya que propició la presencia de espumas
(ver anexo 10, foto de las espumas en el reactor). Tras experiencias recogidas en plantas
municipales como la de San Fernando en Medellín, se identificaron a las bacterias
filamentosas, como causantes de las espumas.
Los organismos filamentosos más documentados son los llamados Nocardia, los cuales
traen consigo baja sedimentabilidad y la presencia de una espuma delgada, café y
estable. La causas de su origen son diversas, pero una de las principales es la
sobreaireación6. Por este motivo se vio la necesidad de regular el suministro de oxígeno.
Tras experimentos realizados con ayuda de un electrodo para leer el oxígeno disuelto en
el tanque de aireación, se decidió instalar un timer para “pautar” el funcionamiento del
soplador y así mantener la concentración de oxígeno entre 1-3 mg/l (niveles que
impiden la proliferación de la Nocardia). Las características del funcionamiento del
timer y por tanto las del soplador se presentan en la tabla 7.1.45
GRAFICA 7.1
VARIACIÓN DE LOS SÓLIDOS SUSPENDIDOS EN EL LICOR MIXTO DURANTE EL ARRANQUE
Comportamiento de los SSLM en el arranque
8000
7000
6000
5000 FASE II MLSS L/gm
4000
3000
2000
FASE I
1000
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Días46
GRÁFICA 7.2
VARIACIÓN DEL pH DURANTE EL ARRANQUE
Comportamiento del pH en el arranque
8,0
7,5
7,0
FASE II
6,5
6,0 Hp
5,5
5,0 FASE I
4,5
4,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Días47
Tabla 7.1 FUNCIONAMIENTO DEL SOPLADOR
FUNCIONAMIENTO
HORA
PRENDIDO APAGADO
7:00 am X
7:20 am X
8:00 am X
8:20 am X
9:00 am X
9:20 am X
10:00 am X
10:20 am X
11:00 am X
11:20 am X
12:00 pm X
12:20 pm X
1:00 pm X
1:20 pm X
2:00 pm X
2:20 pm X
3:00 pm X
3:20 pm X
4:00 pm X
4:20 pm X
5:00 pm X
5:20 pm X
6:00 pm X
6:20 pm X
7:00 pm X
7:20 pm X
8:00 pm X
8:20 pm X
9:00 pm X48
9:20 pm X
10:00 pm X
11:00 pm X
12:00 am X
1:00 am X
3:00 am X
4:00 am X
5:30 am X
6:00 am X
6:30 am X
7:00 am X
Tiempo de operación: 13 horas. Tiempo de paro: 11 horas
7.1.4 Temperatura: La variabilidad en el comportamiento de la temperatura ha
dependido exclusivamente de las condiciones atmosféricas, dado que el sistema en
general funciona a temperatura ambiente. Aún así, la temperatura en el tanque de
aireación ha permanecido entre 19-20°C.
7.1.5 Relación de Recirculación (α): En los sistemas de lodos activos se acostumbra
mantener una relación de recirculación entre 0.75-1.5 (tabla 3.1). Esta relación puede
determinarse de la siguiente manera:
Como:
Qr Ecuación 7.1
α=
Q
donde:
α: Relación de recirculación
Qr: Caudal de recirculación (L/s)
Q: Caudal afluente (L/s)49
Figura 7.1. Esquema Relación de Recirculación
Para el caso de la planta “El Popal” se tienen los siguientes datos:
Q: Caudal de diseño: 2.2 L/s
Qr: 6 L/s. Dato que corresponde al promedio de los presentados en la tabla 7.2
Luego, el caudal de recirculación calculado por la ecuación 7.1 es igual a:
α=2.72
Relación que se mantuvo durante la puesta en marcha de la planta.
Tabla 7.2 CAUDAL DE RECIRCULACIÓN
Caudal Total (4 retornos)
Muestra Caudal por Retorno (ml/s)
(ml/s)
1 1850 7400
2 1466,67 5866,67
3 2400 9600
4 1800 7200
5 1433,3 5733,3
6 1700 6800
7 1566,67 6266,67
8 1800 7200
9 1466,67 5866,67
10 1600 640050
11 1400 5600
12 1466,67 5866,67
13 1200 4800
14 1100 4400
15 1387,02 5548,1
16 1568,05 6272,19
Promedio 1575,317 6301,268
7.1.6 Sólidos Suspendidos en el retorno de lodos: La variabilidad de los SST del
retorno de lodos en el arranque se presenta en la gráfica 7.3. Como se observa en la
gráfica, el crecimiento es aproximadamente exponencial.
Este crecimiento se debe principalmente al aumento en la concentración de los sólidos
sedimentados, los cuales a su vez dependen del crecimiento de la masa biológica en el
reactor (ver gráfica 7.1).
7.1.7 Indice Volumétrico de lodos: El índice volumétrico de lodos, IVL, mide la
asentabilidad de los lodos. Y puede ser obtenido por medio de la siguiente ecuación:
Va
IVL= ×1000
Ecuación 7.2
SSLM
donde:
Va = volumen asentado en un litro de licor mixto, durante 30 minutos (ml). Durante el
arranque se obtuvo un Va igual a 200 ml, en todas las pruebas realizadas.
Luego, teniendo en cuenta el respectivo valor de los SSLM, por la ecuación 7.2 se
encuentra el IVL.
Es importante aclarar que el IVL es un parámetro relativo, es decir depende
exclusivamente de los SSLM; por lo cual en el arranque se vio constantemente
modificado. En la gráfica 7.4 se presenta el comportamiento del IVL hasta el estado
estable.51
Gráfica 7.3 VARIACIÓN DE LOS SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES DEL RETORNO DURANTE EL ARRANQUE
Comportamiento de los SST del retorno en el arranque
14000
12000
)L/gm(
10000
8000
6000
TSS
4000
2000
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Días52
Gráfica 7.4 VARIACIÓN DEL ÍNDICE VOLUMÉTRICO DE LODOS DURANTE EL ARRANQUE
Comportamiento del IVL en el arranque
90
80
70
60
50 LVI
40
30
20
10
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Días53
Además de los parámetros anteriores la tabla 7.3 presenta algunas observaciones
visuales que caracterizaron el período del arranque.
Tabla 7.3 CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA EN EL ARRANQUE
CARACTERISTICA
• Capa delgada de color blanca en el
tanque de aireación. Característica
típica de un lodo joven.
Espuma
• Por problemas operacionales causados
por las bacterias filamentosas, espuma
espesa de color marrón.
• Presentó inicialmente color café claro y
finalmente café oscuro.
Licor mixto
• El olor siempre fue a tierra húmeda.
• EL lodo ocupó alrededor del 20% del
Manto de lodos
volumen total del tanque de aireación.
• Altamente sedimentable.
Floc
• Diámetro de 3 a 6 mm
aproximadamente.
• El lodo se observó a una profundidad
Tanque de sedimentación de aproximadamente 90 centímetros o
más.
Efluente • Claro y transparente.54
7.2 CONDICIONES DE ESTABILIDAD
Después de que el sistema superó los 3800 mg/l de SST, hubo necesidad de purgar
lodos para mantener la concentración de los SSLM en el valor de estado estable, además
para mantener los principales parámetros de control dentro del rango sugerido por el
diseñador7.
Cabe resaltar que el sistema bajo estas condiciones de estado estable operó alrededor de
siete días, transcurridos los cuales y por problemas de inestabilidad en los lodos de
desecho (malos olores), se optó por aumentar los sólidos hasta una concentración de
4800 mg/l de SSLM, con el propósito de generar condiciones de inanición en el tanque
de aireación y así obtener lodos altamente estabilizados.
Los principales parámetros de control se presentan a continuación, teniendo en cuenta la
concentración de sólidos en el licor mixto.
7.2.1 Condiciones de estabilidad con 3800 mg/L de SSLM:
7.2.1.1 Tiempo de retención: El tiempo de retención hidráulica td, para el caso de la
planta “El Popal”, es igual a la relación entre el volumen del agua ocupada en el tanque
de aireación y el caudal afluente a la planta:
V
td = Ecuación 7.3
Q
198.65m3
td = =25.19horas
7.884m3 /h
7.2.1.2 Carga Orgánica: Este parámetro denominado también relación alimento -
microorganismos, F/M. Se determina del siguiente modo
Cargade DBO /día
F /M = 5 Ecuación 7.4
Masademicroorganismosenel reactor55
De la tabla 6.12 se obtiene que la carga de DBO que entra diariamente a la planta es
5
53.38 Kg/día. Carga derivada del promedio aritmético de los datos registrados para cada
uno de los días en los cuales se realizó muestreo. Por otra parte los SSVLM
corresponden a 3230 mg/l (El 85% de los SSLM de estado estable) y el volumen del
reactor V, a 198.65 m3. Así la relación F/M sería igual a:
Q×DBO
F /M = 5
SSVLM ×V
53.38Kg/dia
F /M = =0.083d−1
641.64Kg
Para los sistemas de lodos activos la carga orgánica fluctúa entre 0.05 y 1 (Tabla 3.1).
7.2.1.3 Carga Volumétrica: La carga volumétrica CV, puede ser obtenida a partir de la
siguiente ecuación:
CargadeDBO /día
Ecuación 7.5
CV = 5
Volumendel reactor
Q*DBO
CV = 5
V
Utilizando los datos respectivos, se obtiene una Cv igual a:
53.38Kg DBO/dia 26.87 Kg DBO
CV = =
198.65m3 100m3 ⋅día
7.2.1.4 Indice volumétrico: Como se mencionó anteriormente el IVL puede ser
obtenido por la ecuación 7.2. Así si tenemos en cuenta que la concentración de estado
estable es 3800 mg/l y que los mililitros sedimentados son iguales a 200 ml, se obtiene:56
200ml
IVL = *1000
3800mg/l
IVL =52.63
Un índice volumétrico que se encuentra dentro de los valores recomendados para el
sistema de lodos activos (un IVL de 150 es un valor aceptable4).
7.2.1.5 Producción de lodos: El sistema biológico en el tanque de aireación generó
alrededor de 100 mg/l de SSLM por día.
7.2.1.6 Concentración de sustrato a la salida: las características del sustrato en el
efluente, representado como DQO se presenta en la gráfica 7.5.
7.2.2 Condiciones de estabilidad con 4800 mg/L de SSLM:
A continuación se presentan los parámetros de control en condiciones de estado estable
para este nivel de sólidos.
7.2.2.1 Tiempo de retención: Dado que el tiempo de retención hidráulica es
independiente de la concentración de sólidos en el reactor, entonces td seria igual al
obtenido por medio de la ecuación 7.3:
198.65m3
td = = 25.19 horas
3
7.884 m /h
7.2.2.2 Carga Orgánica: Utilizando los mismos datos para la carga de DBO , y el
5
volumen V, requeridos para el desarrollo de la ecuación 7.4, y teniendo en cuenta que el
nivel de sólidos es 4800 mg/l de SSLM, la carga orgánica sería igual a:
53.38Kg/dia
F /M = =0.066d−1
810.49 Kg57
7.2.2.3 Carga Volumétrica: La carga volumétrica CV, es la misma que la calculada por
la ecuación 7.5:
Q*DBO
CV =
V
Utilizando los datos respectivos, se obtiene una Cv igual a:
53.38Kg DBO/dia 26.87 Kg DBO
CV = =
198.65m3 100m3 ⋅día
7.2.2.4 Índice volumétrico: Como se mencionó anteriormente el IVL puede ser
obtenido por la ecuación 7.2. Así, si tenemos en cuenta que la concentración de estado
estable es 4800 mg/l y que los mililitros sedimentados son iguales a 570 ml (valor que
corresponde al promedio de los valores obtenidos para este nivel de sólidos), podemos
obtener:
570ml
IVL= *1000
4800mg/l
IVL=118.75
7.2.2.5 Edad de los lodos: Es el tiempo promedio que permanece en el reactor una
partícula de lodo biológico, o para este caso, los microorganismos. El tiempo medio de
retención celular (θc) puede ser obtenido por medio de la ecuación 7.6:
V ⋅ X Ecuación 7.6
θ =
c
Qw⋅ Xr +Q⋅ Xe
donde:
θc= Edad de los lodos (d)
X= Concentración de sólidos suspendidos volátiles en el reactor, 4080 mg/L
V= Volumen del reactor o tanque de aireación, 198.65 m3 (ver tabla 6.3)58
Q = Caudal del efluente, 2.2 l/s o bien 190.08 m3/d
Xe = Concentración de sólidos suspendidos volátiles en el efluente, 22 mg/l (dato
experimental)
Qw *Xr = Cantidad de lodo de purga, 11.6782 Kg/dia.
Luego el θc sería igual a:
3 3
198.65m ×4.08Kg/m
θ =
c 11.6782Kg/d +190.08m3 /d ×0.022Kg/m3
θ =51.1días
c
7.2.2.6 Concentración de Salida: La concentración de la Demanda Bioquímica de
Oxígeno a la salida en condiciones de estabilidad y normal funcionamiento, para un
nivel de sólidos de 4800 mg/l de SST, fue:
DBO 5/salida = 29 mg/l
Valor que corresponde al promedio de la DBO registrada para cada una de las
5
remociones obtenidas para este rango de SSLM (Ver tabla 9.5 y 9.6).59
Gráfica 7.5
VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE DQO A LA SALIDA DURANTE EL ARRANQUE
Comportamiento de la DQO a la salida durante el arranque
160,0
140,0
120,0
)L/gm(
100,0
OQD
80,0
60,0
40,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Días6061
8. APLICACION TEÓRICA DEL MODELO MATEMÁTICO
La aplicación del modelo matemático está encaminado a la simulación del
comportamiento del reactor en condiciones de estabilidad. Para conseguir esto, es
preciso definir y tener presente las ecuaciones que gobiernan la cinética del crecimiento
biológico, tanto para el proceso de lodos activos como para el proceso de nitrificación,
pues el modelo que se presenta a continuación es una conjunción de estos dos procesos.
La simulación como tal se basa en las siguientes suposiciones:
1. La estabilización por microorganismos ocurre solamente en el reactor.
2. El volumen usado para calcular θ , solo incluye el volumen del reactor.
c
3. EL proceso en general es realizado por los organismos autótrofos y los
organismos heterótrofos.
4. La cantidad de aire a suministrar en el reactor es la suma del aire necesario por
los organismos autótrofos y los organismos heterótrofos.
5. La simulación es un cálculo teórico que tiene en cuenta las constantes cinéticas
de la literatura.
Las ecuaciones a utilizar están referenciadas en el Crites-Tchobanoglous3 y dadas por
las siguientes expresiones.
8.1 EXPRESIONES PARA LODOS ACTIVADOS:
− CRECIMIENTO CELULAR.
La tasa de crecimiento de las células bacterianas se puede definir como:
r =µ⋅X Ecuación 8.1
g
donde: r = tasa de crecimiento bacteriano, masa / volumen unitario *Tiempo
g
µ = tasa específica de crecimiento, tiempo-1.
X = concentración de microorganismos, masa / volumen unitario.62
− CRECIMIENTO CON LIMITACIÓN DE SUSTRATO.
El efecto de disponer de cantidades limitadas de sustrato o de nutrientes, puede definirse
mediante la siguiente expresión desarrollada por Monod.
S
µ=µ Ecuación 8.2
max
K +S
S
donde: µ = máxima tasa de crecimiento específico, tiempo-1.
max
S = concentración del sustrato, masa / unidad volumen
K = constante de velocidad media. Concentración de sustrato para la cual la
s
tasa decrecimiento es la mitad de la máxima, masa / unidad de volumen.
Reemplazando la ecuación 8.2 en la 8.1:
µ ⋅S ⋅ X
r = max Ecuación 8.3
g
K + S
S
− CRECIMIENTO CELULAR Y UTILIZACIÓN DEL SUSTRATO
Se ha observado que la cantidad de células nuevas producidas es la misma para un
sustrato dado, puede relacionarse por el grado de utilización del sustrato y la tasa de
crecimiento, mediante la siguiente expresión:
r =−Y⋅r Ecuación 8.4
g su
donde: r = tasa de crecimiento bacteriano, masa / unidad de volumen.
g
Y = coeficiente de producción bacteriana máxima medido durante cualquier
período finito de la tasa de crecimiento exponencial, definido como la relación
entre la masa de células formadas y la masa del sustrato consumido, masa
células / masa de sustrato consumido.
r = tasa de utilización de sustrato, masa / volumen. Tiempo.
su63
− EFECTOS DEL METABOLISMO ENDÓGENO.
El término de la descomposición endógena se puede representar como:
r = − K ⋅ X Ecuación 8.5
d d
donde: K = coeficiente de descomposición endógena, tiempo-1.
d
X = concentración de células, masa / unidad de volumen.
r = descomposición endógena.
d
Finalmente, la tasa neta específica de crecimiento viene dada por:
S
µ′=µ − K
m K + S d
S
donde: µ′= tasa neta específica de crecimiento, tiempo-1.
Y la tasa de crecimiento r ’, se obtiene de combinar las ecuaciones anteriores,
g
µ ⋅X⋅S
m
r '= −K X=−Y⋅r −K X Ecuación 8.6
g K +S d su d
S
8.2 EXPRESIONES PARA NITRIFICACIÓN:
− CRECIMIENTO CELULAR.
La tasa de crecimiento se puede definir por la ecuación 8.7:
 N   DO 
µ = µ × ×  ×[ exp( 0.098(T −15))] ×[ 1−0.833×(7.2− pH)]
n nmax  K + N  K +DO
 sn   O 
2
Ecuación 8.764
donde: µ = tasa específica de crecimiento para nitrificación, tiempo-1.
n
µ = tasa específica máxima de crecimiento para nitrificación = 0.45 d-1.
nmax
K = 1,3
o2
DO = concentración de oxigeno disuelto en el reactor, masa/volumen.
N = concentración de N-NKT a la entrada, masa/volumen.
K = constante de velocidad media para nitrificación.
sn
Con base en estas ecuaciones y en el balance de masa para el proceso, se pueden
obtener las siguientes ecuaciones, necesarias para el desarrollo del modelo de
tratamiento biológico.
8.3 ECUACIONES DE BALANCE
EL balance de materia en el estado estable se desarrolló con base en la figura 8.1,65
Figura 8.1. Esquema de estado estable de la planta.
y puede representarse por el siguiente esquema general.
Acumulación = Entra – Sale + Crecimiento neto
Velocidad de
Acumulación Cantidad de Cantidad de Crecimiento neto de
microorganismos = microorganismos - microorganismos que + microorganismos
dentro límites del que entran al sistema salen del sistema dentro de los límites
sistema del sistema66
O bien,
dX
⋅Vr = QX − [ Q X + Q X ] + Vr (r′) = 0
o w r e e g
dt
Donde: Vr = Volumen del reactor, volumen
Ecuación 8.12
Q = Caudal de entrada, volumen/tiempo
X = Concentración de sólidos a la entrada, masa/volumen
0
Q = Caudal de purga, volumen/tiempo
w
Xr = Concentración de sólidos en la recirculación, masa/volumen
Qe = Q = Caudal de entrada, volumen/tiempo
Ecuación 8.8
Xe = Concentración de sólidos en el efluente, masa/volumen
Si tenemos en cuenta que el sistema se encuentra en estado estable y que los
microorganismos representados como sólidos (X ) son despreciables, la ecuación 8.8 se
0
simplificaría y quedaría igual a:
Q Xr+Q X =Vr(r′)
w e e g
Reemplazando la ecuación 8.6 en la ecuación 8.9 se obtiene:
Q Xr +Q X r
w e e =−Y su − Kd
Vr⋅ X X
Vr.X
θ =
c Q X +Q X
W r e e Ecuación 8.9
Donde: θ = Tiempo medio de retención celular, tiempo.
c
Reemplazando la ecuación 8.11 en la 8.10:
Ecuación 8.10
1 r 
=Y su −K
θ  X  d
C
Ecuación 8.1167
y para el sistema de nitrificación, se puede calcular un θ mínimo, por medio de la
C
siguiente ecuación:
1 −Y ×K ×N
= n n o −K
θ K + No dn
C sn
Donde: Yn = coeficiente de producción bacteriana para la nitrificación, masa
células/masa de sustrato consumido.
Ecuación 8.18
N = concentración del N-NKT a la entrada, masa/volumen
o
K = Coeficiente de decaimiento endógeno para nitrificación, en tiempo-1
dn
K = Constante de velocidad media para nitrificación:
sn
Ecuación 8.13
K =100.051⋅T−1.158
sn
K = tasa máxima de utilización de sustrato para nitrificación, masa de
n
sustrato/masa de microorganismos:
µ
n
K =
n Y
n
Ecuación 8.14
Además,
( )
r  Q S − S µ S
U = − su  = o = m
 
 X  Vr ⋅ X Y(Ks + S)
 1  1
U = + Kd×
  Ecuación 8.15
θ Y
 
C
Donde: S = concentración del sustrato, masa / unidad volumen
o
U = tasa de utilización específica de sustrato.
Ecuación 8.16
Despejando r de la ecuación 8.16 y reemplazando en la ecuación 8.12 y resolviendo
su
para X se obtiene:
Ecuación 8.17
( )
Y ⋅θ S −S
X = C o
( )
θ 1+ K .θ
d C68
Donde:
Vr
θ=
Q
Otras expresiones que se obtienen por el manejo matemático de las ecuaciones
referenciadas anteriormente, se presentan a continuación:
F S ⋅Q
= o
M Vr⋅X
Ecuación 8.18a
Donde: F/M = Relación alimento / microorganismos, masa sustrato / masa células
So−S
E = ×100
So
Donde: E = eficiencia del proceso
Ecuación 8.19
Y
Y =
obs 1+K θ
d C
Donde: Y = Producción observada, masa/tiempo
obs
Px=Y Q( S −S) Ecuación 8.20
obs o
Donde: Px = Producción neta de lodo activado, masa/tiempo
Ecuación 8.21
Ecuación 8.2269
Mp = Px− XeQ Ecuación 8.23
Donde: Mp = masa de lodo a purgar, masa/tiempo
La relación de recirculación se obtiene de un balance de materia alrededor del reactor,
así:
( )
Q X +QX = Q+Q X
r r o r
Q
Despejando para r y asumiendo Xo igual a cero, se obtiene la relación de
Q
recirculación, α
Q X
r =α= Ecuación 8.24
Q Xr − X
Donde: α = relación de recirculación
Ks(1+ K ⋅θ)
S = d Ecuación 8.25
( )
θ YK − K −1
d
Y también, S es igual a:
U×K
S = S Ecuación 8.26
K −U
La cantidad de oxígeno necesario se calcula a partir de la necesidad de oxígeno de los
microorganismos autótrofos y los heterótrofos:
MO /heterótrofos = Q( S −S) ⋅a′ + Vr⋅b′⋅X ⋅( 1− fn) Ecuación 8.27
2 o
Donde: MO /heterótrofos = requerimiento de oxigeno por parte de los organismos
2
heterótrofos
1
a′ = −1.42⋅Y
Ecuación 8.28
0.68
b′=1.42⋅Kd Ecuación 8.2970
( )
0.16 No − N
fn = Ecuación 8.30
( ) ( )
0.6 So − S + 0.16 No − N
Q (No−N) 
MO /autótrofas = 4.57× −0.12⋅Mp Ecuación 8.31
2  
 1000 
Donde: MO /autótrofas = requerimiento de oxigeno por parte de los organismos
2
autótrofos
No = concentración del N-NKT a la entrada, masa/volumen
N = concentración del N-NKT a la salida, masa/volumen
8.4 MUESTRA DE CÁLCULO
Como se mencionó anteriormente la simulación es una conjunción de los modelos de
nitrificación y de lodos activos. A continuación se presenta la muestra de cálculo que
representa el contenido del programa realizado en el lenguaje de programación
“Matlab”, el cual se presenta en el anexo 7.
Las principales características del modelo son: 1- Esta concebido para un proceso de
lodos activos, 2- Parte del hecho de un proceso ya diseñado, por lo tanto sirve
principalmente para la comparación con los datos experimentales, 3- Está orientado al
tanque de aireación (reactor) y a sus requerimientos, 4- Proporciona datos de operación
que en cierta medida pueden servir para optimizar el proceso.
8.4.1 Datos de entrada
Los datos de entrada se constituyen como los valores de las variables tanto del agua a
tratar como las de proceso. Estos valores son susceptibles de cambios ya que deben ser
ingresados por el usuario. Los datos pedidos por el programa son:71
8.4.1.1 Variables de la simulación: Las variables de la simulación representan los
valores de algunos parámetros operacionales:
• Concentración de la DBO total del afluente, en mg/l = S = 280.82
5 o
• Concentración de los SSV en el licor mixto, en mg/l = X = 3230
• Concentración del N-NKT del afluente, en mg/l = N = 25
o
• Concentración del oxígeno disuelto en el reactor, en mg/l = DO = 2
• Valor del pH en el reactor, en unidades = pH = 6.8
• Caudal de entrada, en m3/d = Q = 190.08
• Volumen del reactor, en m3 = Vr = 198.65
• Temperatura de funcionamiento, en °C = T = 20
• Concentración de SSV en el efluente, en mg/l = Xe = 22
• Concentración de SSV en el retorno, en mg/l = Xr = 6800
• Factor de seguridad de diseño para el proceso = FS = un valor entre 2 y 20 = 5
• Factor de seguridad para el dimensionamiento de los sopladores, 2
• Eficiencia de transferencia de oxigeno de los equipos = Fs = 8%
El valor del caudal puede ser ingresado al programa en unidades como GPM, L/s o
m3/s, y el programa automáticamente realiza la conversión a m3/d, que son las unidades
base de los cálculos.
8.4.1.2 Constantes cinéticas: La cinética del crecimiento biológico viene caracterizada
por una serie de constantes que gobiernan cada uno de los procesos que se llevan
a cabo tanto en la nitrificación como en el tratamiento aerobio. A continuación
se nombran cada una de las constantes cinéticas necesarias para el desarrollo del
modelo matemático. Estas constantes se obtuvieron de la referencia 3 y
dependen exclusivamente del origen del agua a tratar (agua residual doméstica o
industrial).
• Coeficiente de producción bacteriana máxima, en mg cel/mg DBO = Y= 0.6
5
• Tasa máxima de utilización de sustrato, en mg DBO /mg cel *d = K = 4
5
• Constante de velocidad media, en mg DBO /l = Ks = 60
5
• Coeficiente de decaimiento endógeno, en d-1 = Kd = 0.05572
• Coeficiente de producción bacteriana máxima para nitrificación, en mg cel/mg
N-NKT= Yn = 0.16
• Coeficiente de decaimiento endógeno para nitrificación, en d-1= Kdn = 0.04
• KO = 1.3
2
• µ = 0.45
nmax
8.4.2 Cálculos del Modelo
Los principales cálculos que realiza el modelo matemático se presentan a continuación.
Estos cálculos se basan en las ecuaciones presentadas anteriormente y en los datos de
entrada.
1. Carga másica
Según la ecuación 8.19 la carga másica sería igual a:
F 280.86 mgDBO /L ×190.08 m3
= 5
M 198.65 m3 /d *3230 mgSSV /L
F = 0.0832 mgDBO /mgSSV ⋅d
M 5
2. Tiempo de retención hidráulica
De la ecuación 8.18a:
198.65 m3
θ =
190.08 m3/d
θ = 25horas
3. Carga volumétrica73
La carga volumétrica CV puede ser definida como los kilogramos de sustrato (DBO )
5
por metro cúbico, así, ecuación 8.32:
Q ⋅ So 190.08 m3 /d × 280.86 mg/L
Ecuación 8.32
CV = =
Vr 198.65 m3
CV =0.2687KgDBO /m3 ⋅d
5
4. Tasa de crecimiento para los organismos nitrificantes
De la ecuación 8.7
 25   2 
µ = 0.45× × ×[ exp( 0.098( 20−15))] ×[ 1−0.833×( 7.2−6.8)]
n    
100.051T −1.158 +25 1.3+2
µ =0.2884
n
5. Edad de los lodos
De la ecuación 8.13
0.2884
0.16× ×25
1 0.16
= −0.04
θ 100.051T−1.158 +25
Cmin
θ =4.1624
Cmin
Teniendo en cuenta un factor de seguridad de 5 y valores típicos de θ para aireación
C
extendida:
θ = 20.81dias
C74
6. Factor de utilización de sustrato para nitrificación:
De la ecuación 8.17 y utilizando los parámetros cinéticos para la nitrificación:
 1  1
U =  + 0.04× = 0.5503
20.81  0.16
7. Concentración de N-NKT a la salida
De la ecuación 8.26 se puede obtener la concentración de N a la salida sustituyendo S
por N y utilizando los parámetros cinéticos correspondientes para nitrificación.
Reemplazando los parámetros requeridos en las ecuaciones 8.14 y 8.15, se obtiene:
K =100.051×20−1.158 = 0.7278
sn
µ
n 0.2284
K = = =1.8025
n Y 0.16
n
0.5503×0.7278
N =
1.8025−0.5503
N = 0.3198 mg/L
8. Tasa de remoción de sustrato para DBO
5
De la ecuación 8.17y utilizando los parámetros cinéticos para lodos activados:
 1  1
U =  + 0.055× = 0.1717
20.81  0.6
9. Concentración de la DBO soluble a la salida
575
De la ecuación 8.26 y utilizando los parámetros para lodos activados:
0.1717×60
S =
4−0.1717
S =2.6919
9 Concentración de la DBO total a la salida
5
La DBO total en el efluente es igual a la suma de la DBO soluble (S) y la DBO de los
5 5 5
sólidos que escapan al tratamiento y salen en el efluente, así:
DBO = DBO +DBO Ecuación 8.33
5 total 5 soluble 5 sólidos del efluente
La DBO de los sólidos se obtiene tras las siguientes suposiciones:
5
- La fracción biodegradable de los sólidos es del 100% (se supone que los sólidos son
todos microorganismos)
- El factor de conversión para pasar sólidos del efluente (Xe) a DBO última es 1.42
5
- El factor de conversión para pasar de DBO última a DBO es 0.565
5 5
Luego,
DBO = 1×22×4.12 = 31.24 mg / L
L sólidos del efluente
y DBO = 31.24 ×0.565 = 17.6506 mg / L
5 sólidos del efluente
Así la DBO total calculada por la ecuación 8.33
5
DBO = 2.6910+17.6506 = 20.3416 mg / L
5 total
10. Eficiencia de la planta76
De la ecuación 8.20:
• La eficiencia de la planta basada en la DBO soluble del efluente:
5
280.86 − 2.6910
E = ×100 =99%
280.86
• La eficiencia de la planta basada en la DBO total del efluente:
5
280.86−20.3416
Et = ×100
280.86
E =92%
t
11. Cantidad de lodo a purgar
De la ecuación 8.21 se obtiene Yobs:
0.6
Y = =0.2797
obs 1+ 0.055×20.81
y de la ecuación 8.22
0.2797×190.08 m3 /d×( 280.86−2.6910) mg / L
Px = = 14.75 Kg /d
1000
Si se tiene en cuenta que los SSV son el 85% de los SST, el Px en función de los sólidos
suspendidos totales, será:
14.75Kg/d
Px =
t 0.85
Px =17.3556KgSSTLM / d
t77
12. Masa a purgar
De la ecuación 8.23
Mp = 14.75−0.022×190.08 = 10.5682 KgSSV /d
10.5682 KgSSV /d
Mp = = 12.433 KgSST /d
t
0.85
13. Caudal de purga
De la ecuación 8.11 se despeja Q y se obtiene la ecuación 8.34:
w
Ecuación 8.34
Vr.X − Xe ⋅Qe ⋅θ
Q = c
w θ ⋅ Xr
C
198.65× 3230 − 22 ×190.08× 20.81
Q =
W
20.81× 6800
Q =3919.3 L/d
W
14. Relación de recirculación
De la ecuación 8.24
3230
α=
6800−3230
α=0.9047
El caudal de recirculación:
Q =0.9047×190.08=2 L / s
r
Q =2L/s
r78
15. Demanda de oxígeno
Como se mencionó anteriormente, el oxígeno requerido es la suma del consumo de los
organismos autótrofos y heterótrofos.
• Consumo de organismos heterótrofos
Por medio de las ecuaciones 8.28, 8.29 y 8.30 se obtiene, respectivamente:
1
a'= −1.42×0.6=0.6185
0.68
b'=1.42×0.055 = 0.0781
0.16×(25−0.3197)
fn = = 0.02312
( )
0.6× 280.86−2.6910 +0.16×(25−0.3197)
y reemplazando los valores encontrados anteriormente en la ecuación 8.27, se tiene:
MO =[ 190.08×( 280.86−2.6910) ×0.6185] +
2heterótrofas
[ 198.65×0.0781×3230×( 1−0.02312)]
MO =81.65 KgO /d
2 heterótrofas 2
• Consumo de organismos autótrofos
190.08×(25−0.3197) 
MO = 4.57× −0.12×10.5682
2 autótrofos  
 1000 
MO =15.64 KgO /d
2 autótrofos 2
Por lo tanto la cantidad de oxígeno necesario sería igual a:
MO = (81.65+15.64)
2total
MO =97.29KgO / d
2total 279
Multiplicando por un factor de seguridad de 2 para el dimensionamiento de los
sopladores, tenemos la masa de oxígeno total requerido:
MO =194.58KgO / d
2total 2
16. Caudal de aire necesario:
Si tenemos en cuenta que el aire contiene un 23.2% de oxígeno, la cantidad de aire
necesario sería igual a:
194.58 KgO /d
Aire necesario = 2 = 693.1462 m3 /d
1.210 Kg /m3 ×0.232
Teniendo presente que la eficiencia de transferencia de oxígeno de los equipos es del
8%, el aire teórico necesario seria igual:
693.1462 m3 /d
Aire necesario = = 8664.33 m3 /d
0.08
Airenecesario=212.46cfm
17. Cálculo de la potencia necesaria para la bomba
A continuación se presentan los cálculos necesarios para determinar la potencia de la
bomba, cuya característica principal es garantizar un suministro de aire en el tanque de
aireación, igual al caudal calculado en el aparte anterior (Q=0.1m3/s). Todos los
cálculos subsecuentes se basan en la figura 8.2, la cual representa esquemáticamente el
sistema de aire de la planta.80
Figura 8.2 Esquema general del sistema de aire de la planta El Popal.
Aplicando la ecuación de continuidad para flujo estable e incomprensible al volumen de
control 1, se obtiene la ecuación 8.35,
 V 2   V 2 
 P +ρ ⋅α 2 +ρ ⋅g ⋅Z  − P +ρ ⋅α 3 +ρ ⋅g ⋅Z  =
 2 aire 2 2 aire 2   3 aire 3 2 aire 3
   
ρ ⋅h +ρ ⋅h +ρ ⋅g ⋅Z + Perdidas
aire mayores aire menores agua 3 difusor
Ecuación 8.35
Para la cual se tienen los siguientes datos:
Para pérdidas mayores: - Tubería 1: L = 5 m, D= 0.1016 m, A= 0.00810 m2. Esta
tubería corresponde a la conducción de aire hasta la válvula
de compuerta.
- Tubería 2: L = 18m, D=0.0508, A=0.0020 m2. Tubería que
corresponde a la conducción de aire desde la válvula hasta el
difusor más alejado.
Para pérdidas menores: - Seis codos de 90°
- Válvula de compuerta totalmente abierta.
Pérdidas por difusor: 4110 Pascales881
Suposiciones: 1. Z =0
2
2. V = V
2 3
3. P = presión manométrica = 0
3
Si se reemplazan las suposiciones en la ecuación 8.35 se obtiene la ecuación 8.36:
∆P−ρ ⋅g⋅Z =ρ ⋅h +ρ ⋅h +ρ ⋅g⋅Z +Perdidas
aire 3 aire mayores aire menores agua 3 difusor
Ecuación 8.36
Con ∆P=P −P
2 3
♦ Cálculo de pérdidas mayores, h
mayores
Las pérdidas mayores se deben principalmente a la fricción en las tuberías de
conducción de aire, estas pérdidas pueden calcularse por medio de la ecuación 8.35
 L V2   L V2 
h  f ×  + f × 
mayores=   
D 2 D 2
 1   2 
Tuberia1 Tuberia2
Ecuación 8.37
El factor de fricción f, se calcula por medio de la figura 8.14 del libro Fox Macdonalds9,
para lo cual se necesita el número de Reynolds, así:
Suponiendo aire a 20 °C, ρ=0.9Kg/m3, µ=1.75e-5 Kg m/s82
Tubería1
 0.1m3 /s 
0.9Kg/m3 × ×0.1016m
 2 
Re = ρ⋅V ⋅D 1 = 0.0081m  =6.4×104
1 µ 1.75×10−5 Kg ⋅m/s
De la figura 8.14 f=0.0345
Tubería 2
 0.1m3 /s 
0.9 Kg/m3 × ×0.0508m
 0.0020m2 
Re = ρ⋅V ⋅D 2 =  =1.3×105
2
µ 1.75×10−5 Kg ⋅m/s
De la figura 8.14 f=0.027
Luego, reemplazando los respectivos datos en la ecuación 8.37, se tiene:
 2  2
 0.1m3/s   0.1m3/s 
   
   
  2    2 
h =0.0345× 5m 0.0081m   +0.027× 18m 0.0020m  
mayores
 0.1016 2   0.0508 2 
   
   
   
Tub1 Tub2
m2
h =12088.04
mayores 2
s
♦ Cálculo de pérdidas menores, h
menores
Las pérdidas menores se deben principalmente a los accesorios (codos, válvulas,
uniones, etc.), estas pérdidas pueden calcularse por medio de la ecuación 8.3883
L V2  L V2 
h  e  + e 
menores=   
D 2 D 2
   
codo90ο válvuladecompuerta
El factor L /D, se calcula de la tabla 8.13 del libro Fox Macdonalds9. Para el caso del
e
codo de 90° este factor equivale a 30 y para el caso de la válvula de compuerta
(totalmente abierta) este factor equivale a 340, por lo tanto las perdidas son iguales a:
 2  2
  0.1m3/s     0.1m3/s  
   
=6×  0.0081m2    0.0081m2 
 
h 30× + 340×
menores  2   2 
   
   
   
codo90ο válvuladecompuerta
m2
=39628.1054
s2
Suponiendo agua a 20°C (ρ=999Kg/m3), y reemplazando los respectivos datos en la
ecuación 8.36 se obtiene:
 Kg m   Kg m2  Kg m2
∆P =0.9 × 9.8 ×2.9m+0.9 ×12088.498 +0.9 ×39628.10 
m3 s2  m3 s2   m3 s2 
     
 Kg m  Kg
+999 ×9.8 ×2.9m + 4110
m3 s2 ms2
 
Kg
∆P = 79072.09
m⋅s2
Para calcular la potencia de la bomba, es necesario aplicar la primera ley de la
termodinámica al volumen de control 2 (ver figura 8.2), entre las secciones 1 y 2. Así:
• • ∂  V 2 P r r
Q−W = ∫ eρ×d∀+ ∫ u + + gZ + ×dv ×dA Ecuación 8.39
s ∂t vc 2 sc  2 ρ 
Ecuación 8.38
Si se tienen en cuenta las siguientes suposiciones:84
1. Flujo Estable
2. V =V
2 1
3. Z =Z
2 1
Se obtiene:
• •  P  •  P  • •
W =W =u + 2 m+ u + 1 ×(−m) −Q
motor s  2   1 
 ρ  ρ
o bien,
• • P − P  • • • P − P  •
W =W = 2 1 m+( u −u ) ×(−m)−Q= 2 1 m + Pérdidas
motor s   2 1  
 ρ   ρ 
Si se tiene en cuenta que las pérdidas se determinan en términos de la eficiencia de la
bomba, η:
•
Pérdidas = (1-η)W
y que ∆P = P - P , la ecuación 8.39 se transforma en:
1 2 1
• 1 P − P • 1
W = × 2 1 ×m = ∆P ×Q Ecuación 8.40
motor 1
η ρ η
Cuando se resolvió la ecuación 8.36 se obtuvo ∆P= 79690.0562 Pascales = P - P , y
2 3
teniendo en cuenta que tanto P como P son presiones manométricas, entonces:
3 1
∆P = ∆P = P .
1 2
Resolviendo la ecuación 8.40 se obtiene:
• 1 1 Kg m3 Kgm2 1
W = P ×Q = ×79072.09 ×0.1 = 7907.209 = 10.6Hp
motor 2
η η ms2 s s3 η85
• 1
W = 10.6Hp
motor
η
Lo que indica que se necesita una potencia isentrópica de 11 caballos de potencia.
8.5 COMPARACIÓN DEL MODELO CON LOS DATOS REALES
OPERACION
La comparación de los datos obtenidos experimentalmente con los datos
proporcionados por el modelo matemático se presenta en la tabla 8.1.
Tabla 8.1 COMPARACION DE LOS DATOS EXPERIMENTALES CON LOS
PROPORCIONADOS POR EL MODELO
Datos Experimentales Modelo matemático
Parámetro
3800 SSLM 4800 SSLM 3800 SSLM 4800 SSLM
Tiempo de retención
25.19 h
25.19 h 25.1 h 25.1 h
hidráulico, θ
Carga másica, F/M 0.083 d-1 0.066 d-1 0.083 d-1 0.066 d-1
0.269 0.269 0.269 0.269
Carga volumétrica, Cv
Kg DBO/m3 Kg DBO/m3 Kg DBO/m3 Kg DBO/m3
100 100 91.56 91.56
Producción de lodos mg SST/L mg SST/L mg SST/L mg SST/L
por día por día por día por día
Edad de los lodos, θ 51 d 20.81 d 20.81 d
C
Relación de
3 3 .9 1.5
recirculación
DBO salida, mg/L - 29 20.3 20.3
5
Eficiencia, % - 92 93 93
Potencia Diseñador Modelo matemático86
9 1187
9. EVALUACION PRELIMINAR DEL FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA EL
POPAL
Para evaluar el comportamiento de una planta de tratamiento de aguas residuales, se
pueden tener en cuenta infinidad de aspectos, tales como: la hidráulica, el diseño, la
eficiencia y el comportamiento ambiental como en cualquier otro proceso. Para el caso
de la planta el Popal, la evaluación consistió en la estimación de la eficiencia, del
comportamiento ambiental y en la determinación global de las variables con las cuales
se alcanzaron las adecuadas condiciones de proceso.
9.1 COMPORTAMIENTO AMBIENTAL
Desde el punto de vista ambiental, la planta y los procesos llevados a cabo, tienen tres
puntos críticos:
a) Rejilla de entrada.
b) Desarenador.
c) Lodos de purga en las eras de secado.
Estos puntos representan generación tanto de emisiones como de residuos sólidos, de
ahí la especial atención que requieren.
9.1.1 Rejilla de Entrada: Se constituye como un punto generador de residuos sólidos,
ya que el agua alimentada a la planta proviene de un alcantarillado combinado, lo que
prevé una alta retención de basuras.
La rejilla cumple con su función de separar o retener los sólidos mayores o flotantes,
entre los cuales se encuentran papeles, palos, latas, trapos, plásticos y otros materiales
que son arrojados indiscriminadamente al alcantarillado; estos no presentan olores
ofensivos debido que son retirados constantemente de forma manual y son dispuestos en
el relleno sanitario.
La cantidad de sólidos retenidos en la rejilla se encuentra en la tabla 9.1.88
Tabla 9.1 SOLIDOS RETENIDOS EN LA REJILLA
Caudal tratado
Peso del material retenido
Ensayo
(Kg/día) (m3/día)
1 0.567 190
2 0.586 190
3 0.420 190
4 0.620 190
5 0.620 190
Promedio 0.5626 190
Es decir, la planta produce en promedio 0.003 Kg de basura por m3 de agua tratada. De
lo cual se deduce que en un mes, la planta El Popal generaría:
16.878 Kg de residuos sólidos
9.1.2 Desarenador: el material sedimentado en el desarenador es removido cada dos
semanas y representa alrededor de 1 m3. A diferencia de la rejilla el procedimiento de
limpieza del desarenador es mecánico y se realiza con un vactor de la empresa Aguas de
Manizales, la cual le da la disposición final (la misma que le da a los residuos de los
alcantarillados).
9.1.3 Lodos de purga en los lechos de secado: los lodos que se extraen del
clarificador secundario (con el fin de mantener constantes los SSLM), son conducidos a
las eras de secado, con el propósito de deshidratarlos bien sea por filtración o bien por
contacto con el aire (evaporación). Los lodos deshidratados ó biosólidos, se retiran
manualmente de los lechos de secado. La adición de cal se hace necesaria en algunos
casos para ayudar a la deshidratación y para inhibir las reacciones anaerobias llevadas a
cabo en el lecho, que pueden causar malos olores y presencia de moscas.89
La cantidad y las características del lodo dependen en gran medida del nivel de sólidos
suspendidos totales del tanque de aireación. Para dos niveles de sólidos en el reactor se
encontraron las siguientes características:
Tabla 9.2 CARACTERISTICAS EN LOS LECHOS DE SECADO
Nivel de sólidos
Características
en el reactor
• Lodo inestable.
• 17 Kg H O/Kg sólido seco.
2
3800 mg/L • Necesaria la adición de cal.
• Presencia de malos olores y moscas.
• Tiempo de secado: cinco días
• Lodo altamente estable.
• 17 Kg H O/Kg sólido seco.
2
4800 mg/L • No se hace necesaria la adición de cal.
• No presenta malos olores ni moscas
• Tiempo de secado: cinco días
La cantidad de biosólidos a manejar mensualmente en la planta se presenta en la tabla
9.3. En esta tabla se presentan los valores encontrados experimentalmente contra los
datos proporcionados por el modelo matemático.
Tabla 9.3 PRODUCCION DE BIOSÓLIDOS
Experimental Modelo Matemático
Producción de lodos
327 370
(Kg/mes)
Estos biosólidos son dispuestos en las zonas verdes de la planta, mientras se realizan los
estudios que determinarán la utilización del biosólido producido en la planta el Popal
Las características físico-químicas del biosólido producido en la planta, comparado con
los parámetros exigidos por la EPA (ya que en Colombia no existe legislación al
respecto), se encuentran en la tabla 9.4.90
Tabla 9.4 PARÁMETROS EXIGIDOS POR LA EPA PARA BIOSÓLIDOS,
COMPARADOS CON LOS BIOSÓLIDOS PRODUCIDOS POR EL POPAL
Parámetro EPA El Popal
Arsénico
Cadmio
Selenio
Fósforo total
Mercurio
Níquel
Nitrógeno total
Sólidos
Molibdeno
Potasio
Relación C/N
Carbono orgánico oxidable
pH
Plomo
% de Humedad
Cobre
Zinc
9.2 EFICIENCIA
La eficiencia de la planta fue evaluada teniendo en cuenta la remoción de la carga
contaminante y el comportamiento de la remoción con respecto a la legislación
colombiana, (ver anexo 8).
La remoción de la planta se calculó a partir de la ecuación 9.1
So−S ecuación 9.1
R = ×100
So91
Donde: R= remoción de la planta, %
So= Concentración del constituyente X a la entrada
S= Concentración del constituyente X a la salida
El procedimiento para obtener la concentración a la entrada y a la salida de cada
constituyente, operando la planta en estado estable, fue el siguiente:
a) Realizar muestreos de 8 horas a la entrada y a la salida de la planta, basado
en el tiempo de retención hidráulico, es decir, el agua que entra tarda
alrededor de 25 horas en salir. Esto se realizó por una exigencia técnica de la
empresa.
b) Componer las muestras recogidas para obtener una muestra única, tanto a la
entrada como a la salida.
c) Analizar la muestra para cada uno de los parámetros requeridos en el
Decreto 1594/84.
Las remociones obtenidas en la planta El Popal se realizaron para niveles diferentes de
SSLM y fueron calculadas con base en los valores totales de cada uno de los
parámetros, (material soluble mas insoluble), dado que en el mencionado Decreto se
exigen de esta manera.
Los valores de estas remociones así como la comparación con las exigidas por el
Decreto 1594/84, se presentan en las tablas 9.5, 9.6, 9.7, 9.8, 9.9 y 9.10 en las cuales se
observa el aceptable funcionamiento de la planta en cuanto a su eficiencia se refiere.
9.3 DETERMINACIÓN DE LAS ADECUADAS CONDICIONES DE PROCESO
Si se tienen en cuenta que las principales variables que pueden ser manipuladas en el
proceso y específicamente en el reactor son: oxígeno disuelto, índice volumétrico de
lodos, sólidos suspendidos totales, pH, relación alimento-microorganismos, edad de los
lodos y relación de recirculación; se puede entrar a definir para qué valores de estas
variables el funcionamiento del sistema es el mejor.93
COMPARACIÓN ENTRE LAS REMOCIONES DE LA PLANTA EL POPAL Y LAS EXIGIDAS POR EL DECRETO 1594/84
Tabla 9.5 REMOCIÓN PARA UNA CONCENTRACIÓN DE 4500 mg/l DE SSLM
Cumplimiento de la
Parámetro Entrada Salida %Remoción Decreto 1594/84
norma
pH
7.83 6.55 ---- 5 a 9 Si
Temperatura (°C) 18 18.6 ≤ 40 Si
DBO (mg/l) 304 28 91 Remoción 80% Si
5
Sólidos Sedimentables (ml/l) 4 4 0 ≤ 10 ml/l Si
Sólidos Suspendidos (mg/l) 247 106 57 Remoción 80% No
Grasas y Aceites (mg/l) 129 7 94 Remoción 80% Si
DQO (mg/l) 582 82 86 ----- -----
Tabla 9.6 REMOCIÓN PARA UNA CONCENTRACIÓN DE 4200 mg/l DE SSLM
Cumplimiento de la
Parámetro Entrada Salida %Remoción Decreto 1594/84
norma
pH 8.1 6.6 ----- Si
5 a 9
Temperatura (°C) 18,6 19 ----- ≤ 40 Si
DBO (mg/l) 378 37 90 Remoción 80% Si
5
Sólidos Sedimentables (ml/l) 5.5 0 100 ≤ 10 ml/l Si
Sólidos Suspendidos (mg/l) 307 15 95 Remoción 80% Si
Grasas y Aceites (mg/l) 116 6 95 Remoción 80% Si
DQO (mg/l) 633 72 89 ----- ------94
Tabla 9.7 REMOCIÓN PARA UNA CONCENTRACIÓN DE 4800 mg/l DE SSLM
Cumplimiento de la
Parámetro Entrada Salida %Remoción Decreto 1594/84
norma
pH 7,9 6.7 Si
5 a 9
Temperatura (°C) 18,8 19,6 ≤ 40 Si
DBO (mg/l) 346 33 91 Remoción 80% Si
5
Sólidos Sedimentables (ml/l) 6 0 100 ≤ 10 ml/l Si
Sólidos Suspendidos (mg/l) 373 22 94 Remoción 80% Si
Grasas y Aceites (mg/l) 102 10 90 Remoción 80% Si
DQO (mg/l) 993 93 91 ----- ------
Tabla 9.8 REMOCIÓN PARA UNA CONCENTRACIÓN DE 4320 mg/l DE SSLM
Cumplimiento de la
Parámetro Entrada Salida %Remoción Decreto 1594/84
norma
pH 7,9 6.7 ----- Si
5 a 9
Temperatura (°C) 18,8 19,6 ----- ≤ 40 Si
DBO (mg/l) 412 19 95 Remoción 80% Si
5
Sólidos Sedimentables (ml/l) 5 0 100 ≤ 10 ml/l Si
Sólidos Suspendidos (mg/l) 270 22 92 Remoción 80% Si
Grasas y Aceites (mg/l) 138 9 93 Remoción 80% Si
DQO (mg/l) 669 47 93 ----- ------95
Tabla 9.9 REMOCIÓN PARA UNA CONCENTRACIÓN DE 4700 mg/l DE SSLM
Cumplimiento de la
Parámetro Entrada Salida %Remoción Decreto 1594/84
norma
pH 7,9 6.7 ----- 5 a 9 Si
Temperatura (°C) 18,8 19,6 ----- ≤ 40 Si
DBO (mg/l) 332 8 98 Remoción 80% Si
5
Sólidos Sedimentables (ml/l) 8 0 100 ≤ 10 ml/l Si
Sólidos Suspendidos (mg/l) 270 9 97 Remoción 80% Si
Grasas y Aceites (mg/l) 544 2 99.6 Remoción 80% Si
DQO (mg/l) 1102 87 92 ----- ------
Tabla 9.10 REMOCIÓN PARA UNA CONCENTRACIÓN DE 3800 mg/L de SSLM
Parametro Entrada Salida Remoción Norma Cumplimiento De La
Actual 1594/84 Norma
( %)
pH (unidades) 7.65 6.36 ----- 5 a 9 Si
Temperatura (°C) 17 18.8 ----- ≤ 40 Si
DBO (mg/L) 500 21 96 Remoción 80% Si
5
Sólidos Sedimentables (ml/L) 4.5 0 100 ≤ 10 ml/L Si
Sólidos Suspendidos (mg/L) 250 18 93 Remoción 80% Si
Grasas y Aceites (mg/L) 122.5 8.5 93 Remoción 80% Si
DQO (mg/L) 671 42 94 ----- -----96
9.3.1 Oxigeno Disuelto
El comportamiento del tanque de aireación para un nivel de oxígeno de 5 mg/l, fue
desfavorable, dado que se propició la presencia de bacterias filamentosas, ver figura 9.1,
las cuales a su vez generaron una espesa espuma de color café oscuro.
Figura 9.1 Bacterias filamentosas: Nocardia
Esta espuma trajo consigo problemas operacionales, tales como: volver el proceso
ineficiente, disminuir la eficiencia de transferencia de oxígeno y traer repercusiones
estéticas en la imagen de la planta (ver anexo 10, foto de espumas en el reactor). Tras
experiencias recogidas en plantas de tratamiento de aguas residuales como la de San
Fernando en Medellín, se identificó el problema como aplicación excesiva de aire.
Por tal motivo se instalo un Timer el cual operó de la forma presentada en la tabla 7.1.
Con este correctivo, la espuma disminuyó hasta niveles manejables y el proceso entró
en correcto funcionamiento. La concentración de oxígeno disuelto registrado durante
esta operación se mantuvo alrededor de 1 mg/l.
A pesar de esto el funcionamiento del clarificador fue decayendo, y el lodo perdió
sedimentabilidad, lo que produjo el llamado “bulking”, el cual se caracterizó por:
• El lodo activo del clarificador se fuga con el efluente, preferiblemente en
horas en las que el caudal es más elevado.
• El manto de lodos se encuentra a menos de 30 centímetros de la superficie
del clarificador.
• La concentración del retorno de lodos disminuye por debajo de 8000 mg/L.
• Valores del IVL por encima de 250
• Desfloculación.97
Normalmente el bulking se produce debido al crecimiento excesivo de bacterias
filamentosas, las cuales interfieren en la compactación del flóculo en el clarificador
secundario, provocando problemas de sedimentación. Las causas son diversas y pueden
ser:
a) Problemas de diseño.
b) Problemas del afluente, (cargas tóxicas).
c) Desbalance de nutrientes, (100 DBO : 5 N: 1 P).
5
d) Carga másica (F/M).
e) Problemas operativos: concentración inadecuada de oxígeno disuelto,
recirculación inadecuada.
Tras verificación de cada una de las posibles causas, se identificó que la concentración
de oxígeno disuelto en el tanque de aireación (menor o igual a 1 mg/L), era la fuente del
problema.
Con el fin de corroborar la presencia de bacterias filamentosas, se utilizó el análisis a
través de la observación microscópica. Este análisis se enfocó principalmente a la
identificación de estos microorganismos y se realizó con base en dos elementos:
• Microscopio binocular equipado con contraste de fases y con objetivos de
10x, 40x y 100x oil.
• Tinción de gram y tinción de azul de metileno, para ayudar a la
identificación.
La identificación de los microorganismos presentes se logró con el apoyo de la
documentación proporcionada por el Atlas de microorganismos, presentado en el anexo
9. La bacteria predominante en el licor mixto fue identificada como Micothrix
parvicella, ver figura 9.2.98
a
b
Figura 9.2 BACTERIAS FILAMENTOSAS: MICOTHRIX PARVICELLA: a) Atlas
de microorganismos. b) Planta El Popal99
Las principales características morfológicas de los filamentos encontrados fueron:
• Ramificación: falsa
• Movilidad: no
• Forma del filamento: largos, finos, rectos y/o curvados.
• Situación del filamento: en el interior del flóculo y formando puentes entre
ellos.
• Vaina: no
• Formas de las células: cuadradas y/o rectangulares.
• Filamentos gram positivos y neisser positivos.
Como método de control para evitar la proliferación de estas bacterias, se aumentó la
concentración de oxígeno disuelto en el tanque de aireación, a través de la modificación
del sistema de funcionamiento del timer, cuyo comportamiento se presenta en la tabla
9.10.
Tabla 9.10 FUNCIONAMIENTO DEL SOPLADOR
FUNCIONAMIENTO
HORA
PRENDIDO APAGADO
7:00 am X
7:15 am X
8:00 am X
8:15 am X
9:00 am X
9:15 am X
10:00 am X
10:15 am X
11:00 am X
11:15 am X
12:00 pm X
12:15 pm X
1:00 pm X
1:15 pm X100
2:00 pm X
2:15 pm X
3:00 pm X
3:15 pm X
4:00 pm X
4:15 pm X
5:00 pm X
5:15 pm X
6:00 pm X
6:15 pm X
7:00 pm X
7:15 pm X
8:00 pm X
8:15 pm X
9:00 pm X
9:30 pm X
10:00 pm X
10:30 pm X
11:00 pm X
11:45 pm X
12:00 am X
12:30 pm X
1:00 am X
1:30 am X
2:00 am X
2:45 am X
3:00 am X
3:30 am X
4:00 am X
4:45 am X
5:00 am X
5:15 am X
6:00 am X101
6:15 am X
Tiempo de operación: 15 horas y 15 minutos.
Tiempo de paro: 8 horas y 45 minutos.
Por otra parte, como método de control para solucionar las dificultades causadas por la
presencia de Bulking se utilizó la adición de cloro (microbicida), cuya principal función
era eliminar los microorganismos causantes del problema.
La dosificación se realizó con hipoclorito de sodio, sobre el lodo activado de retorno,
con el propósito de que los lodos permanecieran en contacto con la solución de
hipoclorito alrededor de 1 minuto, antes de ser mezclados con el contenido del reactor.
Dicha dosificación se calculó con base en la cantidad de microorganismos presentes en
el licor mixto, así:
1a10lbdehipoclorito
Dosis =
1000lbdeSSVLM
Por ejemplo, la primera dosificación se realizó para un nivel de sólidos igual a 3060
mg/L; concentración que al ser multiplicada por el volumen del tanque de aireación,
198650 litros, da como resultado las libras de sólidos en el reactor, 1340,12 lb de
SSVLM. Ahora, si consideramos que se va a adicionar 10 lb de hipoclorito/ 1000 lb de
SSVLM, entonces, se necesitarían 13.4 lb de hipoclorito de sodio para el nivel de
sólidos contenidos en el reactor. Dado que el hipoclorito a dosificar se encontraba en el
mercado como una solución de hipoclorito de sodio al 13 %, se requerirá finalmente:
Kgdehipocloritonecesario
Litrosdehipoclorito=
Kgdehipocloritoenlasolución
6Kgdehipoclorito
= =46litros
0.13Kgdehipoclorito/litrodesolución
Volumen que equivale a una concentración de 30 mg/L de hipoclorito en el reactor.102
Con la adición de hipoclorito se esperaba la disminución de las bacterias filamentosas.
La forma más rápida para estimar esta disminución fue el IVL , pues este parámetro
mide indirectamente los organismos presentes en el licor mixto; IVL altos indican
presencia de organismos filamentosos y IVL bajos indican la presencia de organismos
superiores, los cuales son los adecuados para el proceso de purificación de las aguas
residuales.
La variación del IVL con respecto a la dosificación de hipoclorito, explicada
anteriormente, se presenta en la grafica 9.1. En la tabla 9.11 está discriminada dicha
variación.
Tabla 9.11 COMPORTAMIENTO DEL IVL DURANTE LA ADICIÓN DE
HIPOCLORITO DE SODIO
DÍA IVL ADICIÓN DE CARACTERÍSTICAS DEL
HIPOCLORITO SISTEMA
Agosto 10 189,6 Bulking, arrastre de Sólid/ efluente.
Agosto 12 189,8 Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Agosto 13 230 Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Agosto 14 257,3 46 Litros, Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Agosto 15 230 concentración 30 mg/L Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Agosto 16 220 Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Agosto 17 200 Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Agosto 19 270 80 Litros, Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Agosto 21 262 concentración 60 mg/L Efluente cristalino, sin arrastre.
Agosto 22 329 Efluente cristalino, sin arrastre.
Agosto 25 298 Efluente turbio, sin arrastre.
Agosto 26 350 Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Agosto 27 327 Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Agosto 28 337 30 Litros, Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Septiembre 1 375 concentración 20 mg/L Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Septiembre 2 385 60 Litros, Efluente cristalino, sin arrastre.
Septiembre 3 363 concentración 40 mg/L Efluente turbio, sin arrastre.
Septiembre 4 358 Efluente cristalino, sin arrastre.
Septiembre 5 354 Efluente cristalino, sin arrastre.
Septiembre 8 296 Efluente cristalino, sin arrastre.
Septiembre 10 376 Efluente cristalino, sin arrastre.
Septiembre 11 368 Bulking, arrastre de Sólid/efluente.
Septiembre 12 365 Bulking, arrastre de Sólid/efluente.103
Gráfica 9.1 VARIACIÓN DEL IVL CON ADICIONES DE HIPOCLORITO DE SODIO Y CAL
450
400
350
300
250
LVI
200 Valor óptimo sugerido por la literatura
150
100
50
0
0 10 20 30 40 50 60
Días
Adición de cloro Adición de cal104
Los resultados obtenidos con la adición de hipoclorito, no fueron los mejores, por lo
cual se optó por adicionar cal hidratada al tanque de aireación para elevar el pH.
Anteriormente se utilizaba esto más que en la actualidad, pues ha sido reemplazada en
gran parte por la adición de hipoclorito.
La dosificación de cal se realizó con base en el siguiente cálculo, ya que éste
proporciona la cantidad de alcalinidad necesaria para el sistema:
Alcalinidad adicionar = ALK − ALK
M INF
Donde:
mgCaCO
( ) ( )
ALK = NH ×7 3 NH +ALK
M 3 INF mg 3 INF R
y
ALK = Alcalinidad necesaria
M
ALK = Alcalinidad del afluente = 150 mg/L (promedio).
INF
NH = Concentración de amoníaco en el afluente = 22 mg/L (promedio).
3 INF
ALK = Alcalinidad residual en el efluente = 100 mg/L (sugerida para plantas
R
nitrificantes).
( )
Alcalinidad adicionar = 254−100 mg/L=104mg/L
CaCO necesario=Q × Alcalinidad adicionar
3 INF
CaCO necesario=2.2L/s×104mg/L=19Kg/día
3
A pesar del dato arrojado por el cálculo teórico, no fue necesaria una adición diaria, por
el hecho de que el sistema respondió con una sola adición de 25 Kg a la semana
(máximo de dos), al elevar el pH del reactor de 6.5 a 7.
El comportamiento del índice volumétrico de lodos respecto a la dosificación de cal, se
presenta en la gráfica 9.1, la tabla 9.12 presenta la información para la construcción de
dicha gráfica.105
Tabla 9.12 COMPORTAMIENTO DEL IVL DURANTE LA ADICIÓN DE CAL
DÍA IVL ADICIÓN DE CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA
CAL
Septiembre 16 368 Arrastre de sólidos, pH reactor=6.33
Septiembre 17 304 50 Kg. Efluente turbio, verdoso. pH reactor=9.62
Septiembre 18 322 Efluente turbio. pH reactor=7.12
Septiembre 19 313 25 Kg. Efluente turbio. pH reactor=6.82
Septiembre 22 419 Arrastre de sólidos, pH reactor=6.83
Septiembre 23 176 25 Kg. Sin arrastre. PH reactor=7.05
Septiembre 24 304 Sin arrastre. PH reactor=7.06
Septiembre 25 285 12.5 Kg. Sin arrastre. PH reactor=6.83
Septiembre 26 186 Sin arrastre. PH reactor=7.04
Septiembre 29 211 Sin arrastre. PH reactor=6.34
Septiembre 30 241 12.5 Kg. Sin arrastre. PH reactor=6.86
Octubre 1 247 Sin arrastre. PH reactor=6.5
Octubre 2 187 12.5 Kg. Sin arrastre. PH reactor=6.73
Octubre 6 155 Sin arrastre. PH reactor=6.72
Octubre 7 197 12.5 Kg. Sin arrastre. PH reactor=6.31
Octubre 8 182 Sin arrastre. PH reactor=6.36
Octubre 14 89 25 Kg. Sin arrastre. pH reactor=6.22
Octubre 15 86 Sin arrastre. pH reactor=6.57
Octubre 16 112 Sin arrastre. pH reactor=6.42
Octubre 20 106 Sin arrastre. pH reactor=6.58
Octubre 21 102 Sin arrastre. pH reactor=6.16
Octubre 22 112 Sin arrastre. pH reactor=6.29
Octubre 24 105 25 Kg. Sin arrastre. pH reactor=6.90
Octubre 27 127 Sin arrastre. pH reactor=6.77
Noviembre 4 100 Sin arrastre. pH reactor=6.25
Noviembre 5 100 Sin arrastre. pH reactor=6.20
Noviembre 6 100 12.5 Kg. Sin arrastre. pH reactor=6.55
Además de lo anterior las principales características del sistema bajo la operación de
adición de cal fueron:
• Alcalinidad promedio a la entrada: 128 mg/L
• Alcalinidad promedio a la salida/ sin adición de cal: 57 mg/L
• Alcalinidad promedio a la salida/ con adición de cal: 100 mg/L
• Remoción de la carga contaminante, la presentada en la tabla 9.10.
La adición de cal disminuyó notablemente la cantidad de organismos filamentosos en el
licor mixto (ver figura 9.3), y mejoró el funcionamiento de la planta.106
Figura 9.3 DISMINUCIÓN DE BACTERIAS FILAMENTOSAS
9.3.2 IVL
Como se mencionó anteriormente, el IVL mide la asentabilidad de los lodos, la cual es
variable con la concentración de los SSLM. Dado que cada planta es diferente, no se
puede hablar de un IVL óptimo, a pesar de esto se habla de valores mínimos
encontrados de 35 y de valores máximos de 150 (o 250).
Para el caso de la planta el Popal, aunque tampoco se puede hablar de un valor óptimo,
sí se puede hablar de un valor máximo permisible.
Este valor puede obtenerse de la gráfica 9.1, la cual representa el comportamiento del
IVL respecto a la concentración de SSLM. De allí se deduce un valor máximo de 190;
esto indica los valores dentro de los cuales debe mantenerse el IVL, (máximo 190 y
mínimo posible).107
Gráfica 9.2 VARIACION DEL IVL RESPECTO A LOS SSLM
Variación del IVL
250
200
Máximo IVL permisible
150 )l/gm(LVI
100
50
0
2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
concentración de lodos(mg/l)
En este sentido, el comportamiento de la planta ratificó los límites operacionales para el
IVL, debido a que para valores por debajo de 190, el funcionamiento fue óptimo en
todas las partes del proceso. Por el contrario, cuando se superó dicho valor, el
funcionamiento, sobre todo en el clarificador, se volvió deficiente y se produjo bulking.
Estas características en el IVL, corroboraron el juicio formulado para el problema de
bulking y permitió enfocar con más precisión el estudio descrito anteriormente. De ahí
que el IVL se constituya como un parámetro importante a la hora de prever problemas
operacionales.
9.3.3 Sólidos suspendidos en el licor mixto (SSLM)
El nivel de sólidos en el reactor puede tener influencia principalmente en dos aspectos:
1. Remoción de la carga contaminante.
2. Características del lodo de purga.
Por esto, se estableció un rango para los sólidos, en el cual se pudiesen evaluar estos
aspectos. El rango escogido fue de 3800 a 5000 mg/L, ya que representaba un nivel
característico para el sistema de lodos activos por aireación extendida.108
Las remociones de carga contaminante presentaron una eficiencia similar para los
diferentes niveles de SSLM (tablas 9.5, 9.6, 9.7, 9.8 y 9.9), por el contrario, las
características del lodo de purga presentaron variaciones para las diferentes
concentraciones, ver tabla 9.2. de ahí que el biosólido sea decisivo a la hora de escoger
el nivel de sólidos mas adecuado.
9.3.4 pH
El rango de pH, aunque puede ser modificado por adición de agentes químicos externos,
en la planta El Popal esto no se hace necesario debido a que los valores de pH han
permanecido estables entre los rangos recomendados para lodos activados, 6.5 y 8.0, y
además que el sistema se ha caracterizado por autorregular su pH.
9.3.5 Relación alimento-microorganismos, F/M
Dado que la relación F/M depende exclusivamente de los SSLM, debido a que en este
caso, tanto la DBO como el caudal, permanecen constantes, esta debe ser calculada con
5
la concentración de sólidos que proporcionó las mejores condiciones de proceso.
Para el caso de parámetros como edad de los lodos y relación de recirculación, se debe
trabajar con los datos proporcionados por el modelo matemático:
Modelo matemático
Parámetro 3800 SSLM 4800 SSLM
Relación de recirculación 0.91 1.5
Edad de los lodos, θ 20.81 d 20.81 d
C109
10. ANÁLISIS DE RESULTADOS
1. Las tablas 6.10 y 6.11 presentan las características físico-químicas tanto del afluente
de la planta El Popal, como las de otros afluentes de diferentes sectores, con
características similares a la de la comunidad del barrio la Sultana. Esta
comparación junto con el mapa del circuito de El Popal, revela que la procedencia
de los residuos líquidos generados por la comunidad en estudio, es doméstica
exclusivamente.
2. Dado la gran exactitud obtenida en el cálculo del caudal a tratar en la planta, a
través de la formula de Harman; se hace útil la aplicación de esta formula (Ecuación
6.1) a la hora de estimar el caudal generado por una población.
3. Los resultados de las caracterizaciones (anexo 4) realizadas al afluente de la planta,
permitieron establecer algunas relaciones importantes, que caracterizan la calidad
del agua a tratar:
- DBO/DQO = 0.56
- Relación DBO : N : P igual a 100 : 15 : 3.5
5
- DQO promedio = 461.08 mg/l
- DBO promedio = 280.86 mg/l
- Sólidos Suspendidos promedio = 185.66 mg/l
- Grasas y Aceites promedio = 90.96
- pH = 7.6
4. El proceso biológico llevado a cabo en la planta El Popal, se caracteriza por operar
en condiciones de inanición, requerir aireaciones prolongadas y producir lodos
altamente estabilizados. Característica propias del sistema de lodos activos por
aireación extendida.
5. La gráfica 7.1 presenta el comportamiento de los SSLM en el arranque. Como se
observa en esta gráfica hay dos fases marcadas, una de decrecimiento (fase I) y otra110
de crecimiento (fase II). Estas fases pueden ser comparables con las fases de
crecimiento bacteriano: Fase de retardo y fase de crecimiento logarítmico.
Las principales características de estas dos fases son : En la primera fase el
crecimiento es nulo y los microorganismos presentan aclimatación y en la segunda
fase hay crecimiento aproximadamente exponencial .
6. Dado que los sistemas de lodos activos contienen un gran numero de
microorganismos nitrificantes, los cuales consumen grandes cantidades de
alcalinidad, se puede esperar fluctuaciones en los valores del pH. Tal característica
se presenta en la gráfica 7.2, gráfica que presenta el comportamiento del pH en el
período del arranque.
Al igual que los SST el pH presenta dos fases marcadas. En la primera fase hay
disminución del pH, debido a que las reacciones de ácido – génesis prevalecen; y en
la segunda fase el comportamiento del pH es creciente, comportamiento que va
acompañado del inicio en la producción de sólidos en el reactor.
7. Para evitar el espumamiento y tener un período de arranque más corto, es preferible
iniciar la operación a partir de un inoculo, que esperar que el sistema produzca su
propia masa biológica.
8. La gráfica 7.5 presenta el comportamiento de la DQO del efluente durante el
arranque. Si se compara esta gráfica con la gráfica 7.1, se observa la relación que
existe entre los sólidos del reactor y la DQO del efluente: a medida que aumenta la
concentración de sólidos en el licor mixto (SSLM), la DQO a la salida disminuye; lo
cual sugiere que entre más actividad biológica haya más eficiente es el proceso,
característica propia del periodo del arranque.
9. Si se compara el nivel de sólidos del tanque de aireación con el nivel del retorno
(gráfica 7.3), se denota que a medida que crece la concentración de sólidos en el
tanque, crece la concentración en el retorno; de ahí que la relación entre los sólidos
del reactor y los sólidos del retorno sea directamente proporcional, en condiciones
normales de proceso.111
10. Los valores de los parámetros operacionales y de diseño de la planta El Popal, caen
dentro del rango de un sistema de lodos activos por aireación extendida, (ver tabla
3.1):
• Un valor de F/M de 0.06.
• Un θ de 51 días.
C
• Un td de 25 horas.
• Un α de 3.
• Una Cv de 0.2.
A pesar de esto, se presentan algunas diferencias (θ y α), las cuales pueden
C
ajustarse con cambios en el proceso como:
- Aumento del caudal
- Restricción de los retornos
- Aumento de la purga
11. A la hora de modelar un sistema de lodos activo, es de suma importancia considerar
los diferentes microorganismos, pues, de esta consideración depende en gran medida
los resultados obtenidos.
12. La tabla 8.1 presenta la comparación entre los resultados proporcionados por el
modelo matemático y los encontrados experimentalmente. Como allí se observa, los
datos obtenidos a través del modelo simulan con gran aproximación la realidad de la
operación de la planta, así como los criterios utilizados por el Ingeniero Juan B
Botero como diseñador, de ahí su gran utilidad. Las diferencias que se presentan se
justifican por el hecho de que la purga en la planta El Popal no es continua, el flujo
de retorno es alto y posiblemente las constantes cinéticas utilizadas para cada caso
sean diferentes.
13. El comportamiento de la planta El Popal, desde el punto de vista ambiental, está
sujeto al comportamiento de la rejilla, del desarenador, de las eras de secado y de su
propia eficiencia.
- La rejilla de entrada comparada con otros sistemas de tratamiento similares (Tabla
9.1) , retiene poca cantidad de residuos sólidos, alrededor de 16 Kilogramos al mes.112
Lo que induce bien baja eficiencia, bien un afluente con poca cantidad de residuos
sólidos. Por lo cual la rejilla puede estar sujeta a una optimización.
- El desarenador no representa un punto crítico, dado que la limpieza y por tanto
la disposición de los residuos retirados de él, dependen de agentes externos
(vactor). Las características de los lodos de purga (Tabla 9.4), favorecen la
disposición de estos como abono, ya que cumplen con la reglamentación de la
EPA para tal fin.
- La eficiencia de la planta (Tablas de la 9.5 a la 9.9) y por tanto las remociones
proporcionadas por los tratamientos llevados a cabo en ella, cumplen en todos
los casos con lo reglamentado en el Decreto 1594/84. Los niveles que presenta la
planta están de un 90 a un 95% de eficiencia.
14. Por las características desfavorables evidenciadas en el sistema de tratamiento
secundario, para concentraciones de oxígeno disuelto por encima de 5 mg/l y por
debajo de 1 mg/l; las mejores y mas adecuadas condiciones de proceso para el
oxigeno, se encuentran entre 2 y 4 mg/l. Con estas concentraciones se garantiza no
sólo una buena aireación en el reactor, sino también una agua ¨oxigenada¨ en el
clarificador secundario, lo que hace más eficiente el proceso de sedimentación. Por
fines económicos una concentración de oxigeno de 2 mg/l, es la mínima reducción a
la cual se puede llegar.
15. De las medidas correctivas (Cloro y Cal) para la eliminación de las bacterias
filamentosas, la que mejor funcionó fue la adición de cal, por los siguientes motivos:
- Los costos incurridos por la adición de cal son menores que en los que se
incurren por la adición de cloro.
- En solo ocho días se observaron mejoras en el sistema. El IVL bajo, la
concentración de sólidos en el retorno aumentó y el bulking desapareció.
- Se corren menos riesgos de eliminar la actividad biológica.
- La eliminación de bacterias filamentosas es mayor, ver figura 10.1113
a b
c
Figura 10.1 COMPORTAMIENTO DE LAS BACTERIAS FILAMENTOSAS: a) Sin
adición de químicos. b) Con adición de cloro. c) Con adición de cal
16. La gráfica 9.1 muestra el comportamiento del IVL respecto a la adición de cloro y
cal. Como se observa en esta gráfica el comportamiento con la adición de cloro es
desfavorable ya que el IVL aumento, mientras que con la adición de cal el IVL
disminuyó. Aspecto este último que ratifica lo formulado en el análisis anterior.
17. Por la gráfica 9.2 se observa que para el caso d e la planta El Popal, el máximo valor
permisible para el IVL es 190. Valores superiores pueden traer consigo problemas
de asentabilidad de los lodos en el clarificador.
18. Las mejores condiciones de proceso en cuanto a los SSLM se refiere, se alcanza
para niveles cercanos a 5000 p.p.m. Dado que así se garantiza que el reactor
permanezca en condiciones de inanición y por lo tanto se puedan obtener lodos
altamente estabilizados.114
19. Desde el punto de vista de las adecuadas condiciones ambientales de los
microorganismos, es preferible contar con un pH en el tanque de aireación cercano o
superior a 7. Con lo cual se garantiza que los organismos superiores como los
rotíferos, gobiernen el proceso.115
11. CONCLUSIONES
1. El origen del agua afluente a la planta El Popal es meramente residual doméstica y
el alcantarillado es combinado.
2. Por las características físicas de la planta, las del proceso y las operacionales, se
puede clasificar el tratamiento biológico llevado a cabo en la planta El Popal, como
modificación del sistema convencional de lodos activados, que puede ser llamada de
Aireación Extendida.
3. El arranque a partir de un inóculo permite alcanzar con mayor rapidez las
condiciones de estado estable. Lo cual hace que el sistema sea menos vulnerable a
cambios en el proceso.
4. El sistema de lodos activos por sí mismo, alcanza condiciones adecuadas de proceso
en cortos periodos de tiempo.
5. Los datos proporcionados por el modelo representan un buen acercamiento a la
realidad de la operación de la planta. De ahí que se constituya como una herramienta
válida a la hora de proveer y requerir cambios en el proceso.
6. El sistema de tratamiento llevado a cabo en la planta El Popal, representa una buena
alternativa para la depuración de las aguas residuales, ya que es un sistema robusto,
lo que permite soportar cargas variables, que pueden ir desde valores muy bajos de
DQO hasta valores muy altos (2000 ppm); además, se caracteriza por una alta
remoción de la carga contaminante.
7. Por las características en el funcionamiento, es necesario garantizar un nivel de
oxígeno en el tanque de aireación mínimo de 2 ppm y máximo de 4 ppm.
8. El máximo IVL permitido en la planta es de 190. Después del cual pueden
presentarse problemas de baja asentabilidad.116
9. El estudio microbiológico se constituye como un análisis importante a la hora de
prevenir y determinar problemas operacionales.
10. El nivel de sólidos en el reactor debe mantenerse alrededor de 5000 mg/L con el
propósito de proveer condiciones de inanición en el tanque de aireación, con las
cuales pueda obtenerse un lodo de purga altamente estabilizado.
11. Las remociones de carga contaminante que presenta la planta, cumplen con lo
exigido en el Decreto 1594/84 y en todos los casos superan lo establecido en dicha
ley. Lo que evalúa favorablemente la tecnología de la planta El Popal.
12. La rejilla, el desarenador y los lechos de secado, presentan un aceptable
comportamiento ambiental.
13. El sistema de lodos activados comparado con otros sistemas aerobios presenta una
alta producción de biomasa, tiene poca capacidad de reducción en la aireación y
requiere una alta atención por parte del operador.117
12. SUGERENCIAS
1. Los análisis más importantes a la hora de ejercer el control sobre los diferentes
procesos de la planta, la frecuencia y la forma de realizarlos se presenta en la tabla
12.1. Los principales aspectos que se deben tener en cuenta para estos análisis son:
• El oxígeno disuelto debe tomarse en diferentes puntos, con el propósito de
identificar zonas muertas o de deficiente aireación.
• Los sólidos suspendidos del licor mixto (SSLM) deben analizarse
preferiblemente a partir de una muestra compuesta tomada a lo largo y ancho del
reactor, (lejos de los retornos y de los desnatadores). Además, las muestras se
deben tomar 15 minutos después de encendida la planta.
• Tanto el IVL como el pH deben medirse de la misma muestra compuesta
recopilada para el análisis de los SSLM.
2. Con el propósito de evaluar el funcionamiento de la planta en lo referente a la
remoción, se recomiendan los análisis presentados en la tabla 12.2 ya que son los
parámetros que exige el decreto 1594 de 1984, en el artículo 72. Algunas
consideraciones al respecto:
• La remoción para cada uno de los constituyentes puede calcularse por medio de
la siguiente ecuación:
C −C
Ecuación 12.1
% R = o ×100
C
o
Donde: Co = Concentración del constituyente a la entrada.
C = Concentración del constituyente a la salida.118
• Los análisis que se sugieren realizar deben basarse en muestras compuestas
de mínimo 8 horas, tanto para el afluente como para el efluente. También, se
debe tener en cuenta el tiempo de retención hidráulica de la planta (td).119
Tabla 12.1 SUGERENCIAS PARA EL CONTROL DE LA PLANTA
Frecuencia Punto
Análisis Método
Diaria Semanal Afluente Reactor Retorno Clarificador Efluente
Preferiblemente
Oxígeno Disuelto X X X X
por electrodo
pH X X X X X Potenciometro
Filtración y secada
SSLM X X X
a 110°C
Prueba de
IVL* X X
asentabilidad
*El IVL puede calcularse a partir de la ecuación 7.2.120
Tabla 12.2 SUGERENCIAS PARA EL CONTROL DE LA REMOCIÓN DE LA PLANTA
Frecuencia Punto
Análisis Método
15 días 30 días Afluente Efluente
DQO X X X Termoreactor – Titulación
DBO X X X Incubación
Sólidos Sedimentables X X X Cono Imhoff
Sólidos Suspendidos X X X Filtración y secado a 110°C
Grasas y Aceites X X X Extracción con hexano
pH y Temperatura X X X Sonda multiparamétrica121
3. Para garantizar el buen funcionamiento de la planta, es importante llevar un record
de las variables de Oxígeno Disuelto, pH, IVL y SSLM, medidas en el tanque de
aireación.
4. Los principales límites operacionales para las variables mencionadas en el punto
anterior, son:
• Oxígeno Disuelto: Entre 2 y 4 mg/L, en el reactor; y de 1 mg/L en el
clarificador.
• pH: Entre 6.5 y 8.0
• IVL: Para el caso de la planta El Popal, el máximo valor del IVL debe ser
190 (Ver gráfica 9.1).
• SSLM: El nivel óptimo en el cual debe permanecer la planta es 4800 mg/L.
Además se debe garantizar:
• Una relación de recirculación α, de máximo 1.5 y de mínimo 0.75.
• Una relación F/M, de mínimo 0.05 y máximo de 0.15.
• Un valor de remoción mínimo del 80%.
5. Dadas las características del biosólido obtenido en la operación, tras el secado del
lodo de purga, (ver tabla 9.4), es aceptable hacerle una disposición en el suelo. Aun
así es imprescindible realizar estudios mas de fondo que puedan en un futuro
manejar cantidades mucho mas representativas que las manejadas actualmente.
6. La adición de sulfato de aluminio en las eras de secado, se hace innecesaria pues
esta no mejora representativamente la filtración y por el contrario ayuda a la
generación de olores. Por otro lado la adición de cal depende exclusivamente de lo
estable o inestable que esté el lodo de purga.
7. Dado que la cantidad de material retenido en la rejilla de entrada es bajo (Tabla 9.1),
lo que sugiere que el agua afluente a la planta El Popal tiene bajo contenido de
sólido gruesos, a pesar que el alcantarillado es combinado; cabe la posibilidad de122
reducir el espaciamiento de las barras. Así la rejilla de entrada sería mucho más fina
y los procesos posteriores a ella, se verían altamente beneficiados.
8. Puesto que el sistema biológico de planta El Popal es nitrificante, es recomendable
mantener el pH por encima de 7 y preferiblemente de 7 a 8.
9. Se debe garantizar una alcalinidad en el efluente de 50 mg/l si la planta autorregula
su pH. Si el control del pH dentro de los rangos sugeridos en el punto anterior, se
realiza de forma manual (adición de químicos), se debe garantizar una alcalinidad de
100 mg/l en el efluente.
10. Algunas soluciones a problemas comunes evidenciados en los procesos llevados a
cabo en la planta se presentan en la tabla 12.3, así como las posibles causas.123
Tabla 12.3 SUGERENCIAS PARA LA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS
Observaciones Causa probable Revisar Soluciones
Indice volumétrico de lodos. Si el
IVL es superior a 190, los • Aumentar el oxígeno disuelto
organismos filamentosos pueden en el tanque de aireación, si es
ser la causa. Analizar al menor de 1 mg/L.
microscopio para determinar la • Agregar 1lb cloro/1–10lb
presencia de estos organismos. SSVLM en las líneas de
retorno hasta que el IVL sea
Organismos filamentosos
menor de 190. Puede
predominando en el licor mixto
empezarse con una dosis alta
Lodos flotando en la superficie
(60 mg/L) y luego dosis
(bulking)
Concentración de lodos en el
del clarificador y saliendo menores y consecutivas hasta
retorno, si es menor de 8000
que el IVL disminuya.
uniformemente por el vertedero. mg/L, posiblemente proliferación
• Adicionar cal hidratada al
de organismos filamentosos.
tanque de aireación para elevar
el pH por encima de 7.
• Analizar al microscopio
Revisar el tiempo de retención de • Aumentar la tasa de retorno de
Desnitrificación ocurriendo en el
los lodos en el clarificador; si es lodos.
clarificador secundario (1) muy alto posiblemente esta es la • Aumentar el oxígeno disuelto
causa en el tanque de aireación.124
• Disminuir el tiempo de
Oxígeno disuelto en el tanque de
aireación.
Altos niveles de oxígeno, lo que
aireación, si éste es mayor de 5
• Adicionar cloro por aspersión
mg/L, esta puede ser la causa.
puede producir bacterias
en la superficie del tanque.
Espuma color café esponjosa Analizar al microscopio para
filamentosas • Si es posible, retirar la capa de
determinar la presencia de
sobre el tanque de aireación espuma mientras se aplican las
organismos filamentosos
anteriores soluciones.
Tiempo de detención de lodos • Aumentar los lodos de
Si el tiempo de detención es muy
desecho para disminuir los
muy largo (1) alto, esta puede ser la causa.
tiempos de detención celular.
• Aumentar la tasa de
Caudal de retorno de lodos muy
Capa de lodos flotando en la Relación de recirculación. recirculación. Abrir los
bajo.
desnatadores.
superficie del clarificador
Tubería de retorno de lodos • Limpiar la tubería de retorno.
Tubería de retorno de lodos.
obstruida. Abrir los desnatadores.
Espumas blancas y esponjosas en
Concentración de los SSLM muy • Aumentar la concentración de
Concentración de SSLM.
el tanque de aireación. baja. SSLM
Reacciones de acido-genesis por Nivel de sólidos en el tanque de • Esperar un tiempo prudencial
algún cambio en las condiciones aireación y la concentración de hasta que el sistema regule su
del proceso. oxígeno disuelto. pH.
• Disminuir la edad de los lodos
Disminución del pH en el tanque
aumentando los lodos de
de aireación a 6.5 o menos. Presencia de nitrificación y Nitrógeno amoniacal en el desecho si la nitrificación no
alcalinidad de las aguas residuales efluente y la alcalinidad en el es requerida.
muy baja (1) afluente y efluente. • Agregar algo de alcalinidad
(cal, bicarbonato de sodio), en
el tanque de aireación.125
Desechos sépticos con grasas y
Lodos en el fondo del desarenador
burbujas de gas levantándose en la
Fondo del desarenador. • Lavar la cámara desarenadora.
cámara desarenadora. Olor
Formación de H S
2
penetrante.
• Aumentar la concentración de
Malos olores en las eras de
sólidos en el reactor
Lodos inestables Revisar edad de los lodos, θ
secado. Presencia de moscas. C • Adicionar cal en los lechos de
secado.
Lodo no percola en las eras de Tubería de conducción de • Reemplazar la arena.
Tubería colmatada. Lecho
lixiviados, capa de arena y • Lavar la grava y la tubería de
secado colmatado.
granulometría. drenaje.
Generalmente una capa de lodo de • Después que el lodo seco se
Excesivo tiempo de Capa de lodos muy gruesa
30 cm de espesor es aceptable. retira, se deben remover las
deshidratación Lodo aplicado sobre un lecho que arenas sucias, reemplazarlas y
Estado del lecho vacío.
no fue limpiado correctamente. nivelar el lecho.126127
13. BIBLIOGRAFÍA
1. www.google.com /tratamiento biológico de aguas residuales
2. BASE DE DATOS, Aguas de Manizales S.A E.S.P
3. CRITES & TCHONOBANOGLOUS
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reutilización. Editorial Mc Graw Hill. México, 1996.
2. CURSO DE BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL,VIII Congreso
Latinoamericano de Estudiantes de Ingeniería Química. Universidad Católica de
Valparaíso, Chile 2002.
3. ORTIZ ARCE, Jesús Mario. Sistemas de biomasa en suspensión para el
tratamiento de aguas residuales. Universidad Nacional de Colombia,
Manizales, 1998.
4. BONTOUX, Laurent. VEGA, Miguel. PAPAMELETIOU, Demóstenes.
Tratamiento de las aguas residuales urbanas en Europa: el problema de los
lodos.
5. APHA. AWWA. WCPF. Standar Methods for the examination of water and
wastewater. 15th Edition. Joint Editorial Board.
6. MONTOYA, Juan Antonio. Diseño de Planta de Lodos Activados. Universidad
Nacional de Colombia, Manizales, 1995.128
7. DECRETO 1594 DE 1984.129
14. ANEXOS
A.1 Comportamiento de la antigua planta El Popal 125
A.2 Planos de la planta de tratamiento de aguas residuales urbanas El Popal 128
A.3 Mapa de la zona de influencia de la planta de tratamiento El Popal 129
A.4 Valores y gráficas de los muestreos de 24 horas para cada uno de los días. 130
A.5 Cálculo de los promedios aritméticos y de la concentración media integrada 140
A.6 Estudio microbiológico del Inóculo del licor mixto de la Planta El Popal 149
A.7 Modelo matemático 152
A.8 Legislación colombiana sobre residuos líquidos: Decreto 1594/84. 158
A.9 Estudio microbiológico del licor mixto de la Planta El Popal y
el Atlas de microorganismos filamentosos 161
A.10 Estudio fotográfico de la planta de tratamiento de aguas residuales El Popal 162130
ANEXO 1
COMPORTAMIENTO DE LA ANTIGUA PLANTA EL POPAL
OPERADA EN EL AÑO 1993-94131132133
ANEXO 2
PLANOS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES URBANAS EL POPAL134
ANEXO 3
MAPA DE LA ZONA DE INFLUENCIA DE LA PLANTA DE
TRATAMIENTO EL POPAL135
ANEXO 4
VALORES Y GRÁFICAS DE LOS MUESTREOS DE 24 HORAS PARA
CADA UNO DE LOS DÍAS.136
Tabla A-4.1
MARCHA AFLUENTE POPAL, LUNES 14 DE JULIO/2003
Caudal DQO DBO SST Relación
Hora
gpm mg/L mg/L mg/L DQO/DBO
07:30 50 732,0 464 320 1,58
08:30 40 747,0 408 325 1,83
09:30 20 910,0 396 350 2,30
10:30 60 799,0 312 330 2,56
11:30 30 768,0 404 275 1,90
12:30 40 640,0 222 250 2,88
13:30 40 542,0 280 167 1,94
14:30 40 935,0 456 367 2,05
15:30 40 595,0 296 253 2,01
16:30 35 356,0 240 190 1,48
17:30 35 456,0 220 265 2,07
18:30 40 540,0 436 280 1,24
19:30 40 376,0 282 225 1,33
20:30 35 636,0 186 240 3,42
21:30 35 220,0 166 130 1,33
22:30 30 279,1 156 190 1,79
23:30 20 248,1 238 145 1,04
00:30 20 15,5 92 37 1,50
01:30 20 69,8 116 46 2,30
02:30 20 31,0 106 74 1,50
03:30 20 674,4 402 268 1,68
04:30 20 116,3 148 63 1,50
05:30 30 282,0 204 190 1,38
06:30 50 702 432 330 1,63
Promedio 33,8 486,3 277,6 221,2 1,84137
Tabla A-4.2
MARCHA AFLUENTE POPAL, MARTES 11 DE MARZO/2003
Caudal DQO DBO SST Relación
Hora
gpm mg/L mg/L mg/L DQO/DBO
07:00 20 785,7 508 310 1,55
08:00 60 523,8 386 223 1,36
09:00 30 906,7 472 293 1,92
10:00 40 945,7 468 317 2,02
11:00 40 640,9 288 227 2,23
12:00 40 601,8 330 298 1,82
13:00 35 687,8 308 243 2,23
14:00 40 211,0 220 188 1,50
15:00 35 507,9 246 168 2,06
16:00 40 603,1 232 200 2,60
17:00 35 301,6 222 178 1,36
18:00 35 650,8 436 305 1,49
19:00 30 523,8 272 122 1,93
20:00 40 325,4 238 263 1,37
21:00 35 285,7 250 270 1,14
22:00 35 436,5 256 253 1,71
23:00 30 190,5 114 125 1,67
00:00 25 166,7 206 114 1,50
01:00 20 15,9 88 34 1,39
02:00 20 63,5 102 17 1,50
03:00 20 79,4 94 34 1,50
04:00 25 31,7 34 17 1,40
05:00 35 579,3 420 268 1,38
06:00 10 952,32 686 463 1,39
Promedio 32,3 459,1 286,5 205,2 1,67138
Tabla A-4.3
MARCHA AFLUENTE POPAL, MIÉRCOLES 5 DE MARZO/2003
Caudal DQO DBO SST Relación
Hora
gpm mg/L mg/L mg/L DQO/DBO
07:30 35 704,0 424 316 1,66
08:30 35 552,0 506 238 1,09
09:30 20 880,0 384 355 2,29
10:30 35 680,0 466 260 1,46
11:30 35 688,0 392 273 1,76
12:30 30 579,3 454 190 1,28
13:30 35 690,4 558 273 1,24
14:30 35 817,4 704 327 1,16
15:30 35 571,4 524 263 1,09
16:30 40 444,4 422 157 1,05
17:30 35 444,4 400 213 1,11
18:30 35 507,9 466 273 1,09
19:30 30 650,8 244 253 2,67
20:30 40 571,4 292 270 1,96
21:30 35 365,1 202 163 1,81
22:30 35 349,2 198 158 1,76
23:30 30 261,9 148 126 1,77
00:30 25 111,1 100 44 1,11
01:30 20 79,4 26 32 3,05
02:30 20 87,3 79 25 1,11
03:30 20 31,7 29 29 1,09
04:30 25 127,0 114 64 1,11
05:30 35 619,0 214 233 2,89
06:30 10 698,4 434 225 1,61
Promedio 30.4 479,6 324,2 198,2 1,59139
Tabla A-4.4
MARCHA AFLUENTE POPAL, JUEVES 27 DE MARZO/2003
Caudal DQO DBO SST Relación
Hora
gpm mg/L mg/L mg/L DQO/DBO
07:30 40 702,7 439 270,0 1,60
08:30 45 726,1 454 207,5 1,60
09:30 60 679,3 424 27,0 1,60
10:30 50 671,5 408 206,7 1,65
11:30 35 476,3 298 184,0 1,60
12:30 35 577,8 361 174,0 1,60
13:30 35 702,7 548 297,5 1,28
14:30 40 390,4 374 150,0 1,04
15:30 50 93,7 59 56,3 1,60
16:30 40 288,9 181 126,0 1,60
17:30 35 437,2 256 118,0 1,71
18:30 35 687,1 218 162,5 3,15
19:30 35 406,0 208 122,0 1,95
20:30 30 273,3 112 102,0 2,44
21:30 40 335,7 180 120,0 1,87
22:30 30 398,2 208 140,0 1,91
23:30 20 210,8 96 112,5 2,20
00:30 25 101,5 80 25,3 1,27
01:30 20 156,2 72 16,5 2,17
02:30 20 491,9 404 82,0 1,22
03:30 20 101,5 52 27,3 1,95
04:30 25 210,8 104 82,9 2,03
05:30 35 327,9 240 154,0 1,37
06:30 10 570,0 334 255,0 1,71
Promedio 33,8 417,4 254,6 134,1 1,75140
Tabla A-4.5
MARCHA AFLUENTE POPAL, VIERNES 28 DE MARZO/2003
Caudal DQO DBO SST Relación
Hora
gpm mg/L mg/L mg/L DQO/DBO
07:30 45 780,8 470 260,0 1,66
08:30 40 788,6 348 273,3 2,27
09:30 40 690 386 316,7 1,79
10:30 30 702,7 214 240,0 3,28
11:30 40 609,0 200 203,3 3,05
12:30 30 749,6 330 246,7 2,27
13:30 20 679,3 264 253,3 2,57
14:30 35 702,7 406 226,7 1,73
15:30 35 687,1 148 236,7 4,64
16:30 40 499,7 90 200,0 5,55
17:30 35 210,8 74 150,0 2,85
18:30 35 445,1 286 206,0 1,56
19:30 30 413,8 222 122,0 1,86
20:30 40 385,0 282 112,0 1,37
21:30 35 476,3 288 174,0 1,65
22:30 35 249,9 242 113,3 1,03
23:30 20 390,4 82 138,3 4,76
00:30 20 220,0 42 35,5 5,24
01:30 20 112,0 16 11,5 7,00
02:30 20 70,3 53 32,5 1,33
03:30 20 124,9 84 76,3 1,49
04:30 25 226,4 102 68,8 2,22
05:30 35 273,3 102 116,0 2,68
06:30 50 624,6 170 257,5 3,67
Promedio 32,3 463,0 204,2 169,6 2,81141
Tabla A-4.6
GRASAS
Hora Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes
10:30 am 138,2 102,8 131 177,14 75,7
3:30 pm - 98,7 97,6 43 130,3
10:30 pm 7,7 45,4 30,71 - -142
Gráfica A- 4.1
VARIACIÓN DE LOS SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES
Variación de la SST durante el día
500
450
400
350
)L/gm(
300
250
TSS
200
150
100
50
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Hora
Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes143
Gráfica A- 4.2
VARIACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO
Variación de la DBO durante el día
800
700
600
)L/gm(
500
400
OBD
300
200
100
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Hora
Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes144
Gráfica A- 4.3
VARIACIÓN DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO
Variación de la DQO durante el día
000,0
900,0
800,0
700,0
600,0
500,0
400,0
00,0
200,0
00,0
0,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Hora
Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes145
ANEXO 5
CÁLCULO DE LOS PROMEDIOS ARITMÉTICOS Y DE LA
CONCENTRACIÓN MEDIA INTEGRADA146
El conocimiento de los caudales esperados, así como también de las concentraciones, es
de fundamental importancia en el diseño y operación de las unidades destinadas al
tratamiento de aguas residuales.
El método utilizado para analizar los datos obtenidos en las caracterizaciones realizadas
al agua residual urbana que ingresa al Popal, es el método de la concentración media
integrada3. En lo posible, la concentración media integrada debe ser usada porque
representa la condición actual del agua residual a tratar.
El desarrollo del método se presenta a continuación:
1. Calcular para cada período de tiempo, la DBO promedio, los SST promedio, la
DQO promedio y el caudal promedio. Por ejemplo, el valor de la DQO promedio
correspondiente al primer intervalo de tiempo (12 a 1 a.m.), del día lunes es:
Valor inicial del intervalo = 15.5 (12 a.m.)
Valor final del intervalo = 69.8 (1 a.m.)
DQO promedio para el intervalo:
(15.5 + 69.8)/2
DQO = 42.7 (columna 1, tabla A-5.1)
2. Para cada intervalo de tiempo, multiplicar el valor promedio de DBO, de SST y de
DQO, por el caudal promedio en el mismo intervalo. Por ejemplo:
Caudal promedio en el intervalo 12 a 1 a.m. = 1.26 L/s
DQO x caudal = 42.7 x 1.26 = 53.7 (columna 5, tabla A-5.1)
3. Realizar la sumatoria de cada uno de los constituyentes (columnas 1-7, tabla A-5.1).
4. Calcular el promedio aritmético para las columnas 1 a 4.
5. Para calcular la concentración media integrada, se utiliza la siguiente fórmula:
ΣC
C = i
W
ΣQ147
Por ejemplo, la concentración media integrada de la DQO, será igual a la sumatoria de
la columna 5, dividido por la sumatoria de la columna 4, así:
27319.8
C =
W
51.03
C = 535,4.
W
Las tablas mostradas a continuación presentan los datos obtenidos de concentración
media aritmética y de concentración media integrada, para cada una de los parámetros
analizados los cinco días.148
TABLAS A- 5
PROMEDIO ARITMÉTICO Y CONCENTRACIÓN MEDIA INTEGRADA
Tabla A- 5.1
LUNES
(4)
(1) (2) (3)
Intervalo Caudal (5) (6) (7)
DQO DBO SST
de tiempo (Q) DQO x Q DBO x Q SST x Q
mg/L mg/L mg/L
L/s
12-1 am 42,7 20,3 41,5 1,26 53,7 25,6 52,3
1-2 am 50,4 25,5 60,0 1,26 63,5 32,1 75,6
2-3 am 352,7 211,4 171,0 1,26 444,4 266,3 215,5
3-4 am 395,4 239,8 165,4 1,26 498,1 302,1 208,3
4-5 am 199,2 140,8 126,4 1,58 313,7 221,7 199,0
5-6 am 492,0 318,0 260,0 2,52 1239,8 801,4 655,2
6-7 am 717,0 448,0 325,0 3,15 2258,6 1411,2 1023,8
7-8 am 739,5 436,0 322,5 2,84 2096,5 1236,1 914,3
8-9 am 828,5 402,0 337,5 1,89 1565,9 759,8 637,9
9-10 am 854,5 354,0 340,0 2,52 2153,3 892,1 856,8
10-11 am 783,5 358,0 302,5 2,84 2221,2 1014,9 857,6
11-12 am 704,0 313,0 262,5 2,21 1552,3 690,2 578,8
12-1 pm 591,0 251,0 208,4 2,52 1489,3 632,5 525,0
1-2 pm 738,5 368,0 266,7 2,52 1861,0 927,4 672,1
2-3 pm 765,0 376,0 310,0 2,52 1927,8 947,5 781,2
3-4 pm 475,5 268,0 221,7 2,36 1123,4 633,2 523,6
4-5 pm 406,0 230,0 227,5 2,21 895,2 507,2 501,6
5-6 pm 498,0 328,0 272,5 2,36 1176,5 774,9 643,8
6-7 pm 458,0 359,0 252,5 2,52 1154,2 904,7 636,3
7-8 pm 506,0 234,0 232,5 2,36 1195,4 552,8 549,3
8-9 pm 428,0 176,0 185,0 2,21 943,7 388,1 407,9
9-10 pm 249,6 161,0 160,0 2,05 511,0 329,6 327,6
10-11 pm 263,6 197,0 167,5 1,58 415,2 310,3 263,8
11-12 pm 131,8 124,2 91,0 1,26 166,1 156,4 114,7
Σ 11670,2 6338,8 5309,4 51,03 27319,8 14717,9 12222,0
Valor
486,3 264,1 221,2 2,13
Promedio
Concentración media integrada
535,4 288,4 239,5149
Tabla A- 5.2
MARTES
(4)
(1) (2) (3)
Intervalo Caudal (5) (6) (7)
DQO DBO SST
de tiempo (Q) DQO x Q DBO x Q SST x Q
mg/L mg/L mg/L
L/s
12-1 am 91,3 61,2 74,1 1,42 129,4 86,8 105,0
1-2 am 39,7 26,9 25,5 1,26 50,0 33,8 32,2
2-3 am 71,4 47,6 25,5 1,26 90,0 60,0 32,2
3-4 am 55,6 37,8 25,5 1,42 78,7 53,5 36,1
4-5 am 305,5 221,3 142,0 1,89 577,5 418,3 268,4
5-6 am 765,8 553,0 365,4 1,42 1085,6 783,9 518,0
6-7 am 869,0 597,0 386,7 0,95 821,2 564,2 365,4
7-8 am 654,7 447,0 266,7 2,52 1649,9 1126,4 672,0
8-9 am 715,2 429,0 258,3 2,84 2027,6 1216,2 732,3
9-10 am 926,2 470,0 305,0 2,21 2042,3 1036,4 672,5
10-11 am 793,3 378,0 271,7 2,52 1999,2 952,6 684,6
11-12 am 621,4 309,0 262,1 2,52 1565,9 778,7 660,5
12-1 pm 644,8 319,0 270,0 2,36 1523,4 753,6 637,9
1-2 pm 449,4 224,4 215,0 2,36 1061,8 530,0 507,9
2-3 pm 359,5 193,4 177,5 2,36 849,2 456,8 419,3
3-4 pm 555,5 239,0 183,8 2,36 1312,4 564,6 434,1
4-5 pm 452,4 227,0 188,8 2,36 1068,7 536,3 445,9
5-6 pm 476,2 329,0 241,3 2,21 1049,9 725,4 532,0
6-7 pm 587,3 354,0 213,5 2,05 1202,4 724,8 437,1
7-8 pm 424,6 255,0 192,3 2,21 936,2 562,3 423,9
8-9 pm 305,5 244,0 266,3 2,36 721,8 576,5 629,0
9-10 pm 361,1 253,0 261,3 2,21 796,2 557,9 576,1
10-11 pm 313,5 185,0 188,8 2,05 641,8 378,8 386,5
11-12 pm 178,6 112,5 119,4 1,73 309,4 194,9 206,8
Σ 11017,3 6512,9 4926,0 48,83 23590,4 13672,5 10415,5
Valor
459,1 271,4 205,2 2,03
Promedio
Concentración media integrada
483,2 280,0 213,3150
Tabla A- 5.3
MIÉRCOLES
(4)
(1) (2) (3)
Intervalo Caudal (5) (6) (7)
DQO DBO SST
de tiempo (Q) DQO x Q DBO x Q SST x Q
mg/L mg/L mg/L
L/s
12-1 am 95,2 63,0 38,0 1,42 135,0 89,3 53,9
1-2 am 83,3 52,5 28,7 1,26 105,0 66,2 36,1
2-3 am 59,5 54,0 26,9 1,26 75,0 68,0 33,9
3-4 am 79,4 71,5 46,3 1,42 112,5 101,4 65,6
4-5 am 373,0 164,0 148,3 1,89 705,0 310,0 280,2
5-6 am 658,7 324,0 228,8 1,42 933,7 459,3 324,3
6-7 am 701,2 429,0 270,5 1,42 993,9 608,1 383,4
7-8 am 628,0 465,0 276,8 2,21 1384,7 1025,3 610,2
8-9 am 716,0 445,0 296,3 1,73 1240,5 771,0 513,3
9-10 am 780,0 425,0 307,5 1,73 1351,4 736,3 532,7
10-11 am 684,0 429,0 266,7 2,21 1508,2 945,9 588,0
11-12 am 633,7 423,0 231,7 2,05 1297,4 866,1 474,3
12-1 pm 634,9 506,0 231,7 2,05 1299,9 1036,0 474,3
1-2 pm 753,9 631,0 300,0 2,21 1662,4 1391,4 661,5
2-3 pm 694,4 614,0 294,8 2,21 1531,1 1353,9 650,1
3-4 pm 507,9 473,0 209,8 2,36 1199,9 1117,5 495,7
4-5 pm 444,4 411,0 184,6 2,36 1049,9 971,0 436,1
5-6 pm 476,2 433,0 242,5 2,21 1049,9 954,8 534,7
6-7 pm 579,3 355,0 262,5 2,05 1186,2 726,9 537,5
7-8 pm 611,1 268,0 261,3 2,21 1347,4 590,9 576,1
8-9 pm 468,2 247,0 216,3 2,36 1106,2 583,5 510,9
9-10 pm 357,1 200,0 160,0 2,21 787,4 441,0 352,8
10-11 pm 305,5 173,0 141,8 2,05 625,6 354,2 290,2
11-12 pm 186,5 124,0 85,0 1,73 323,1 214,8 147,3
Σ 11511,4 7780,0 4756,3 45,99 23011,4 15782,7 9563,0
Valor
479,6 324,2 198,2 1,92
Promedio
Concentración media integrada
500,4 343,2 207,9151
Tabla A- 5.4
JUEVES
(4)
(1) (2) (3)
Intervalo Caudal (5) (6) (7)
DQO DBO SST
de tiempo (Q) DQO x Q DBO x Q SST x Q
mg/L mg/L mg/L
L/s
12-1 am 128,8 76,0 20,9 1,42 182,6 107,7 29,6
1-2 am 324,0 238,0 49,3 1,26 408,3 299,9 62,1
2-3 am 296,7 228,0 54,7 1,26 373,8 287,3 68,9
3-4 am 156,2 78,0 55,1 1,42 221,4 110,6 78,1
4-5 am 269,4 172,0 118,4 1,89 509,1 325,1 223,8
5-6 am 449,0 287,0 204,5 1,42 636,4 406,8 289,9
6-7 am 636,4 386,6 262,5 1,58 1002,3 608,9 413,4
7-8 am 714,4 446,5 238,8 2,68 1912,9 1195,5 639,3
8-9 am 702,7 439,0 117,3 3,31 2324,2 1452,1 387,8
9-10 am 675,4 416,1 116,8 3,47 2340,2 1441,9 404,8
10-11 am 573,9 352,8 195,3 2,68 1536,6 944,7 523,0
11-12 am 527,0 329,4 179,0 2,21 1162,1 726,3 394,7
12-1 pm 640,3 454,6 235,8 2,21 1411,8 1002,3 519,8
1-2 pm 546,6 461,0 223,8 2,36 1291,2 1089,1 528,6
2-3 pm 242,0 216,3 103,1 2,84 686,2 613,2 292,4
3-4 pm 191,3 119,6 91,1 2,84 542,3 339,0 258,3
4-5 pm 363,1 218,3 122,0 2,36 857,8 515,7 288,2
5-6 pm 562,2 237,0 140,3 2,21 1239,6 522,6 309,3
6-7 pm 546,6 213,0 142,3 2,21 1205,2 469,7 313,7
7-8 pm 339,6 160,0 112,0 2,05 695,4 327,6 229,3
8-9 pm 304,5 146,0 111,0 2,21 671,4 321,9 244,8
9-10 pm 367,0 194,0 130,0 2,21 809,2 427,8 286,7
10-11 pm 304,5 152,0 126,3 1,58 479,6 239,4 198,8
11-12 pm 156,2 88,0 68,9 1,42 221,4 124,7 97,7
Σ 10017,7 6109,2 3218,9 51,03 22721,0 13899,8 7082,9
Valor
417,4 254,6 134,1 2,13
Promedio
Concentración media integrada
445,2 272,4 138,8152
Tabla A- 5.5
VIERNES
(4)
(1) (2) (3)
Intervalo Caudal (5) (6) (7)
DQO DBO SST
de tiempo (Q) DQO x Q DBO x Q SST x Q
mg/L mg/L mg/L
L/s
12-1 am 166,0 29,0 23,5 1,26 209,2 36,5 29,6
1-2 am 91,1 34,5 22,0 1,26 114,8 43,5 27,7
2-3 am 97,6 68,5 54,4 1,26 123,0 86,3 68,5
3-4 am 175,7 93,0 72,5 1,42 249,0 131,8 102,8
4-5 am 249,9 102,0 92,4 1,89 472,2 192,8 174,6
5-6 am 449,0 136,0 186,8 2,68 1202,1 364,1 500,0
6-7 am 702,7 320,0 258,8 2,99 2102,9 957,6 774,3
7-8 am 784,7 409,0 266,7 2,68 2101,0 1095,1 714,0
8-9 am 739,3 367,0 295,0 2,52 1863,0 924,8 743,3
9-10 am 696,4 300,0 278,3 2,21 1535,5 661,5 613,7
10-11 am 655,9 207,0 221,7 2,21 1446,2 456,4 488,8
11-12 am 679,3 265,0 225,0 2,21 1497,8 584,3 496,1
12-1 pm 714,4 297,0 250,0 1,58 1125,2 467,8 393,7
1-2 pm 691,0 335,0 240,0 1,73 1197,2 580,4 415,8
2-3 pm 694,9 277,0 231,7 2,21 1532,3 610,8 510,8
3-4 pm 593,4 119,0 218,3 2,36 1401,9 281,1 515,8
4-5 pm 355,3 82,0 175,0 2,36 839,3 193,7 413,4
5-6 pm 327,9 180,0 178,0 2,21 723,1 396,9 392,5
6-7 pm 429,4 254,0 164,0 2,05 879,3 520,1 335,8
7-8 pm 399,4 252,0 117,0 2,21 880,7 555,7 258,0
8-9 pm 430,6 285,0 143,0 2,36 1017,4 673,3 337,8
9-10 pm 363,1 265,0 143,7 2,21 800,6 584,3 316,8
10-11 pm 320,1 162,0 125,8 1,73 554,6 280,7 218,0
11-12 pm 305,2 62,0 86,9 1,26 384,6 78,1 109,5
Σ 11112,3 4901,0 4070,3 48,83 24253,0 10757,7 8951,4
Valor
463,0 204,2 169,6 2,03
Promedio
Concentración media integrada
496,7 220,3 183,3153
Tabla A-5.6
COMPARACIÓN DEL PROMEDIO ARITMÉTICO Y LA CONCENTRACIÓN
MEDIA INTEGRADA PARA CADA UNO DE LOS CONSTITUYENTES
DQO (mg/L) DBO (mg/L9 SST(mg/L)
Día Promedio Integrada Promedio Integrada Promedio Integrada
Lunes 486,3 535,4 264,1 288,4 221,2 239,5
Martes 459,1 483,2 271,4 280,0 205,2 213,3
Miércoles 479,6 500,4 324,2 343,2 198,2 207,9
Jueves 417,4 445,2 254,6 272,4 134,1 138,8
Viernes 463,0 496,7 204,2 220,3 169,6 183,3154
ANEXO 6
ESTUDIO MICROBIOLÓGICO DEL INÓCULO DEL LICOR MIXTO.155
Los principales microorganismos identificados en el inóculo utilizado para efectuar el
arranque de la planta El Popal, se presentan en los recuadros mostrados a continuación:156157
ANEXO 7
PROGRAMACIÓN EN EL LENGUAJE DE MATLAB DEL MODELO
MATEMÁTICO PARA LODOS ACTIVADOS Y NITRIFICACIÓN.158
clear all
%Programa de simulación de un reactor de lodos activados
...con aireación extendida y proceso de nitrificación en una etapa
So=input('Ingrese el valor de la concentración de DBO5 total a la entrada, en mg/L= ');
X=input('Ingrese el valor de la concentración de SSVLM, en mg/L= ');
No=input('Ingrese el valor de la concentración de Nitrógeno a la entrada, en mg/L= ');
OD=input('Ingrese el valor de concentración de oxígeno disuelto en el reactor, en
mg/L= ');
pH=input('Ingrese el valor del pH en el reactor= ');
FS=input('Ingrese el factor de seguridad para el diseño del proceso entre 2 y 20, ');
T=input('Ingrese el valor de la temperatura de operación en el reactor, en °C= ');
Vr=input('Ingrese el valor del volumen del reactor, en m^3= ');
Xe=input('Ingrese el valor de la concentración de los SS en el efluente, en mg/L= ');
m=menu('Ingrese las unidades del
caudal','Galones/minuto','Litros/segundo','m^3/segundo');
q=input('Ingrese el valor del caudal de entrada, ');
if m==1
Q=q*(3.78*86400/60)/1000; %m^3/d
elseif m==2
Q=q*86400/1000; %m^3/d
else
Q=q*86400; %m^3/d
end
Cm=So*Q/(Vr*X); %Kg DBO5/Kg SSVLM.d. Ecuación 6.49 Tchonobanoglous
teta=Vr/Q; %días
tetah=teta*24; %horas
Cv=So*Q/(Vr*1000); %Kg DBO5/m^3*d,
%Tasa máxima de crecimiento para los organismos nitrificantes utilización de sustrato
Ksn=10^(0.051*T-1.158); %Tabla 6.6 Crites
KO2=input('Ingrese el valor de K de oxígeno, KO2= ');
%KO2=1.3; %Tabla 6.6 Crites, mg/L
Unmax=input('Ingrese tasa específica máxima de crecimiento para nitrificación en d^-1,
Unmax= ');
%Unmax0.45 a 15°C. Tabla 6.6 Crites. d^-1
UN=Unmax*(No/(Ksn+No))*(OD/(KO2+OD))*(exp(0.098*(T-15)))*(1-0.833*(7.2-
pH));
Y=input('Ingrese el coeficiente de producción bacteriana máxima en mg cel/mgDBO5,
Y= ');
K=input('Ingrese la tasa máxima de utilización de sustrato en mgDBO5/mg cel.d, K= ');
Ks=input('Ingrese la constante de velocidad media en mgDBO5/L, Ks= ');
Kd=input('Ingrese el coeficiente de decaimiento endógeno, en d^-1, Kd= ');
Yn=input('Ingrese el coeficiente Y para nitrificación en mg cel/mg N-NH4, Yn= ');
Kdn=input('Ingrese coeficiente Kd para nitrificación,en d^-1, Kdn= ');
Kn=UN/Yn;159
tetacm=(((Yn*Kn*No)/(Ksn+No))-Kdn)^-1; %Ecuación 6.56 Tchonobanoglous
tetac=FS*tetacm; %Ecuación 6.58 Tchonobanoglous
%Factor de utilización del sustrato en nitrificación Un.
Un=((tetac^-1)+Kdn)*Yn^-1; %Ecuación 6.47 Tchonobanoglous
%La concentración de amonio en el efluente será:
N=(Un*Ksn)/(Kn-Un); %Ecuación 6.46 Tchonobanoglous
%Tasa de remoción de sustrato para lodos activados (DBO5)
U=((tetac^-1)+Kd)*Y^-1;
S=(U*Ks)/(K-U);
%Tiempo de retención hidráulica para la remoción de DBO5
tetaS=(So-S)/(U*X);
tetaSh=tetaS*24;
%Tiempo de retención hidráulica para la remoción de Nitrógeno
fn=(0.16*(No-N))/((0.6*(So-S))+(0.16*(No-N)));
Xn=X*fn;
tetan=(No-N)/(Un*Xn);
tetanh=tetan*24;
%La DBO5 total a la salida (St) es igual a la DBO5 soluble a la salida + la DBO5 de los
...sólidos suspendidos a la salida. La conversión de masa celular a DBO última es 1.42
%la fracción biodegradable de los sólidos es el 65%.
%El factor de conversión de DBOL en DBO5, (0.45 - 0.68), el promedio es 0.565
...de la DBOL
DBOL=Xe*.65*1.42;
Ss=0.565*DBOL;
St=S+Ss;
%Eficiencia de la planta
Es=((So-S)/So)*100;
Et=((So-St)/So)*100;
%CANTIDAD DE LODO A PURGAR DIARIAMENTE
Yobs=Y/(1+Kd*tetac); %Ecuación 6.53 Tchonobanoglous
%Px=producción diaria neta de lodo activado, medida en términos de SSV, Kg/d
Px=Yobs*Q*(So-S)/1000;
Pxt=Px/0.85; %El 85% de los SST es volátil
Px1=(Pxt/Q)*1000; %Incremento de SSTLM en mg/L.
%Masa a purgar = Incremento de SSLM - SS perdidos en el efluente
Mp=Px-Xe*Q*1e-3; %Kg/d
Mpt=Pxt-Xe*Q*1e-3; %Kg/d
%CAUDAL DE PURGA160
Xr=input('Ingrese el valor de la concentración de SSV en la línea de retorno, en mg/L=
');
Qe=Q;
Qw=(Vr*X*1000-Qe*Xe*tetac*1000)/(Xr*tetac); %L/d
%RELACIÓN DE RECIRCULACIÓN
alfa=X/(Xr-X);
Qr=alfa*Q*1000/86400; %L/s
%DEMANDA DE OXÍGENO, en Kg de O2/día
Etr=input('Ingrese eficiencia la transferencia de oxígeno de los equipos, en % ') ;
Fs=input('Ingrese el factor de seguridad para el dimensionamiento de los soplantes, ');
%Consumo de oxígeno por los organismos heterótrofos
a=0.68^-1-1.42*Y;
b=1.42*Kd;
O2h=((Q*(So-S)*a)+(Vr*b*X*(1-fn)))/1000;
%Consumo de oxígeno por los organismos autótrofos
O2a=4.57*((Q*(No-N)/1000)-0.12*Mp);
O2t=O2h+O2a;
O2=O2t*Fs;
%CAUDAL DE AIRE NECESARIO
%Cantidad teórica de aire necesario. El aire contiene 23.2% de oxígeno.
da=1.210; %densidad del aire, en Kg/m^3
At=O2/(da*0.232); %m^3/d
%Cantidad real de aire necesario. La transferencia de oxígeno de los equipos es del
22%.
Ar=At/((Etr/100)*1440); %m^3/min
Da=Ar*35.31; %pies^3/min (cfm)
Qa=Ar/60; %Caudal de aire en m^3/s, necesario para el cálculo de la potencia del motor
deltaP=faire(Qa);
HP=deltaP*Qa*1.36e-3;
%DENSIDAD DE DIFUSORES
beta=0.95;
alfa1=0.65;
Cs=9.9;
F=alfa1*((beta*Cs-OD)/Cs);
Qd=3; %Caudal de aire a través de los difusores, tomado del catálogo, en cfm
Dd=Da/(F*Vr*Qd); %Difusores/m^3
%Número de difusores
Nd=Da/3;
disp('El caudal de entrada a la planta en m^3/d, es')
Q
disp('El tiempo de retención hidráulico en horas, es')161
tetah
disp('La carga volumétrica en Kg DBO5/m^3.d, es')
Cv
disp('La carga másica en Kg DBO5/Kg SSVLM.d, es')
Cm
disp('La edad de los lodos en días, es')
tetac
disp('La concentración de SSVLM en mg/L, es')
X
disp('La concentración del sustrato soluble en la salida en mg/L, es')
S
disp('La concentración del Nitrógeno en la salida en mg/L, es')
N
disp('La concentración de organismos nitrificantes del licor mixto en mg/L, es')
Xn
disp('La concentración del sustrato total en la salida en mg/L, es')
St
disp('La eficiencia total de la planta es')
Et
disp('La eficiencia soluble de la planta es')
Es
disp('La producción diaria neta de lodo activado, en términos de SST en Kg/d, es')
Pxt
disp('La masa a purgar diariamente en Kg/d, es')
Mpt
disp('El caudal de purga en L/d, es')
Qw
disp('La relación de recirculación es')
alfa
disp('El caudal de retorno en L/s, es')
Qr
disp('La demanda de oxígeno en Kg de O2/d, es')
O2
disp('El caudal de aire real del proyecto en cfm, es')
Da
disp('El tiempo de retención hidráulico para remoción de DBO en horas, es')
tetaSh
disp('El tiempo de retención hidráulico para remoción de N en horas, es')
tetanh
disp('El número de difusores es,')
Nd
disp('La potencia necesaria del soplador, en HP es')
HP162
function deltaP1=faire(Qa)
%Programa para calcular la potencia del motor requerida para el caudal de aire
calculado
...por el programa de simulación de lodos activados y nitrificación.
da=0.9 %Densidad del aire en Kg/m^3 a 20°C
visc=1.75e-5 %Viscosidad del aire en Kg.m/s a 20°C
%L(1)=longitud de la tubería 1,Conduce el aire hasta la válvula de compuerta, en
metros
%L(2)=longitud de la tubería 2,Conduce el aire desde la válvula hasta el difusor,en
metros
%D(1)Diámetro de la tubería 1, equivale a 4 pulgadas
%D(2)Diámetro de la tubería 2, equivale a 2 pulgadas
L=[5 18]
D=[0.1016 0.0508]
%Area de las tuberías
A=(3.1416*D.^2)/4
%Velocidad de aire en cada una de las tuberías.
V=Qa./A
%CÁLCULO DE PÉRDIDAS MAYORES
%Número de Reynolds, necesario para calcular el factor de fricción.
Re=da.*V.*D/visc
%Factor de fricción, tomado de la figura 8.14 del libro Fox-McDonald
f=[0.0345 0.027]
hmay=((f.*L.*V.^2)./(2.*D))
hmayores=hmay(1)+hmay(2)
%CÁLCULO DE PÉRDIDAS MENORES
%La longitud equivalente (Le) es: 30 para los codos de 90° y 340 para la válvula
...completamente abierta. Se tiene 6 codos y 1 válvula.
Le=[30 340]
hmen=((Le.*V(1).^2)./2)
hmenores=6*hmen(1)+hmen(2)
%Z3 es la altura de la cabeza de agua en el tanque de aireación, en m.
%La caída de presión por el difusor a una profundidad de 2.9 m es 4727.96 Kg/m.s^2.
%La densidad del agua a 20°C es 999 Kg/m^3),
%g=aceleración de la gravedad
g=9.8
Z3=2.9
dagua=999
Pdif=4110
deltaP1=(da*hmayores)+(da*hmenores)+(dagua*g*Z3)+(da*g*Z3)+Pdif163
ANEXO 8
LEGISLACIÓN COLOMBIANA SOBRE RESIDUOS LÍQUIDOS
DECRETO 1594/84.164
DECRETO 1594
JUNIO 26 DE 1984
Por el cual se reglamenta parcialmente el título I de la Ley 9 de 1979,
así como el capitulo II del título VI - parte III - libro II y el título III de la parte III -
libro I -del Decreto 2811 de 1974 en cuanto a usos del agua y residuos líquidos.
El presidente de la República de Colombia, en uso de las atribuciones que le confiere
el numeral 3 del artículo 120 de la Constitución Política,
DECRETA:
CAPÍTULO I
DEFINICIONES
ARTICULO 6. Entiéndese por vertimiento líquido cualquier descarga líquida hecha a
un cuerpo de agua o a un alcantarillado.
ARTICULO 7. Es usuario toda persona natural o jurídica de derecho público o privado,
que utilice agua tomada directamente del recurso o de un acueducto, o cuya actividad
pueda producir vertimiento directo o indirecto al recurso.
ARTICULO 8. Entiéndese por usuario nuevo aquel cuya actividad se inicie después de
la fecha de entrada en vigencia del presente decreto.
CAPÍTULO VI
DEL VERTIMIENTO
DE LOS RESIDUOS LÍQUIDOS165
ARTICULO 60. Se prohibe todo vertimiento de residuos líquidos a las calles, calzadas
y canales o sistemas de alcantarillado para aguas lluvias, cuando quiera que existan en
forma separada o tengan esta única destinación.
DE LAS NORMAS DE VERTIMIENTO
ARTICULO 72. Todo vertimiento a un cuerpo de agua deberá cumplir, por lo menos,
con las siguientes normas:
Referencia Usuario EXISTENTE Usuario NUEVO
pH 5 a 9 5 a 9
Temperatura <40ºC < 40ºC
Material flotante Ausente Ausente
Grasas y aceites Remoción >80% en carga Remoción >80% en carga
Sólidos suspendidos,
Remoción >50% en carga Remoción > 80% en carga
domésticos e industriales
Demanda bioquímica de
oxígeno:
Para desechos domésticos Remoción >30% en carga Remoción > 80% en carga
Para desechos industriales Remoción > 20% en carga Remoción > 80% en carga
Carga máxima permisible (CMP), de acuerdo con lo establecido en lo artículos 74 y 75
del presente decreto.
PARÁGRAFO. De acuerdo con las características del cuerpo receptor y del
vertimiento, la EMAR decidirá cuál o cuáles de las normas de control de vertimiento
señaladas en este artículo podrán excluirse.166
ANEXO 9
ESTUDIO MICROBIOLÓGICO DEL LICOR MIXTO DE LA PLANTA
EL POPAL Y EL ATLAS DE MICROORGANISMOS FILAMENTOSOS
(VER CD)167
ANEXO 10
ESTUDIO FOTOGRÁFICO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES EL POPAL
(VER CD)