Costo del tratamiento de potabilización de las aguas servidas de Comalapa UNIVERSIDAD DEL VALLE DE GUATEMALA Facultad de Ciencias y Humanidades Costo del tratamiento de potabilización de las aguas servidas de Comalapa Héctor Hornero Juárez Gil Trabajo de investigación presentado para optar al grado académico de Licenciado en Ingeniería Civil Guatemala 2000 Vo. Bo.: Ingeniero Rafael Girón Méndez Tribunal: (f) (fi (f) Ingeniero Rafael Girón Méndez Fecha de aprobación: 30 de octubre de 2000. CONTENIDO Página RESUMEN. X I. INTRODUCCIÓN. A. Antecedentes. 1 B. El problema. 1 C. Hipótesis. 2 D. Justificación. 2 E. Objetivos. 2 F. Limitaciones. 3 . CALIDAD DE AGUA. A. Agua potable. 4 1. Características físicas. 4 2. Características químicas. 6 3. Características biológicas. 8 B. Aguas Residuales. 10 1. Características físicas. 11 2. Características químicas. 12 3. Características biológicas. 14 4. Parámetros de calidad de las aguas residuales. 15 C. Métodos de disposición de efluente. 17 1. Disposición por irrigación y campos de riego. 17 2. Disposición por dilución. 17 3. Condiciones sanitarias para aguas receptoras. 18 III. PLANTAS DE TRATAivilENTO DE AGUA POTABLE. A. Medidor de gasto. 21 13. Aeración. 21 C. Coagulación. 22 1. Agregado de agentes químicos. 22 vi 2. Mezcla o difusión. 23 3. Floculación. 23 D. Sedimentación. 24 1. Predecantor. 25 2. Desarenador. 25 3. Sedimentador. 26 E. Filtración. 26 1. Filtros lentos. 26 2. Filtros rápidos. 27 F. Ablandamiento. 28 1. Método de precipitación. 28 2. Método de permutación iónica. 28 G. Estabilización del agua. 29 1. Control de los iónes de hidrógeno. 30 2. Control del bióxido de carbono. 30 3. Recubrimientos protectores. 30 II. Desinfección de! agua. 30 I. Control de olor y sabor. 31 1. Método preventivo. 31 2. Método Correctivo. 32 J. Fluoración. 32 K. Eliminación de hierro y manganeso del agua. 32 1. Proceso de ablandamiento con cal. 33 2. Proceso de oxidación. 33 IV. PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. A. Tratamiento primario. 34 1. Rejas. 35 2. Desarenadores. , 36 3. Tanques separadores de grasas. 36 4. Preairne:án. 36 5. Floculación. 37 vii 6. Sedimentador primario. 37 B. Tratamiento secundario. 38 L Áreas de riego. 38 2. Filtros intermitentes de arena. 38 3. Filtros percoladores. 39 4. Lagunas de estabilización. 40 C. Tratamiento de lodos. 40 1. Digestión de lodos. 41 2. Secado de lodos. 43 ACUEDUCTO NACIONAL £4 YÁ — PIXCAVi A. Poblaciones a servir. 45 B. Captaciones. 45 C. Conducción. 47 D. Plantas de purificación. 48 E. Redes de distribución. 49 F. Plantas hidroeléctricas. 49 G. Etapas. 49 H. Estado actual de construcción del Acueducto Nacional Xayá — Pixcayá. 50 VI. PLANTA LO DE COY. A. Canal de entrada. 51 B. Dos ificadores. 52 C. Floculadores. 52 D. Sedimentadores. 53 E. Filtros. 54 F. Lavado — sistema de recuperación. 55 G. Tanque de aguas claras. 55 H. Control de caudal de niveles. 56 L Control de calidad. 56 VIL PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS DE COMAL4PA. A. Localización del municipio. 58 vil' B. Descripción de la planta. 59 1. Canal de rejas. 59 2. Pantalla difusora. 60 3. Sedimentador primario. 60 4. Filtro percolador. 60 5. Sedimentador secundario. 62 6. Digestor. 62 7. Patio de lodos. 63 MIL ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS. A. Consumo de agua en Comalapa. 64 1. Caudal de agua potable y aguas residuales de Comalapa. 64 2. Variación horaria. 64 3. Caudal de aguas servidas por hora que se generará en Comalapa. 68 B. Parámetros de contaminación. 69 C. Características de las aguas residuales de la población de Comala. 69 D. Características de las aguas tratadas en la planta de Comalapa. 71 E. Costo de rehabilitación de la planta de aguas servidas de Comalapa. 74 F. Características de las aguas tratadas por la planta Lo De Coy. 74 G. Costo de operación de la planta Lo De Coy. 76 IX CONCLUSIONES. 77 X. RECOMENDACIONES. 78 XL BIBLIOGRAFÍA. 79 APÉNDICES 81 Mapas 82 Isométricas de la planta Lo De Coy 88 Fotografías de la planta de aguas servidas de Comalapa 98 Exámenes químico sanitarios y bacteriológico del agua que Ir iresa a la planta Lo De Coy 106 Resumen La planta de aguas residuales de Comalapa se construyo para que operara continuamente (24 horas), pero debido a los bajos fondos asignados por la municipalidad de Comalapa a la planta, está solo operaba ocho horas diarias. En este trabajo se trato de concluir si, el hecho que la planta de aguas residuales de Comalapa operara continuamente influiría en la calidad de las aguas que llegara a la planta de purificación de aguas Lo De Coy, y que si con ellos se reducirían los costos de su operación. Originalmente éste trabajo constaría de una parte teórica, donde se definirían las características del agua potable, ias características de las aguas residuales, los procesos que se llevan a cabo en una planta de purificación de agua y los procesos que se realizan en una planta de aguas residuales. Y una parte practica en donde se realizarían mediciones de los índices de contaminación en la entrada y salida de la planta de aguas residuales de Comalapa y en la entrada de la planta Lo De Coy, para con la información obtenida del análisis los índices de contaminación emitir las conclusiones y recomendaciones del estudio. Debido a los daños causados por las lluvias de los inviernos de 1998 y 1999 (Huracán Mitch) la planta de aguas residuales de Comalapa dejo de operar, por lo que no fue posible realizar las mediciones de los índices. Por lo que se usaron los datos más recientes que se obtuvieron, siendo estos los del muestreo realizado por el Ingeniero Eduardo Gaspar Dieguez González en el año 1996. Con estos datos se realizaron los análisis de los índices de contaminación se concluyo que el mejoramiento y funcionamiento continuo (24 horas) de la planta de aguas residuales de Comalapa no afecta la calidad del agua que llega a la planta Lo De Coy. LISTA DE CUADROS Tabla Página 2.1 Límites máximos admisibles y permisibles de substancias minerales. 6 2.2 Límite máximo permisible de sustancias minerales. 7 2.3 Valores promedio máximos de fluoruros presentes en el agua. 7 2,4 Número de muestras mensuales mínimo a tomar. 9 2.5 C" "dad letal de sulfato de cobre para microorganismos. 11 4.1 Comparación de rejas según su forma de limpieza. 35 5.1 Poblaciones consideradas en la planeación del Acueducto Nacional Xayá — Pixcayá. 46 7.1 Granulometría de los filtros. 62 8.1 Variación horaria en porcentaje del consumo medio. 65 8.2 Tabla de consumos acumulados de la población de Comalapa. 66 8.3 Tabla del efluente acumulado en la población de Comalapa. 68 8.4 Resultados del muestreo en la planta de Cornalapa. 69 8.5 Variación en los índices de contaminación. 70 8.6 Carga de contaminantes del agua al entrar a la planta. 71 8.7 Carga de contaminantes del agua al salir de la planta. 72 8.8 Eficiencia para remover la carga de contaminación. 72 8.9 Resultados que pueden esperarse con el funcionamiento continuo de la planta. 73 8.10 Eficiencia que podría esperarse si la planta tratara el flujo total de aguas servidas que salen de Comalapa (8 horas). 73 8.11 Eficiencia que podría esperarse si !a planta tratara el flujo total de aguas servidas que salen de Comalapa (24 horas). 74 8.12 Costo de rehabilitación de la planta de aguas servidas de Comalapa. 74 8.13 Costo y gastos de operación de la Planta Lo De Coy ea el año 1999. 76 xi LISTA DE GRÁFICAS Gráficas Página 2.1 Gráfico de sólidos totales en aguas residuales. 13 7.1 Gráfico de ubicación geográfica. 59 7.2 Gráfico de la planta de tratamiento de Comalapas. 61 8.1 Curva de variación horaria. 67 8.2 Curva del consumo acumulado. 67 xii LISTA DE MAPAS Mapas 1 Mapa de localización del Acueducto Nacional Xayá — Pixcayá Página en el área de la Republica de Guatemala. 83 2 Mapa de poblaciones que servirá el Acueducto Nacional Xayá — Pixray;!. 84 3 Plano general del Acueducto Nacional Xayá — Pixcayá. 85 4 Mapa de las cuencas de los ríos del Acueducto Nacional Xayá — Pixcayá. 86 5 Mapa de la cuenca adicional del sistema del Río Pixcayá. 87 XIII LISTA DE ISOMÉTRICAS Isométricas Página 1 Isométrica caja de canal de entrada. 99 2 Isométrica de edificio de operaciones, canal de entrada. 100 3 Isométrica de los floculadores. 101 4 Isométrica de los sedimentadores. 102 5 Isométrica de filtros. 103 6 Isométrica del sistema de recuperación. 104 7 Isométrica entrada a tanque de aguas claras. 105 8 Isométrica salida de tanque de aguas claras. 106 9 Isométrica estación de bombeo. 107 xiv 1. 1NTRODUCCION Los sistemas de abastecimiento de agua potable y los sistemas de alcantarillados son esenciales para el desarrollo sano de una población, la falta de ellos puede dar como resultado la proliferación de una serie de enfermedades de origen hídrico que pondrían en riesgo a la población. Con el objetivo de evitar problemas de salubridad derivados del agua existen normas de "calidad de agua". Entre ellas se encuentran las que se deben cumplir para el consumo humano, las que se deben cumplir para las sociedades y las industrias (aguas residuales) entre otras. En Guatemala, por la falta de legislación en este tema, las comunidades y las industrias descargan sus aguas residuales sin aplicar los tratamientos necesarios que aseguren el uso continuo y sanitariamente seguro de las aguas por las comunidades río abajo. En las últimas decadas, los esfuerzos del gobierno de Guatemala y la comunidad internacional se han basado en la construcción de una serie de plantas de tratamiento de aguas residuales en diferentes comunidades del país. Una de esas plantas se construyó en el municipio de Comalapa, que descarga sus aguas residuales en un riachuelo afluente del no Pixcayá, cuyas aguas son utilizadas para abastecer de agua potable a la ciudad capital de Guatemala, previo al tratamiento de purificación en la planta Lo de Coy. El presente estudio hace un análisis sobre la influencia que puede tener el tratamiento efectivo de las aguas residuales de la población de Comalapa sobres la calidad del agua que llega a la planta Lo de Coy y los costos de tratamiento de esta última. A. Antecedentes En la década de los 60 se empezó el estudio y construcción del Acueducto Nacional Xayá — Pixcayá, cuyo objetivo era transportar las aguas de los ríos Xayá, Pixcayá y otros ríos menores a la ciudad capital de Guatemala para cumplir con las necesidades de agua potable de esta población. En su trayecto de más de 50 kilómetros, el Acu'educto Nacional Xayá — Pixcayá recorre gran parte de la cuenca del río Pixcayá, donde se encuentra ubicado el Municipio de Comalapa, a una distancia aproximada de 80 kilómetros de la Ciudad Capital de 1 Guatemala. En 1983 se construyó en Comalapa una planta para tratar la aguas residuales de la Cabecera Municipal antes de ser descargadas en un riachuelo afluente del río Pixcayá. Actualmente, la planta de tratamiento de Comalapa no se encuentra timcionando por una serie de derrumbes que ocurrieron sobre algunas de sus unidades a consecuencia de los inviernos de los años 1998 (huracán Mitch) y 1999. B. El Problema De acuerdo con el estudio especial de maestría de el Ingeniero Eduardo Gaspar Diéguez Gonzalez sobre: La planta de aguas residuales de Comalapa (1996), la planta es insuficiente para tratar la descarga total proveniente del pueblo, además sólo funciona ocho horas al día. Ante esta situación surgen las preguntas, si la planta trabajara las veinticuatro horas del día, ¿mejoraría la calidad de las aguas que llegan a la planta Lo de Coy? Y ¿se ruduciría el costo de operación de la planta Lo de Coy? C. Hipotesis El funcionamiento continuo (24 horas) de la planta de tratamiento de aguas residuales de Comalapa, ayudara a mejorar la calidad del agua que llega a Lo de Coy y a reducir el costo de operación de la planta de Lo de Coy. D. Justificación En el presente trabajo se refuerzan, amplían y se ponen en práctica los conocimientos que se adquirieron durante la formación académica, para tratar de resolver un problema real además, se proponen mejoras en el manejo de la planta de tratamiento de aguas residuales de Comalapa, para disminuir la contaminación del río Pixcayá. Se ofrecen datos cuantitativos de una de las fuentes de contaminación ubicada dentro de la cuenca del río Pixcayá cuyas aguas abastecen a la ciudad capital de Guatemala. 2 E. Objetivos 1. Generales a. Aplicar los conocimientos adquiridos durante la formación académica hacia un problema real. b. Determinar los costos de reparación y operación a la fecha de la planta de tratamiento de Comalapa. c. Evaluar la eficiencia de remoción de la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de Comalapa. d. Determinar si el efluente de la planta, representa contaminación para el cuerpo receptor. 2. Especificos a. Determinar el caudal de efluente que se procuce en el municipio de Comalapa. b. Evaluar la eficiencia de la planta de tratamiento de aguas residuales de Comalapa, si esta trabaja continuamente (24 horas). c. Determinar la calidad del agua que llega a la planta Lo de Coy. F. Limitaciones Debido al estado actual de la planta de tratamiento de aguas residuales de Comalapa no nos fue posible la toma de muestras para realizar los análisis fisico — químicos y exámenes microbiológicos. Por lo que tuvimos que utilizar los datos del ultimo muestreo realizado en esta planta, el cual fue hecho por el Ingeniero Eduardo Dieguez y fue analizado en los laboratorios del Instituto de Fomento Municipal (INFOM). 3 IL CALIDAD DE AGUA En la actualidad, por la demanda de agua para las ciudades y sus industrias ha sido necesario buscar nuevas fuentes de agua que cumplan con las propiedades fisicas, químicas y biológicas adecuadas para sus diferentes usos. Al mismo tiempo, a las sociedades se les han impuesto normas para que éstas viertan sus aguas residuales a los diferentes cuerpos receptores con una calidad aceptable para que dichos cuerpos se puedan volver a utilizar en el futuro. El concepto de calidad de agua abarca todo lo anterior; es decir, lo referente a las normas y propiedades para obtener agua potable y los requerimientos de calidad para poder regresar a los cuerpos de aguas las aguas negras. A continuación se presentan las normas y propiedades que debe tener el agua potable, las aguas residuales y las aguas receptoras. A. Agua potable Fair y Geyer (1979,45) definen el agua potable corno " Pura y de buen sabor, por lo tanto debe de encontrarse libre de organismos patógenos; de substancias venenosas o fisiológicamente indeseables; y por otra parte debe de ser atractiva a los sentidos". De la definición anterior de agua potable se puede concluir que para que el agua sea considerada potable debe de tener ciertas características físicas, químicas y biológicas 1. Características físicas Las características fisicas son las que más impresionan al consumidor; sin embargo, no son de gran importancia desde el punto de vista sanitario, "el agua puede ser impotable sin ser insípida e insípida sin ser impotable" (Fair y Geyer,1979,48). Para que el agua sea atractiva a los consumidores debe cumplir con las siguientes propiedades fisicas: color, turbiedad, olor, sabor y temperatura. a. Color El color del agua es causado generalmente por la presencia de materias en estado de solución o coloidal tales como: sales de hierro y manganeso, materiales coloidales de naturaleza orgánica, algas microscópicas, tierra arcillosa, residuos industriales, etc. En el color debe distinguirse: - Color real o verdadero: Es el producido por las substancias en solución solamente. - Color aparente o total: Este incliwe además del color real, el producido por substancias en suspensión. 4 Por definición se comprende que el color real sólo puede ser removido por procesos químicos, mientras que parte del color aparente puede ser removido por procesos fisicos. El color del agua se determina por comparación según la escala de platino-cobalto, que toma como unidad de color la producida por 1 mg de platino (en forma de ion cloro- platinado) por litro de agua. El límite máximo aceptable es de 5 p.p.m, mientras que el límite máximo permisible es de 50 p.p.m. según Norma COGUANOR NGO 29 0001- 4.1. b. Turbiedad: Se define corno la resistencia del paso de la luz a través del agua, su origen es de materias en suspensión, como arcilla y otras substancias inorgánicas finamente divididas y organismos microscópicos. Ésta se mide por el método nefelométrico, la medición se realiza haciendo pasar un rayo de luz a través de la muestra. Las partículas que constituyen la turbiedad dispersan parte del rayo de luz. La luz dispersada en ángulos rectos tiene unas intensidad que es proporcional a la turbiedad, la turbiedad del agua se expresan en unidades nefelométricas de turbiedad (Unt). Según la norma COGUANOR NGO 29 001-4.1 El límite máximo aceptable es de 5 Unt y el límite máximo permisible es 25 Unt. c. Olor y Sabor: La clasificación del termino "olor" se utiliza para describir las características del agua que pueden afectar los sentidos de olfato y gusto. Los olores y sabores están asociados con: materia orgánica en descomposición, algas y otros organismos microscópicos que contienen aceites y otros compuestos olorosos, residuos industriales particularmente substancias fenólicas, olores causados por gases tales como amoníaco, que se forman de la descomposición de la proteínas, cloro y otras substancias desinfectantes. El olor en el agua se mide por medio dal "ensayo del olor incipiente". Éste consiste en diluir el agua hasta que el olor desaparezca. Así, si, se diluye 25 c.c. de agua con olor en agua sin olor hasta obtener 250 c.c., el olor incipiente es 10. El agua potable no debe tener olor y sabor que desagraden al consumidor. d. Temperatura: Decía Hipócrates (Fair y Geyer,1979,53) "Las mejores aguas son aquellas templadas en invierno y frías en verano", la temperatura del agua en verano debe ser inferior a la temperatura ambiente y en invierno debe ocurrir lo contrario. Se estima que una temperatura entre 5° y 15° C, es agradable al paladar. 5 2. Características químicas El agua en estado natural posee, substancias en solución que provienen del contacto de esta con los suelos, gases y otros elementos que le dan el carácter de solvente casi universal. Por esta característica; el agua para consumo puede llegar a contener substancias, que en grandes cantidades, pueden llegar a ser tóxicas para el hombre, o bien, producir una mineralización excesiva del agua que puede darle propiedades poco deseables (dureza). Las substancias minerales contenidas en el agua, deben quedar comprendidas entre los límites máximos aceptables para que el agua no sea rechazada por los consumidores, y dentro de los limites máximos permisibles para no causarles daño. Tabla 2.1 Límites Máximos admisibles y permisibles de substancias minerales Substancia Limite máximo Limite máximo Admisible permisible Detergentes anión cos 0.20 p.p.m. 1.00 p.p.m. Aluminio (Al) 0.50 p.p.m. 0.10 p.p.m Bario (Ba) .-.-. 1.00 p.p.m. Boro (B) .-.-. 1.00 p.p.m. Calcio (Ca) 75.00 p.p.m. 200.00 p.p.m. Cinc (Zn) 5.00 p.p.m. 15.00 p.p.m. Cloruro (Cr) 200.00 p.p.m. 600.00 p.p.m. Cobre (Cu) 0.05 p.p.m. 1.50 p.p.m. CaCO3 100 p.p.m. 500 p.p.m. Fluoruro (F) .-.-. 1.70 p.p.m. Hierro (Fe) 0.10 p.p.m. 1.00 p.p.m. Magnesio (Mg) 50.00 p.p.m. 150 p.p.m. Manganeso (Mn) 0.05 p.p.m. 0.50 p.p.m. Niquel (Ni) 0.01 p.p.m. 0.02 p.p *- Substancias fenólicas 0.001 p.p.m. 0.002 p.p.m. Sulfato (SO4-2) 200.00 p.p.m. 400.00 p.p.m. COGUANOR NGO 29 001-4.2 6 Temperaturas máximas en el aire en °C Limites de Control recomendados en la concentración de fluoruros, p.p.m. Inferior Optimo Superior 10.0 - 12.0 0.9 1.2 1.7 12.1 - 14.5 0.8 1.1 1.5 14.6 - 17.6 0.8 1.0 1.3 17.7 - 21.4 0.7 0.9 1.2 21.5 - 26.3 0.7 0.8 1.0 26.4 - 32.5 0.6 0.7 0.8 * Basado en datos de temperaturas, obtenidos para un mínimo de 5 años COGUANOR NGO 29 001-4.3 Tabla 2.2 Límite Máximo permisible de sustancias minerales Substancia Limite máximo permisible Arsénico (As) 0.05 p.p.m. Cadmio (Cd) 0.10 p.p.m. Cianuro (Cn ) 0.05 p.p.m. Cromo (Cr) 0.05 p.p.m. Mercurio (Mg) 0.002 p.p.m. Nitrato (NO3 ) 45.00 p.p.m. Nitrito (NO2 ) 0.10 p.p.m. Plata (Ag) 0.50 p.p.m. Plomo (Pb) 0.10 p.p.m. Selenio (Se) 0.01 p.p m. COGUANORNGO 29 001-4.5 Los valores promedio máximos que se pueden aceptar de fluoruros naturalmente presentes en el agua, no deben exceder los mostrados en la tabla 2.3; el doble de los valores óptimos en el agua es una base para el rechazo del suministro. Tabla 2.3 Valores promedio máximos de fluoruros presentes en el agua 7 La dureza del agua (Contenido de Ca, Mg y Fe) no debe exceder 300 p.p.m., esta norma tiene un mayor significado desde el punto de vista industrial que desde el punto de vista sanitario, esto se debe a que algunos procesos industriales requieren una baja concentración de substancias en solución, de lo contrario los costos de operación aumentan, o el equipo puede ser afectado por procesos corrosivos. En conclusión, el análisis químico desde el punto de vista de potabilidad del agua se hace por dos razones fundamentales: Determinar que la concentración de los constituyentes químicos está conforme a las normas, y determinar la presencia de varios productos de nitrógeno y relacionarlo con la contaminación de materia orgánica. 3. Características Biológicas De todas las características que debe de tener el agua potable, la biológica es la más importante desde el punto de vista sanitario. Los organismos microscópicos presentes en el agua pueden ser muy variados, dependiendo del origen de las aguas (fuentes superficiales o subterráneas) o de las condiciones del medio donde sufren su ciclo hidrológico. Las algas, protozoarios, virus y bacterias, son los organismos mayormente presentes en las aguas en estado natural, la presencia de estos organismos, provoca malos sabores, olores, turbiedad y pueden causar enfermedades de origen hídrico como: cólera, fiebre tifoidea, paratifoidea, infecciones E. Coli, hepatitis infecciosa, amebas, etc. Por lo que para considerar el agua sanitariamente potable ésta debe estar exenta de gérmenes patógenos. a. Bacterias Patógenas: Los organismos que provocan enfermedades como la fiebre tifoidea, paratifoidea, cólera, disentería se encuentran en aguas contaminadas con excretas humanas o de animales. Hoy en día no existe un procedimiento que indique con facilidad si el agua estudiada está o no infectada con estos organismos, pero sí se puede definir si ha sido infectada con descargas intestinales. Para determinar la calidad sanitaria del agua, es necesario determinar la presencia del grupo coliforme, el que representa la contaminación fecal y, por ende, la posibilidad de que en el agua estudiada se encuentren organismos patógenos. Al realizar una prueba bacteriológica al agua estudiada, cuatro son los requisitos fundamentales para que los resultados de esa prueba sean válidos: Las muestras deben 8 recogerse en forma correcta, el número de muestras tomadas debe estar en proporción al tamaño de la población servida (los números mensuales mínimos de muestras aparecen en la tabla 2.4), las muestras deben reflejar la calidad real de las agua entregadas a los consumidores, y los análisis tendrán que ser realizados por servicios estatales de sanidad o por laboratorios competentes y, de acuerdo a las técnicas y normas vigentes. Tabla 2.4 Número de muestras mensuales mínimo a tomar Poblacion Servida (Miles) No. Muestras Por mes "1 - 2 2 10 12 50 50 100 95 900 300 2000 400 4500 500 (Fair y Geyer) Según las normas de COGUANOR NGO 29 001-5, para que el agua en estudio pueda considerarse bacteriológicamente segura debe cumplir con las siguientes especificaciones, de acuerdo con las técnicas de número más probable (N1v1P), filtro de membrana (FM). - Cuando se examinen muestras de cinco tubos conteniendo muestras de 10 cm3 cada uno, no mas del 10% de las muestras mensuales deben mostrar presencia del grupo coliforme. No es aceptable el agua que muestre su presencia en tres o más porciones en los siguiente casos: • Dos muestras consecutivas • Más de una muestra cuando se examinen menos de 20 • Más del 5% cuando se examinan más de 20 muestras Cuando se examinen muestras compuestas por cinco tubos cada una, conteniendo 100 cm3 cada tubo, no más del 60% de ellas deben mostrar presencia del grupo conforme No es aceptable el agua que muestre su presencia en todos los tubos de la muestra, en los siguientes casos: 9 • Dos muestras consecutivas. • Más de una muestra cuando se examinan menos de cinco. • Más del 20% de las muestras cuando se examinan más de cinco. — Cuando se usa la técnica de la membrana filtrante, la densidad aritmética media de los coliformes para todas las muestras no debe exceder del 1 por 100 cm3. Además, las colonias de coliformes por muestra no deben exceder de 3 por 50 cm3, 4 por 100 cm3, 7 por 200 cm3 ó 13 por 500 cm3, en los siguientes casos: O • Dos muestras consecutivas • Más de una muestra cuando se examinan menos de 20 • Más del 5% cuando se examinan más de 20. b. Otros Microorganismos: Las algas, protozoarios y hongos pueden darle al agua características poco deseables como olor, sabor y turbiedad De todos estos microorganismos las algas son las que se presentan con mayor frecuencia. Los métodos más importantes para controlar su crecimiento en las aguas son: el uso de sales de cobre, en proporciones que dependen del tipo de alga y su sensibilidad; y la aplicación de cloro en cantidades también variables . En la tabla 2.5 se indicara la cantidad letal para diferentes tipos de microorganismos. B. Aguas residuales Las aguas residuales, también conocidas como aguas negras, son de origen doméstico, industrial y comercial. Se pueden definir como "las aguas ya utilizadas" más un porcentaje variable de agua de lluvia que puede unirse a ellas por el sistema de recolección de aguas usadas o por infiltración. Las aguas residuales son, en general, 99.9% agua con sólidos en suspensión y solución que le comunican propiedades determinantes. Los sólidos presentes en las aguas residuales provienen de los servicios sanitarios y domésticos y, otros muchos, provenientes de las industrias. Entre estos sólidos se encuentran: papeles, corteza de frutas, heces fecales, semillas, piedras, etc. Algunos de estos sólidos de origen orgánico tienden a descomponerse. 10 Tabla 2.5 Cantidad letal de sulfato de cobre para microorganimos Microorganismos Sulfato de cobre p.p.m. Cloro p.p.m. Cianofíceas; Oscilatoria 0.2 1 Clorofíseas; Anabaena 0.1 0 5 - 1.0 Espirogia; Volvox 0.25 0.3 - 1.0 Conferva 1 Diatomáceas; Asterionela 0.1 0.5 - 1.0 Melosira 0.3 2 Navícula 0.07 Protozoarios Euglena 0.5 Sinura 0.1 Abastecimiento de agua y alcantarillados (Gustavo Rivas Mijares) Dependiendo del uso del agua (doméstico, industrial, etc.) las concentraciones de la materia putrefactas pueden varias y con ello sus características. Esto determina y diferencia las aguas residuales, por su mayor o menor concentración, en fuertes y débiles, teniendo las primeras una mayor concentración de materia putrefacta. Debido a la gran variedad de desechos que se vierten en las aguas residuales es demasiado dificil enumerar todas las características que éstas pueden tener por lo que se realizan pruebas para determinar las características que tienden a afectar mayormente el medio en donde estos líquidos se dispondrán. 1. Características físicas Las aguas residuales contienen generalmente una proporción inferior al 0.1% 11 (1000 p.p.m.) de sólidos totales, provenientes de los minerales originalmente presentes en el agua, más las substancias orgánicas e inorgánicas provenientes del uso de ella y de los residuos industriales. Los sólidos presentes en las aguas residuales, no importando su origen pueden ser clasificados en: sólidos suspendidos y sólidos filtrables. Los sólidos suspendidos son aquellos que quedan retenidos en el papel filtro, estos se clasifican a su vez en sólidos sedimentables y sólidos coloidales. Los sólidos filtrables son aquellos que pasan a través del papel filtro y estos se clasifican en sólidos coloidales y en sólidos en disueltos. Según los estudios de Metcalf y Eddy (1981,42) en el gráfico 2.1 se encuentran las condiciones físicas de los principales constituyentes de aguas residuales domiciliarias de concentración media. 2. Características químicas Las aguas residuales contienen substancias de origen vegetal, animal y mineral. Las substancias de origen mineral en las aguas residuales son de menor consecuencia que las de origen orgánico. Las dos primeras constituyen las substancias orgánicas, que corresponde aproximadamente al 50 % de los sólidos. Entre las substancias orgánicas presentes pueden citarse: proteínas, carbohidratos, grasas y otros productos en descomposición. a. Las proteínas son los principales constituyentes de los animales y las plantas. De estructura compleja e inestable, algunas de ellas son solubles en agua. Los principales compuestos de las proteínas son: carbono, hidrógeno, oxigeno y nitrógeno (en proporción que oscila por el 16%), también compuestas aunque en menor proporción de azufre, fósforo y hierro. La descomposición de las proteínas da origen a: anhídrido carbónico, ácidos grasos, aminas e hidrocarburos. Las proteínas y la urea son las principales fuentes de nitrógeno en las aguas residuales. b. Los carbohidratos se encuentran en las aguas servidas como azúcar, almidones, celulosa y fibra de madera. Algunos carbohidratos como los :Lineares son muy solubles en agua, mientras, otros, como los almidones son insolubles. El alcohol y el anhídrido carbónico son productos de la descomposición del azúcar, causada por algunas bacterias y levaduras que producen su fermentación. Los almidones son más estables, pero pueden ser convertidos en azúcares por algunos fermentos 12 Gráfico 2.1 Sólidos totales en las aguas residuales Sólidos sedimentables (2 horas) 150 p.p.m. Orgánico 100 p.p.m. Mineral 50 p.p.m. Sólidos suspendidos 300 p.p.m Orgánico Sólidos coloidales 100 p.p.m 150 p.p.m Mineral 50 p.p.m. Total sólidos, 800 p.p.m. Sólidos coloidales, +/- 200 p.p.m Total sólidos, 800 p.p.m. Orgánico Sólidos coloidales 40 p.p.m. +/- 50 p.p.m Mineral 10 p.p.m. Sólidos filtrables, 500 p.p.m. Orgánico Sólidos 160 p.p.m. Disueltos 450 p.p.m. Mineral 290 p.p.m. 13 microbianos o por ácidos minerales diluidos. Debido a su resistencia a la descomposición, la celulosa es el carbohidrato más importante encontrado en las aguas residuales. c. Las grasas, generalmente se refiere a ellas como las materias solubles en éter, en las aguas residuales se encuentran como: aleico, palmítico, alcohol glicérico (glicerina) y esteárico. Éstas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno en diferentes proporciones, se encuentran en carnes de animales, nueces, cereales y ciertas frutas. De composición estable, lo que los hace uno de los compuestos orgánicos más resistentes a la descomposición bacteriana. En presencia de ácidos minerales, las grasas son atacadas dando como resultado ácidos grasos (oléina, palmitina, estearina, etc.), que en presencia de hidróxido de sodio forman jabón con este por saponificación. Las aguas residuales no sólo tienen en solución gases comunes en la atmósfera como: oxígeno, nitrógeno y anhídrido carbónico, sino también otros gases productos de la descomposición como: metano (derivado de la descomposición de los lodos), nitrógeno en forma gaseosa (producido por la materia orgánica en descomposición), anhídrido carbónico (producido por el desdoblamiento de la materias carbonáceas), ácido sulfhídrico que le da a las aguas residuales un olor muy desagradable (debido a la descomposición de materia orgánica con azufre) Cuando el agua residual es fresca (menos de dos horas de haber sido usada) es de un color gris claro y tiene una reacción ligeramente alcalina; pero al empezar los procesos de descomposición de las substancias se toma a una reacción ácida y obtiene un color negruzco debido a la formación de sulfuro ferroso. Al descomponerse las aguas residuales se pueden producir compuestos volátiles como indol, estaco], cadaverina y mercaptán, si la descomposición se da en condiciones anaerobias. 3. Características biológicas Las aguas residuales contienen un gran número de organismos, siendo la mayoría 14 bacterias, la mayor parte de las cuales son imprescindibles para la transformación y estabilización de la materia orgánica. Por otra parte, pueden incluir organismos patógenos que la hacen peligrosa para la salud de la comunidad. 4. Parámetros de calidad de las aguas iT,zidna-les A continuación se definen las características que sirven como parámetros del nivel de contaminación de las aguas residuales. Dichos parámetros son utilizados también para reflejar la eficiencia de los procesos de remoción de la materia orgánica presente en las aguas residuales, los parámetros considerados son: temperatura, oxígeno disuelto (OD), demanda bioquímica de oxígeno (DB05), potencial de hidrógeno (pH) y sólidos totales, disueltos, suspendidos y sedimentables. a. Temperatura La temperatura del agua es un parámetro muy importante por su efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas y las velocidades de reacción. Al aumentar la temperatura se favorece el proceso de sedimentación, ya que - esto hace disminuir la viscosidad del agua, además puede producir cambios en las especies piscícolas, se puede dar lugar al crecimiento indeseable de plantas acuáticas y hongos. Por otra parte, el oxígeno es menos soluble en agua caliente que en agua fría. El aumento de la velocidad de las reacciones químicas que supone un aumento en la temperatura, junto con la disminución de la concentración de oxígeno disuelto, puede dar como resultado un alto porcentaje de mortalidad de la vida acuática. "Según la localización geográfica, la temperatura media anual del agua residual varia de 10°C a 21°C, siendo pues 15°C un valor representativo." (Metcalf y Hedí,1981,60). b. Oxígeno disuelto (OD) Este parámetro es de suma importancia, porque es un indicador para la preservación de la vida acuática. Mide la concentración de oxígeno en las aguas. En el tratamiento de las aguas servidas, se lleva a cabo un proceso aerobio de degradación y descomposición de la materia orgánica. Esto es posible por las actividades de los microorganismos presentes en estas aguas ya que el oxígeno es uno de los elementos necesarios para que se realicen tales actividades. La concentración del oxígeno disuelto en el agua se determina generalmente por el método de Winkler. Para que las aguas puedan soportar vida acuática deben tener entre 3 y 4 p.p.m de oxígeno (Metcalf y Hedí, 1 981,60). $5 c. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) Metcalf y Eddy definen la demanda bioquímica de oxígeno como "la medida de oxígeno disuelto utilizado por los microorganismos en la oxidación bioquímica de la materia orgánica"(1981,61) Como parámetro la DBO3 se utiliza en el tratamiento de aguas residuales y en el control de calidad de las aguas para determinar el grado de contaminación y de materia orgánica presente, por lo que: cuanto mayor es la DBO5, mayor es el grado de contaminación y a medida que decrece este valor, la materia orgánica se estabiliza. La DBO5 se expresa en p.p.m. y se acostumbra establecerla para un período de incubación de cinco días a 20°C. Para determinar la DBO5 en las aguas residuales se acostumbra realizar una prueba en la que se diluye el agua residual en agua destilada y se deja incubar. Luego con el método de Winkler se determina la cantidad de oxígeno disuelto en la muestra que se compara con el oxígeno disuelto en una muestra testigo. Realizando una simple operación aritmética con estos valores se determina la DBO5. d. Demanda Química de Oxígeno (DQO) Es una medida indirecta para determinar la cantidad de oxígeno que se requiere para oxidar parcial o totalmente la materia organica biodegradable y no biodegradable, presente en el agua residual, mediante un agente químico fuertemente oxidante en un medio ácido y cuyos resultados se expresan en p.p.m. Este parámetro por lo general, siempre es mayor que la DBO5, se debe a que la DQO mide la demanda orgánica e inorgánica presente en las aguas negras (biodegradable y no biodegradable). Además tiene una ventaja sobre la DBO5, porque se pueden cuantificar los resultados en un tiempo mucho más corto (mínimo tres horas). Mediante la relación DBO5/DQO, se permite determinar si los desechos que contienen el agua residual pueden ser degradados biológicamente o si los desechos no son tratables biológicamente. e. Potencial de Hidrógeno (pH) Expresa la condición de la solución si es ácida o alcalina. Para los proceso biológicos de tratamiento de las aguas residuales de origen doméstico, el pH debe ser controlado dentro de rangos favorables (6.5 a 8 unidades de pH), para favorecer el crecimiento de microorganismos y bacterias encargadas de estabilizar la materia orgánica. f Sólidos Constituyen todo aquella materia orgánica que está en estado sólida y 16 que están sujetas a sedimentación mediante la acción gravitacional, posteriormeriie formarán parte de los lodos en los sedimentadores. Probablemente por sus características fisicas tienen mayor importancia para el dimensionamiento y control de operación de las unidades de tratamiento, es de especial interés evaluar los sólidos disueltos y sedimentables, ya que estos son los sólidos que pueden ser removidos y reducidos, mediante los procesos de tratamiento en las diferentes unidades. C. Métodos de disposición de efluentes Una vez recolectadas las aguas residuales es necesario buscar un método de disposición que no afecte a la comunidad ni al medio ambiente que la rodea, ya que una mala disposición de esta agua puede provocar condiciones que pongan en peligro la salud colectiva, o afectar la apariencia estética de playas, ríos, lagos. Las aguas residuales se acostumbran descargar en: masas de aguas (disposición por dilución), en la superficie de la tierra (disposición por irrigación), o bien, en capas subsuperficiales (disposición por campos de riego subsuperficiales). 1. Disposición por irrigación y campos de riego En determinadas ocasiones, cuando la composición de los líquidos residuales lo permiten, se puede disponer de ellos por irrigación sobre terrenos de cultivo de productos que no se consuman crudos. Para disponer de las aguas residuales de esta manera, se necesita un área de terreno bastante apreciable, que no se encuentre drenando directamente hacia cursos de agua que se puedan ver afectados. El terreno debe ser permeable y debe tener subdrenes de grava y arena. En comunidades pequeñas en donde no existe sistema de recolección, se pueden disponer las aguas residuales por medio de los campos de riego. Los afluentes de las fosas sépticas y aún de los tanques Inhoff son dispuestas en tuberías de juntas abiertas, entenadas a poca profundidad para permitir el proceso aeróbico de descomposición bacteriana de la materia orgánica presente en estas y permite que el agua se infiltre a capas más profundas. 2. Disposición por dilución Este método consiste en descargar las aguas residuales dentro de masas de agua 17 (aguas residuales) que por sus características, puedan recibir las aguas residuales sin causar problemas sanitarios o estéticos al medio ambiente que los rodea. Para esto. e:; necesario cumplir con una serie de normas que, entre otras cosas prohibe que las aguas receptoras reciban descargas muy altas que le imparten olores ofensivos, o aguas residuales que contienen sólidos visibles, flotantes, sedirñentables, aceites o depósitos de lodo. Para cumplir estas normas es necesario aplicar tratamientos conectivos a las aguas residuales, en la mayoría de los casos se trata de tratamientos primarios tales corno: remoción de sólidos flotantes y otras materias suspendidas mediante el uso de rejillas, cámaras desarenadoras y sediementadores primarios. En algunos casos es necesario usar la precipitación química. Cuando los cursos de las aguas receptoras son explotados para la pesca, crianza y cultivo de moluscos, con fines recreativos o bien como fuentes de abastecimiento de aguas, se debe de aplicar un tratamiento completo a las aguas residuales, incluyendo la desinfección. La autodepuración de los cursos de agua es el proceso natural que tiende a estabilizar las aguas residuales una vez dispuestas en las masas de agua. La descomposición de la materia orgánica, resultado de la acción bacteriana, se manifiesta desde el momento de la disposición de las aguas residuales y continua después de que éstas se diluyen dentro de las aguas receptoras o sean trasladadas dentro del curso receptor. Al principio, las substancia orgánicas, son transformadas por el proceso de putrefacción en: amoníaco, bióxido de carbono, anhídrido sulfuroso, etc. Después de ser oxidados pasan a nitratos, sulfatos, almidones, azúcares, etc. La sedimentación natural; la acción de los rayos solares, la aireación y la acción bacteriana permiten que el proceso de autodepuración se verifique. 3. Condiciones sanitarias para aguas receptoras Para determinar los tratamientos y condiciones previas para disponer de las agua residuales en las masas de agua, es necesario conocer las condiciones mínimas recomendadas por las instituciones de salud pública. En la actualidad Guatemala no tiene una ley sobre el particular, por lo que autores como Gustavo Rivas Mijares y Francisco Unda Opazo recomiendan seguir los lineamientos de asociaciones internacionales acreditadas. Ellas, en general, establecen que. " los cursos deben permanecer aptos para 18 la cría de peces, no contaminar los campos de ostras y no producir olores notables, desagradables", (Unda Opazo, 1969,103) para lo cual fijan: - El contenido de oxígeno disuelto que debe permanecer en el agua debe estar entre el 25% y el 35% de saturación. - Otros lo limitan, indicando que las aguas residuales por descarga no deben de exceder de 4 ppm. de demanda bioquímica de oxígeno a los 5 días. - Las partes por millón mínimos, de oxígeno disuelto en el agua, para que soporte la vida de la mayoría de peces, es de 3 a 4 ppm lo que podría constituir un elemento de limitación. - Además la turbiedad o alto PH, substancias venenosas o substancias suspendidas, pueden también ser limitadas, de acuerdo con sus efectos sobre los organismos vivientes que sea necesario preservar. - The American Public Health Assosiation , sugiere que el índice coliforme de las aguas afectadas no sea superior a 50 — 100 cm3. - Cuando se descarga en mares, donde el nivel de saturación de oxígeno es menor, implica una mayor dilución de las aguas residuales. 19 III. PLANTAS DE TRATAMEINTO DE AGUA POTABLE Los tratamientos correctivos tienen como objetivo mejorar la calidad fisica, química y biológica del agua, para ajustarla a parámetros mínimos de calidad y poder utilizarla para consumo doméstico o industrial. Según sean las características del agua a tratar, las plantas de tratamiento de agua se componen de diferentes unidades, aunque en general se pueden presentar los siguientes casos: - Aguas relativamente claras, con bajo color y contenido mineral normal. En estos casos podría ser suficiente filtrar el agua y aplicarle un tratamiento de desinfección. - Aguas con turbiedad y color relativamente altos y contenido mineral normal. Para este caso se requiere unidades de mezcla, floculación y decantación, Además de las unidades de filtración y desinfección para asegurarnos que el agua cumpla con los requisitos mínimos de potabilidad establecidos en el capítulo anterior. - Aguas con turbiedad y color altos, que además, presentan olores y sabores desagradables y un contenido mineral más alto que el permitido para uso de comunidades. En estos casos, adicionalmente a las unidades de mezcla, floculación decantación, filtración y desinfección se requiere aplicar procesos fisicos (aereación) y químicos (ablandamiento) para eliminar los olores, sabores y excesos de minerales. Pueden naturalmente presentarse combinaciones de los casos anteriores, que causan variantes a los tratamientos antes descritos. Las unidades y etapas fundamentales de los procesos de tratamiento para obtener agua potable son las siguientes: A. Medidor de gasto B. Aeración C. Coagulación D. Sedimentación E. Filtración F. Ablandamiento G. Estabilización del agua H Desinfección del agua 20 I. Control de olor y sabor J. Fluoración K. Remoción de hierro y manganeso A. Medidor de gasto Es indispensable conocer el volumen (gasto) de agua que entra en la planta de tratamiento, ya que de éste depende la cantidad de coagulante que se le agregará el agua cruda para su tratamiento. Además, las pérdidas de agua a través de la planta se expresan en porcentaje del gasto de agua cruda que entra a la planta. Existen muchas formas de medir el gasto o volumen de agua que entra a una planta de tratamiento, entre los medidores más utilizados están: el medidor de Venturi, los vertederos de pared delgada o los canales Parshal E! canal o medidor ParshaLes un_ sistema utilizado en canales abiertos, consiste en una estructura de concreto u otro material que produce el escurrimiento crítico. En este caso el gasto es directamente proporcional a la altura y se mide a través de una regla graduada en conexión a un flotador situado en una cámara adyacente. Debido a que el medidor Parshal trabaja creando un salto hidráulico, este es utilizado no solo para medir el gasto, sino para mezclar el agua cruda con el producto químico que se le aplique. B. Aeración La aeración se practica en el tratamiento de agua por tres razones: Para introducir oxígeno al agua; para dejar que escapen los gases disueltos, como el bióxido de carbono y el ácido sulfhídrico; para eliminar las sustancias volátiles que causan olor y sabor. La introducción de oxígeno al agua ayuda a la eliminación del hierro y manganeso, lo hace precipitar como sales solubles. La eliminación de bióxido de carbono reduce la acción corrosiva de las aguas. Debido a la presencia de este gas en la atmósfera es muy dificil reducir su concentración debajo de 5 p.p.m. por aeración solamente (linda Opazo). La efectividad para eliminar olores y sabores por aeración es muy poco efectiva, y se debe complementar con procesos de tratamiento más adecuados. La aeración se puede llevar a cabo por diferentes métodos, siendo el más eficaz el uso de aspersores por medio de los cuales el agua forma gotas muy pequeñas en la atmósfera. Otro método consiste en descargar el agua por medio de una tubería elevada, en una serie de artesas que contengan piedra triturada o carbón de las que caiga el agua a través de agujeros al fondo de éstas. 21 Hacer pasar aire comprimido por medio del agua a tratar puede ser otro método de aeración C. Coagulación El objetivo de la coagulación es facilitar o hacer posible la sedimentación de partículas finamente divididas o en estado coloidal, mediante el agregado de agentes quimicos. Existe una serie de factores que afectan la coagulación y entre ellos se pueden citar: la clase de coagulantes, cantidad de coagulante, características fisica del agua, características químicas del agua, tiempo de mezcla y floculación, violencia en la agitación, etc. El proceso de coagulación esta constituido por tres fases que incluyen operaciones mecánicas y químicas, siendo estas: agregado de agentes químicos (coagulantes); mezcla o difusión, etapa en :a cual el agente químico (coagulante) se dispersa rápidamente en el agua cruda; floculación, etapa en la que las partículas finamente divididas o en estado coloidal, van aglomerándose para formar floculos hidratados de tamaños tales que puedan sedimentar bajo la fuerza de gravedad. 1. Agregado de agentes químicos Ei color y la turbiedad del agua en estado natural son causados principalmente por las partículas conocidas como coloidales que tienen tamaños que varían de lmg a 100 mp (1 milimicróm mp = lVmm) debido a su tamaño estas partículas tienen velocidades de sedimentación demasiado pequeñas, por lo que se hace necesario agregar algún agente químico coagulante que acelere el proceso de sedimentación de dichas partículas. Los principales coagulantes utilizados en este proceso son sales de aluminio o hierro de los ácidos sulfúrico y clorhídrico Alumbres: Hay cuatro alumbres que se emplean en el proceso de coagulación: 1) Sulfato de aluminio cristalizado (Filter Alum) Al2(SO4)3, 18H20 2) Sulfato de aluminio y potasio Al2(SO4)3, K2S03, 241120. 3) Sulfato de aluminio y amonio Al2(SO4)3, (NH4)2SO4, 24H20. 4) Aluminato de sodio Na2Al2O4. Sales de hierro: 1) Sulfato ferroso (cooperas), FeSO4, 7H20. 2) Cloruro férrico, FeC13. 22 3) Sulfato férrico Fe2(S043. 4) Sulfato y cleFuro férrico (copperas doradas) Fe2(SO4)1. La dosificación de coagulantes se realiza en función de la calidad del agua a tratar. Existen dos sistemas de dosificación: en seco y solución. Dosificación en seco. Los coagulantes en forma granulada se agregan direCtainente a un pequeño volumen de agua, que lo disuelve antes de inyectarlo al agua a ti atar. La dosificación en seco puede ser volumétrica o gravimétrica. El sistema de dosificación en seco se usa con buenos resultados para alumbre, sulfato férrico, carbón activado en polvo, cal y ceniza de sosa; mientras que para el sulfato ferroso trae ciertas dificultades ya que este tiende a aglomerarse. Dosificación en solución. Para utilizar este sistema de dosificación es necesario que los coagulantes sean disueltos previamente en tanques que están diseñados para un periodo de tiempo razonable. La concentración a utilizar es determinada por las especificaciones del equipo utilizado. Es necesario que estos dosificadores utilicen mecanismos agitadores para mantener la uniformidad de la mezcla. Las características químicas del agua determinan qué coagulante es el más apto para obtener una coagulación satisfactoria en un tiempo mínimo y con una mínima cantidad de coagulante. En una planta de tratamiento es necesario determinar que coagulante utilizar y su dosis en función de las variaciones que pueda tener el agua a tratar. 2. Mezcla o difusión Su objetivo principal es originar una agitación violenta del agua, a fin de producir la dispersión del coagulante. El tiempo requerido de agitación es corto alrededor de un minuto, siempre que la turbulencia sea suficiente. La velocidad mínima debe ser del orden de 1.50 m/seg. La agitación requerida se puede lograr utilizando bombas de agua cruda, canales con desviadores o tabiques, resalto hidráulico, estanques de flujo tangencial, estanques de agitación por aire, etc. De estos sistemas, el resalto hidráulico es la unidad más económica y con menos gastos de mantenimiento. 3. Floculación: Después que el coagulante ha sido uniformemente distribuido en la masa de 23 • agua, se forma un "microfloculo" que no sedimenta por acción de la gravedad. Mediante el acondicionamiento o agitación leve del agua que tiende a hacer que las partículas entren en contacto y se adhieran unas con otras se consigue aumentar el tamaño del microfloculo hasta formar un floculo susceptible a la sedimentación. Lo ideal para la formación del floculo es una agitáción moderada continua decreciente, ya que a medida que el floculo crece se hace mas frágil. La agitación necesaria para la formación del floculo, puede lograrse por métodos hidráulicos o mecánicos. El método hidráulico más común es el estanque con tabiques desviadores, en el que el agua fluye "rodeando los bordes" o "por arriba y por abajo" de los tabiques desviadores que han sido colocados de manera que se produzca el grado de turbulencia deseado. De los métodos mecánicos, el más común consiste en un sistema de paletas accionadas por un motor, de manera que se puede regular la velocidad de rotación de las paletas para que se produzca el grado de agitación óptimo. Las paletas pueden girar sobre un eje horizontal o vertical, longitudinal o transversalmente a la dirección del flujo. A veces se colocan varias paletas en serie, haciendo girar a la primera paleta a mayor velocidad que las demás para con ello ir disminuyendo gradualmente la turbulencia del agua. La práctica ha demostrado que en unidades de floculación se obtienen buenos resultados cuando la velocidad media de flujo varia entre 0.45 y 0.15 m/seg, con períodos de floculación entre 15 y 45 minutos. D. Sedimentación La sedimentación se define como: "El proceso que permite que partículas en suspensión o estado coloidal precipiten al descender a través del agua por efectos de gravedad, cuando estas partículas poseen un peso específico mayor que el líquido que las contiene"(Unda Opazo,1963,115). Cuando la sedimentación de las partículas en suspensión y en estado coloidal se produce solamente por la acción de la gravedad, la operación recibe el nombre de Sedimentación simple. Cuando al agua se le agregan productos químicos para favorecer el asentamiento de la materia finamente dividida o en estado coloidal el proceso de sedimentación recibe el nombre de sedimentación por coagulación. Cuando los productos químicos se 24 agregan para separar de la solución las impurezas disueltas, la operación se describe como precipitación química. Según las propiedades del agua a tratar, los tanques de sedimentación se pueden diseñar para: la remoción del exceso de partículas que se asientan con facilidad, su finalidad es evitar daños en las líneas de conducción y otros equipos (predecantores); tanques que remuevan las partículas con tamaños y densidades apreciables (desarenadores); impurezas coaguladas (sedimentadores); y tanques que eliminen las impurezas precipitadas como la dureza y el hierro. A continuación se hará una pequeña descripción de cada una de estas unidades. 1. Predecantor Cuando la turbidez del agua sobrepasa. las 5000 p.p.m., se utilizan los predecantadores, que son estanques diseñados para que en un período de retención relativamente corto (generalmente de una hora y media a dos horas y media) se elimine un alto porcentaje de las partículas en solución (linda Opazo). Estas unidades evitan el recargo de otras unidades de la planta, generalmente se colocan en el mismo sitio que la captación para evitar que las líneas de conducción se obstruyan, deterioren o desgasten. Cuando es necesario bombear el agua a los sitios de tratamiento los predecantores protegen los equipos de bombeo, que de otra manera se arruinarían de inmediato, debido al desgaste a que los someterían las partículas en solución. 2. Desarenador Las aguas provenientes de fuentes superficiales, generalmente van cargadas de lodos y otras impurezas precipitables, provocadas por la erosión del terreno que recorre. Estas impurezas son eliminadas por los desarenadores que tienen como función remover partículas sólidas de ciertos tamaños (según diseño) y densidades apreciables. Partículas como las arenas requieren cortos períodos de retención ya que poseen altas velocidades de asentamiento y la velocidad horizontal a la que están sometidas en los desarenadores es demasiado pequeña que no influye. El desarenador, es generalmente de forma rectangular, está constituido por canales o estanques que permiten reducir la velocidad del agua para permitir la sedimentación de las partículas de mayor gravedad específica que la del agua, estos estanques se disponen de desagües para desalojar el material decantado, ya. sea de forma gravitacional o mecánica. Las paredes son lisas, con pendiente de fondo hacia un canal de drenaje. 3. Sedimentador Después de pasar por el proceso de coagulación, el agua es llevada ‘a un tanque a través de la cual fluye a tan baja velocidad que el material suspendido caerá depositándose en el fondo, saliendo de éste un agua relativamente ciara. Al igual que los tanques desarenadores los tanques sedimentadores disponen de desagües para desalojar el material sedimentado, ya sea de forma gravitacional o mecánica. Probablemente los factores de operación más importantes de un tanque de sedimentación son: que el escurrimiento se haga a una velocidad uniforme; que el agua al entrar en el tanque provoque la mínima turbulencia; el impedirccorrientes directas entre la entrada y salida del tanque; que el afluente salga sin provocar disturbios para que no arrastre hacia afuera del tanque el material sedimentado; que el período de retención sea suficiente para que los floculos puedan sedimentar. El período de retención del agua en tanques de sedimentación bien diseñados puede ser de tres a seis horas con velocidades horizontales menores de 0.90 m/seg (TJnda Opazo). E. Filtración La filtración se puede definir como "el proceso por el cual se separa la materia suspendida mediante el paso del agua a través de una capa porosa (generalmente arena) que detiene las partículas en suspensión" (linda Opazo, 1963,121). La filtración para gastos de importancia, se efectúa en: filtros lentos y filtros rápidos, existen otros tipos de sistemas para gastos pequeños y usos industriales que no se discutirán en este trabajo. I. Filtros lentos Los filtros lentos se utilizan para el tratamiento de las aguas ligeramente turbias y por regla general sin coagulación previa. Estos filtros están formados por una capa de arena que varía entre 0.60 a I m de espesor, asentada sobre una capa de grava de 0.30 a 0.40 m de espesor. Bajo la capa de grava se encuentra un sistema de desagüe capaz de captar el agua filtrada, este sistema está en conexión con un sistema de control de entrada y salida del agua que mantiene constante la carga y regula el gasto de salida. 26 Completa el filtro un indicador de la pérdida de carga. La tasa de filtración es de 1.3 a 6.5 1/m2/min. Debido a su tasa de filtración los filtros ienios requieren de grandes superficies para atender una población. A medida que el proceso de filtración se realiza se va formando en la parte superior del filtro una película semigelatinosa llamada "Schmutzdecke" (cubierta de suciedad), y los granos de arena de la capa superior se cubren de una mucílago de partículas finas de arcilla, coloides y microorganismos que no sedimentaron en el estanque correspondiente. La retención de las partículas hace que el filtro se obstruya, por lo que es necesario someter la arena a una lavado ya sea retirándola del estanque o por medio de eyectores especiales. El período de trabajo de un filtro antes de la limpieza depende de: la tasa de filtración, turbiedad, granulometría de la arena y tipo de tratamiento previo que se le ha dado al agua. 2. Filtros rápidos Para poder utilizar eficiente los filtros rápidos es indispensable que al agua a tratar se les aplique primero los procesos de coagulación y sedimentación. Estos filtros están formados por una capa de arena de 0.60 a 0.65 m de espesor, soportada por grava de una altura de 0.30 a 0.40 nn y de granulometría creciente hacia abajo, la cual tiene por objeto prevenir que la arena pase a través del sistema de drenaje durante el proceso de filtración. Debajo de la grava se coloca un sistema de desagüe que recolecta lo filtrado o permite repartir el agua de lavado. Por sobre la arena se colocan las canaletas de lavado. La carga o altura de agua sobre la arena debe de mantenerse constante durante el proceso de filtración (1.20 m corno mínimo). Los filtros rápidos operan con una tasa de filtración que varía de 80 a 120 1/m2/min, y aún más, debido a la alta tasa de filtración, los filtros rápidos se obstruyen más rápido que los filtros lentos, por lo que es necesario lavar más a menudo el material filtrante. Esta operación se realiza haciendo escurrir el flujo en sentido inverso al normal; es decir: el agua limpia circula de abajo a arriba, provocando un movimiento de agitación y fricción de la arena, lo que desaloja las partículas adheridas a ella. El agua utilizada para el lavado se recolecta en las canaletas de lavado y se desvía al desagüe. El agua utilizada en el lavado del filtro proviene del "tanque de lavado", que se puede encontrar en una cota 27 más alta que le permita disponer de la presión necesaria para realizar el lavado. Cuando el tanque de lavado no se encuenti a en una cota más alta se pueden usar bombas para obtener la cantidad de agua necesaria a suficiente presión para realizar el lavado del filtro. F. Ablandamiento Un alto contenido de los iones de calcio (Ca) y magnesio (Mg) en el agua provoca la precipitación del jabón y la formación de compuestos incrustantes que dañan las tuberías, calderas y otros equipos que tengan contacto con el agua. El proceso mediante el que se eliminan los iones de calcio y magnesio se conoce como ablandamiento. Dos son los métodos más utilizados para el ablandamiento del agua, y son: el de precipitación y el de permutación ionica. 1. Método de precipitación También conocido como el método de cal — sosa. Este proceso consiste en agregar al agua cruda cal viva (CaO), cal apagada (Ca(OH)2) o sosa cáustica (Na(OH)). La cal reacciona con los bicarbonatos solubles de calcio y de magnesio, que son los que causan la "dureza de carbonatos", formando carbonato de calcio hidróxido de magnesio que scn insolubles. Mientras que la sosa reacciona con compuestos solubles no carbonatados de calcio y magnesio, que causan la "dureza de no carbonatos", precipitando compuestos insolubles de calcio y magnesio, pero dejando en solución los compuestos de sodio que no consumen jabón . Este proceso se aplica generalmente en conjunto con el proceso de clarificación, se acostumbra a dosificar los compuestos ablandadores junto con el coagulante. 2. Método de permutación jónica Este proceso se basa en la habilidad de ciertos compuestos para intercambiar iones con otras substancias disueltas en el agua. Cuando el agua dura pasa a través de un intercambiador de iones (zeolita), los iones de calcio y magnesio son reemplazados por iones de sodio en el agua. Una vez que la capacidad de la zeolita se ha agotado, se restaura tratándola con una solución de NaCI (sal común). El calcio y el magnesio se remueven como cloruros y la base de Na se regenera. 211 Las zeolitas se colocan en unidades de filtración, usualmente se prefieren filtros de presión ya que se pueden fabricar unidades estandarizadas, aunque se pueden utilizar filtros de arena gravitacionales con flujo hacia abajo o hacia arriba, siempre que se proporcionen las condiciones hidráulicas deseadas. El espesor de la capa de zeolita varia de 0.60 a 1.80 ni con gastos de 160 a 320 It/min/m2 en filtros con flujo ascendente y 120 a 200 li/min/m2 en filtros con flujo descendente. Las unidades con flujo descendente deben de retrolavarse antes de regenerarse. G. Estabilización del agua La finalidad de este proceso es entregar al consumidor un agua que tienda a evitar incrustaciones o corrosión en las tuberías de las redes de distribución y sistemas afines. Según el Manual de tratamiento de las aguas del Estado de Nueva York la corrosión no es más que "la disolución del hierro u otros materiales de las tuberías, por el agua". El mecanismo por el cual se lleva a cabo la corrosión del hierro consiste reemplazar las moléculas de éste por iones de hidrógeno del agua y en la formación de hidróxido ferroso una substancia insoluble formada por iones de hidrógeno e iones de hierro.Estas acciones tienen lugar en la superficie del metal, y tanto la capa de hidrógeno como la de hidróxido ferroso actúan como protectoras del metal ya que no permiten que más iones de hidrógeno se pongan en contacto con el hierro. Sin embargo, esta capa protectora es desprendida de la tubería por la acción erosionadora del agua en movimiento, o atacada por algunos elementos presentes en el agua como el oxígeno o el bióxido de carbono, este último desprende la capa de hidróxido ferroso (insoluble) combinándose con ella para conformar bicarbonato ferroso que es una substancia soluble. Mientras que el oxígeno removerá los iones de hidrógeno para combinarse con ellos y formar agua. Sin embargo el oxígeno juega un papel adicional, cuya naturaleza depende de que haya o no bióxido de carbono. En ausencia de este, el oxígeno convertirá el hidróxido ferroso en óxido férrico que es aún menos soluble y permanece en la superficie de metal actuando como una capa protectora. La estabilización del agua puede llevarse a cabo por cualquiera de los siguientes procesos: 1) reducción de la concentración los iones de. hidrógeno 2) reducción del 29 contenido de bióxido de carbono, y 3) manteniendo una capa protectora sobre la superficie de meldl de la tubería. 1. Control de los iones de hidrógeno Es imposible la eliminación por completo de los iones de hidrógeno, pero se pueden disminuir mediante la adición de cualquier sal básica como: la sosa cáusica, cal, sosa calcinada o los lechos de piedra caliza o mármol triturado. La cal, la sosa calcinada y la sosa cáusica son las substancias más eficientes para disminuir la concentración de los iones de hidrogeno. La cal es de bajo costo, forma una capa protectora; pero esta aumenta la dureza del agua lo que es indeseable. Mientras que la sosa cáusica es la más eficiente de las substancias para disminuir la concentración de lob iones de hidrógeno pero su costo es mayor y esta no produce la capa protectora. La sosa calcinada tiene costo y eficacia razonable, no dureza y no forma capa protectora. 2. Control del bióxido de carbono La efectividad del bióxido de carbono como agente corrosivo, se puede reducir por aeración hasta una concentración de 5 p.p m (concentración del bióxido de carbono en el ambiente). Más abajo de este límite el bióxido de carbono debe transformarse en bicarbonato o carbonato, que son substancias sin propiedades corrosivas. Para efectuar este cambio es necesario agregar al agua alguna substancia alcalina. 3. Recubrimientos protectores Los recubrimientos de la tubería pueden ser químicos o fisicos. Los químicos se logran agregando al agua cal o piedra caliza triturada, estos forman una película protectora de carbonato de calcio sobre la superficie de la tubería. El recubrimiento físicos de la tubería metálica se logra con compuestos de alquitrán, esmalte bituminoso u otra substancia semejante que resultan ser muy eficaces para proteger la tubería contra la acción del agua y el suelo circundante. H. Desinfección del agua La desinfección permite la destrucción de todos los organismos patógenos, mediante la aplicación directa de medios químicos o fisicos En la actualidad, la cloración es el 30 método más utilizado para la desinfección del agua en plantas de tratamiento para consumo público, debido a su fácil aplicación, bajo costo, su efecto inofensivo para el hombre en las dosis utilizadas, facilidad para mantener un cloro residual en la red de distribución y efectiva acción. Según el punto de aplicación, se denomina: Cluración simple. Se define como la aplicación de cloro al agua de un servicio que no recibe otro tratamiento. Precloración. Se define como la aplicación de cloro al agua , anterior a cualquier otro proceso. Esto mejora la coagulación, retarda la descomposición de la materia orgánica retenida en los lodos, controla el crecimiento de algas y otros microorganismos en los tanques, elimina ciertos olores y sabores oxidando la materia orgánica y reduce el crecimiento biológico en los filtros. Poscloración. Es la aplicación de cloro al agua después de cualquier proceso. Generalmente se aplica después de la filtración, pero puede precederla. Recloracion Se aplica en cualquier punto del sistema de distribución previo al proceso de cloración, corno: estanques de acumulación, estaciones de bombeo, etc. Se hace para asegurar la dosis de cloro residual apropiada. 1. Control de olor y sabor e Las causas de los olores, sabores y colores del agua se agrupan en dos grupos: naturales y originados por el hombre. El primer grupo incluye los causados por las algas, vegetación en descomposición, limo orgánico, materias orgánicas y minerales; y dentro de las segundas causas se agrupan aquellas derivadas de las aguas negras y residuos industriales. Hay dos métodos básicos para el control del olor: método preventivo y método correctivo. 1. Método preventivo Este método consiste en tratar de evitar la formación de los olores y sabores, eliminando sus causantes, antes de que los produzcan. En el agua, las algas son la causa más frecuente. Éstas se pueden eliminar aplicando sulfato de cobre, CuSO4, a las aguas. Otro causante es la materia orgánica que se encuentra en el flujo del agua. Esta debe eliminarse antes de que empiece su proceso de descomposición, que produce 31 olores no deseables en el agua. Por otra parte, dentro del tratamiento preventivo han de considerarse los equipos de la planta. Los tanques de sedimentación deben limpiarse periódicamente para evitar la descomposición de las lodos. Al igual que los filtros donde se desarrollan crecimientos orgánicos que producen olor y sabor El lavado periódico de los muros o paredes con una solución de sulfato de cobre al 5% ayuda a combatir a estos organismos. 2. Método correctivo El tratamiento correctivo se realiza en la planta a través de los procesos tales como: la aeración, aplicación de coagulantes, desinfección con cloro etc. Dichos procesos han sido descritos anteriormente en el capítulo. J. Fluoración La fluoración consiste en agregar al abastecimiento de agua, en cantidades controladas, un compuesto que contenga el ion de flúor. Las Investigaciones epidemiológicas que se realizaron en Estados Unidos demostraron que, para evitar la formación de caries la dosis apropiada de flúor en el agua es de 1 a 1.5 p.p.m. sin notar síntomas de fluorisis. Las sustancias que generalmente se utilizan para la fluoración son: fluoruro de sodio, el fluosilicato de sodio y el fluosilicato de amonio. Estos compuestos se aplican por medio de un dosificador seco. El ácido hidrofluosilicico se aplica por medio de unas bombas de solución que están diseñadas para soportar este servicio. Es importante aplicar el flúor en un punto en el que se pueda asegurar una mezcla completa. El punto de aplicación debe localizarse, de preferencia, en un lugar donde el tiempo de retención iguale la dosis y deje que el compuesto de flúor se disuelva completamente. K. Eliminación de hierro y manganeso del agua Las propiedades de los compuestos de hierro y manganeso en el agua varían según su formación, los iones de Fe y Mn se pueden presentar como: sales inorgánicas solubles u óxidos hidratados en estado coloidal Los métodos para la eliminación del hierro y manganeso se basan en procesos que permiten elevar el PH u oxidar los compuestos para producir un precipitado que se elimina por coagulación, sedimentación y filtración. Dos 32 son los métodos generales para eliminar el hierro y manganeso del agua: proceso de ablandamiento con cal y proceso de oxidación. I. Proceso de ablandamiento con cal Este proceso requiere de un alto PH para poder precipitar el hierro y manganeso, por lo que este proceso se utiliza exclusivamente con aguas que necesitan ser ablandadas o estabilizadas. 2. Proceso de oxidación En algunos casos basta con poner el agua en contacto con el oxígeno atmosférico, para qué el Fe -y Mn se oxiden y precipiten . En casos donde la precipitaciótí natural no es suficiente se pueden utilizar los lechos de contacto . Los lechos de contacto tienen una profundidad de 1.80 a 3 m de espesor de material alcalino (coque, piedra caliza, huevillos, etc.) con cargas de 26 a 58 1/m2/min. Estos trabajar como filtros percoladores con flujo ascendente . La acumulación de Fe y Mn en la superficie de contacto se elimina por lavado similar al de los filtros rápidos. 33 IV. PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Las razones por las que se deben de tratar las aguas residuales se pueden resumir en tres puntos y son: - Consideraciones higiénicas: Eliminar o reducir al máximo los organismos patógenos, a fin de evitar contaminaciones que puedan causar trastornos orgánicos a los individuos. - Consideraciones estéticas: Eliminar todas aquellas substancias que inciden negativamente en los aspectos estéticos y urbanísticos de los sectores donde escurren las aguas residuales. - Consideraciones económicas: Las aguas residuales sin tratamiento pueden causar la desvalorización de las propiedades, perjudicar los servicios de agua para el consumo humano e industrial y afectar la calidad del agua de riego. El tratamiento de las aguas residuales se puede dividir en dos: tratamiento primario y secundario, dichos tratamientos están compuestos de varias unidades. A. Tratamiento Primario El tratamiento primario tiene corno objetivo remover los sólidos gruesos (palos, plásticos, botes, etc.) y los sólidos sedimentables (arenas, grava, semillas, etc.) por medio de procesos físicos, para evitar que estos interfieran en el tratamiento o que puedan dañar o tapar las bombas, tuberías, válvulas y boquillas. El tratamiento primario incluye diferentes estructuras: rejas, tanques de flotación, desarenadores y sedimentadores primarios. 1. Rejas Las rejas son estructuras formadas por barras de hierro que permite pasar papeles, excretas y material más fino, reteniendo, en cambio, materiales de mayor tamaño, tales como palos y plásticos. Para disminuir las pérdidas las rejas deben tener cierta inclinación con respecto a la vertical; asimismo los canales donde se colocan éstas deben ser diseñados para evitar la acumulación de arena y otros materiales pesados antes y 34 después de la reja. El canal, debe ser recto y perpendicular a la reja para procurar una distribución uniforme de los sólidos sobre la reja. Las rejas pueden limpiarse a mano o mecánicamente. Las características de ambos tipos se comparan en la tabla 4.1. Cuando la planta es pequeña la limpieza se hace manualmente, y el material retenido por las rejas es enterrado a una profundidad no mayor de tres m para que exista la suficiente flora bacteriana que acelere el proceso de descomposición. Mientras que en plantas de importancia disponen de sistemas mecánicos de limpieza, que trituran el material retenido por las rejas, para luego devolverlo al flujo. Tabla 4.1 Comparación de rejas según su forma de limpieza Concepto Limpieza Manual Limpieza Mecánica Tamaño de la barra. Anchura, en cm 0.6-1.5 0.6-15 Profundidad, en cm 2.5-7.5 2.5-7.5 Separación, en cm 2.5-5 1.6-7.5 Inclinación respecto a la vertical en ° 30-45 0-30 Velocidad de aproximación en m/seg 0.3-0.6 0.6-0.9 Pérdida de carga admisible en cm 15 15 (Metcalf y Eddy) 2. Desarenad ores El objetivo de los desarenadores es remover de las aguas residuales las partículas con peso específico o velocidad de sedimentación mayor que la de los sólidos orgánicos putrescibles (arena, gravilla, cenizas, café, semillas de fruta, etc.), para proteger los equipos mecánicos de la abrasión; reducir la formación de depósitos pesados en las tuberías y canales y reducir la frecuencia de limpieza de los digestores debido a la acumulación de materias pétreas en tales unidades. Generalmente, estos se utilizan cuando hay sistemas combinados de alcantarillados o descargas industriales que contengan este tipo de materiales. Los desarenadores se diseñan para que tengan un 35 período de retención de 1 a 1.5 minutos, con una velocidad del orden de 0.30 m/seg, para evitar que la materia orgánica se deposite; (linda Opazo). Existen dos tipos de desarenadores: de flujo horizontal y aireados. En el primero de ellos, el flujo atraviesa el desarenador en dirección horizontal, controlando la velocidad y el período de retención mediante las dimensiones del desarenador o con el uso de vertederos. El tipo aireado consiste en un tanque aireado con flujo espiral, en el que la velocidad y el período de retención se controlan por la cantidad de aire que se suministra al tanque. Es necesario que la velocidad en el desarenador sea constante, a pesar de las variaciones del flujo. De lo contrario habrá arrastre de arena a las horas de mayor gasto, y se depositara un exceso de materia orgánica para el gasto mínimo. 3. Tanques separadores de grasas Un tanque separador de grasas consiste en un depósito en donde el agua residual fluye a bajas velocidades permitiendo que las substancias ligeras (aceites, jabones, grasas, pedazos de madera y corcho, residuos vegetales y pieles de frutas) asciendan y permanezcan en la superficie hasta que éstas sean eliminadas, a través de mecanismos especiales, o por medio de un barrido realizado con una cortina de agua; mientras que el líquido sale del depósito en forma continua, a través de una abertura situada por debajo de unos muros o deflectores muy profundos. Esta operación se puede realizar por separado en un tanque especial o combinarse con la sedimentación primaria, lo que depende del proceso y la naturaleza del agua residual. La mayoría de separadores de grasas son rectangulares o circulares y están provistos de un período de retención de 1 a 15 minutos. La salida, que está sumergida, se halla situada en el lado opuesto a la entrada y a una cota inferior a ésta para facilitar la flotación y eliminar cualquier sólido que pueda sedimentar. 4. Preairación Según, Metcalf y Eddy (1981,203) los objetivos de la preairación antes de la sedimentación primaria son: " mejorar su tratabilidad, procurar la separación de grasas, control de olores, eliminación de arenas y floculación; conseguir una distribución uniforme de los sólidos suspendidos y flotantes para su entrada a las unidades de tratamiento; y aumentar la eliminación de DB05" 36 En la práctica, la preairación se realiza en tanques desarenadores aireados, que suelen tener una profundidad de 4.5 m y las necesidades de air:, de 0.6 a 2.4 m3/m3 de auua residual. Con períodos de retención que oscilan entre 10 y 45 minutos. 5. Floculación Aunque no se emplea frecuentemente en el tratamiento del agua residual, la floculación puede utilizarse cuando se desea aumentar la eliminación de sólidos suspendidos y DBO5 en los tanques de sedimentación primaria. La agitación necesaria para la formación del floculo, se puede lograr ya sea con métodos hidráulicos o mecánicos. Metcalf y Eddy aconsejan que el periodo de retención del agua residual en los tanques de floculación sea de 45 minutos. 6. Sedimentador primario Los tanques de sedimentación primaria tienen como 'Parición, eliminar los sólidos fácilmente sedimentables y el material flotantes de los líquidos, lo que implica una reducción del contenido de sólidos suspendidos, menor turbidez y un efluente de menor carga para el tratamiento biológico aerobico. Los tanques de sedimentación primaria se pueden clasificar según su forma (rectangular o circular) y método de limpieza. Según el sistema de limpieza los tanques de sedimentación primaria pueden clasificarse en Tanques de limpieza manual. Generalmente son rectangulares, con pendientes de 1 a 2%. En estos tanques los lodos se acumulan hasta que se nota el desprendimiento de gases, cuando esto sucede los lodos se extraen por bombas, gravedad o presión hidrostática. Tanques de remoción de lodos por presión hidrostática. Tanques con fondo en forma de tolva, la cual permite extraer los lodos por presión hidrostática sin necesidad de vaciar el tanque. Pueden ser circulares o cuadrados. Tanques de limpieza mecánica Pueden ser circulares o cuadrados con pendientes alrededor del 8%. La limpieza se efectúa con raspadores unidos a brazos giratorios, cadenas sin fin o a puentes giratorios que se mueven a una velocidad máxima de 0.60 37 Existen otros tipos de tanques de sedimentación como los tanques de limpieza por tubería móvil o tanques de doble estructura, estos tanques son de usos poco frecuentes. Onda Opazo recomienda un período de retención de las aguas residuales en los tanques de sedimentación primaria es del orden de dos horas, en donde se deben de remover por lo menos el 90% de los sólidos sedimentables. La reducción de los sólidos suspendidos oscila entre 50 y 70 %, y la reducción del DBO5 no debe bajar de 30%. La materia sedimentada es conducida al digestor de lodos. B. Tratamiento secundario Los microorganismos ejercen una función fundamental en el tratamiento secundario, ya que ellos son los responsables de la floculación, de la oxidación de la materia orgánica finamente dividida, en estado coloidal y en solución, y además de la reducción de las bacterias patógenas contenidas por las aguas residuales. Este proceso se conoce también como tratamiento biológico. Hay diferentes unidades para hacer posible este proceso. La elección depende de las condiciones locales, disponibilidad de fondos, resultados esperados, etc. Las diferentes unidades de tratamiento biológico aerobio son: 1. Áreas de riego En este proceso se utilizan las aguas residuales para irrigar campos de cultivo. En el riego por inundación, el agua residual escurre a través del terreno. Parte se infiltra en el terreno o se evapora, y después si es necesario, el resto se recoge a través de un sistema de drenaje. En ocasiones por razones sanitarias no se permite el contacto entre el agua residual y los cultivos, por lo que se trazan zanjas adyacentes a los cultivos y se inundan. Este método tiene riesgos y no es aconsejable, debe de prohibirse su uso en zonas donde se cultivan hortalizas o productos que se pueden consumir crudos, Tampoco se debe de utilizar en terrenos que fluyan hacia cursos de agua que puedan contaminar. 2. Filtros intermitentes de arena Los filtros intermitentes de arena están constituidos por cámaras que constan de una capa de arena de 0.75 a 0.90 m de espesor, descansando sobre una cama de grava (1/4" a 1/8") de 0.15 a 0.40 m de altura, sobre las que se aplican las aguas residuales en forma intermitente. El sistema de drenaje del filtro está constituido por 38 tubos de 4" mínimo de diámetro, perforados con pendiente tal que se produzca el mismo caudal en la entraba y en la salida del filtro. Los filtros intermitentes de arena pueden tolerar hasta cuatro dosis de agua residual por día, pero es necesario que entre cada dosis se permita que el filtro se airee, para que se desarrolle el proceso de floculación y oxidación de la materia orgánica de forma aerobia. La práctica aconseja inundar el filtro hasta una profundidad de 2.5 a 10 cm sobre la superficie de arena, por un período de siete a veinte minutos. Los filtros intermitentes de arena se emplean para pequeñas comunidades, escuelas rurales, hospitales, etc., y sólo se usa para tratar afluentes de fosas sépticas y tanques Imhoff. Se puede esperar que en buenas condiciones los filtros intermitentes de arena tienen un rendimiento del orden de 90% de D.B.O. y sólidos suspendidos, y sobre un 95% de bacterias (Unda Opazo). 3. Filtros percoladores El material de los filtros percoladores debe permitir un buen escurrimiento y una buena aeración. Comúnmente se utiliza piedra triturada, antracita, coque, ladrillo quebrado, cerámica, u otros. La aeración del filtro permite mantener la vida de los microorganismos que degradan la materia orgánica. En un filtro bien diseñado se consigue ventilación natural satisfactoria por la diferencia de temperatura entre el aire y las aguas residuales. Estás previa sedimentación, se distribuyen sobre el filtro por tuberías perforada, colocadas en la parte superior del filtro, de tal manera que el agua es distribuida uniformemente, para obtener una misma carga hidráulica por unidad de superficie del filtro. El líquido escurre a través del filtro percolador, donde la materia orgánica presente en el agua residual, es degradada por una población de microorganismos, mientras que corrientes de aire, proveen el oxígeno necesario. El efluente del filtro percolador, debe de pasar a un sedimentador (sedimentador secundario), en el que se sedimenta la capa biológica que se desprende del medio filtrante. El sedimentador secundario da un efluente libre de sólidos y clarificado, que puede ya ser descargado al cuerpo receptor. 39 Los filtros percoladores se clasifican en filtros bajos y profundos. Estos se operan en etapas separadas, con recirculación o sin ella y con tasa de aplicación lenta o rápida. La altura de los filtros profundos varía de 1.50 a 3 m y se emplean para unidades independientes (una etapa) con cargas de 756 1/m2/día a 2268 1/m2/día (tasa lenta) y 5670 1/m2/día a 22680 1/m2/día (tasa alta). En caso de etapas múltiples o recirculacion, generalmente se usan filtros bajos de 0.90 a 1.50 m de altura, (Unda Opazo,1969, 153). Los filtros percoladores de tasa lenta, precedidos y seguidos de tanques de sedimentación, tienen los siguientes rendimientos medios: de 80 a 95% de D.B.O, 70% a 92% de sólidos suspendidos, y 90 a 95% de bacterias. Mientras que filtros de tasa rápida, con recirculación de efluente, han removido de 69 a 85% de D.B.O. y entre 69 a 88% de sólidos en suspensión, (Unda Opazo,1969,154). 4. Lagunas de estabilización Unda Opazo (1969,159) describe las lagunas de oxidación como "estanques bajos excavados en el terreno que tienen el propósito de purificar las aguas residuales sedimentadas u otros residuos en condiciones climáticas que favorecen el desarrollo de algas, calor y luz solar." El proceso se basa en la simbiosis entre las bacterias saprofitas y las algas. La descomposición bacteriana de la materia orgánica desprende grandes cantidades de CO2, esto hace que proliferen las algas que a su vez desprenden oxígeno, que oxida la materia orgánica. Estas lagunas de oxidación son relativamente bajas 0.60 a 1.20 m. Para aguas residuales sin sedimentar se pueden utilizar lagunas más profundas. C. Tratamiento de los lodos De los sólidos extraídos de las aguas residuales (arena, basura y lodos); los lodos, son sin duda a los que se les aplica un tratamiento más completo debido a sus características, que dependen de varios factores como: el tipo de sistema de recolección de aguas residuales (separado o unitario), la cantidad y características de los residuos industriales que se vacían en las redes colectoras y del tipo de tratamiento que reciben las aguas residuales. 41b 40 En general el tratamiento de los lodos se divide en: digestión y secado de lodos. En el proceso de digestión, la materia orgánica que compone los lodos es descompuesta en productos más estables (fósforo, nitrógeno, potasio, ácidos orgánicos, etc.) que facilitan su disposición. Mientras que en el proceso de secado, el agua remanente en ios lodos es evaporada, dejando el lodo seco que se puede utilizar como fertilizante. 1. Digestión de lodos En su libro Sewage Treatment, Imhoff y Fair (Fair y Geyer, 1979,168) describen tres etapas en el proceso de digestión de lodos frescos y son: Fermentación ácida. Esta primera etapa de digestión es de corta duración (alrededor de 2 semanas a una temperatura promedio de 16° C), se caracteriza por la producción de ácidos y olores putrefactos. En esta etapa los productos atacados por las bacterias son los azúcares, almidones (carbohidratos o hidrates de carbono), los compuestos solubles nitrogenados y las grasas. Los productos de descomposición son ácidos orgánicos, anhídrido carbónico, ácido sulhídrico y carbonatos ácidos. El pH se encuentra por debajo de seis. Regresión o período ácido. En esta etapa que dura alrededor de tres meses son atacados los ácidos orgánicos y compuestos nitrogenados, con formación de compuestos de amonio, bicarbonatos y pequeñas cantidades de hidrógeno y CO2. Los olores son muy penetrantes y el pH se mantiene debajo de seis, pero sube lentamente hasta 6.6 y aún 6.8. Fermentación alcalina. En esta etapa son atacados los compuestos más resistentes, tales como los nitrogenados, proteínas, aminoácidos y lignocelulosa. Los productos principales de descomposición son: amoniaco, sales de ácidos orgánicos, CO2, H2S, y CH4. Los gases contienen alta proporción de metano, alrededor del 60% de volumen. El pH pasa de 7 y aun valores de 7.4. Los períodos de fermentación y regresión ácida (período de maduración), se desarrollan solo en ios lodos frescos. Si se ha establecido la fermentación alcalina, los lodos son ricos en enzimas y con una flora bacteriana característica de este estado, lo que incide en el período de digestión de los lodos frescos agregados. Los ácidos generados en el período de maduración no son suficientes para bajar el pH y particularmente se elimina el 41 prolongado período de regresión ácida, circunstancia que reduce apreciablemente el tiempo total de digestión. Entre los principa!es factores que influyen en el proceso de digestión se encuentran: Temperatura. Es uno de los factores de mayor importancia, ya que a mayor temperatura, menor es el tiempo de dige;tión de los lodos. Según la temperatura la digestión de los lodos puede ser mesofilica o termofiliea. La digestión mesofilica se desarrolla a temperaturas de 20' C a 40° C y tiene un período de digestión de 25 días, mientras que la digestión termofilica se lleva a cabo a temperaturas de 50° C a 57° C con un período de digestión de 15 días. En algunos casos es necesario recurrir a fuentes externas de calor para mantener la temperatura apropiada de los lodos. Siembra. La mezcla de los lodos frescos y digeridos constituye la siembra de los lodos. El objetivo de la siembra de los lodos es que se establezca rápidamente la fermentación alcalina indispensable para reducir el tiempo de digestión. Para una buena operación, los lodos frescos deben inyectarse diariamente y a una tasa constante tendente a mantener siempre la reacción alcalina. Agitación La agitación mejora la mezcla de lodos digeridos y frescos, reduce las zonas ácidas y disminuye el espesor de la costra de la superficie. pH El pH es un factor que desempeña un papel funcional en la digestión. Debe subir a 7 una vez establecida la fermentación alcalina. La digestión de la materia orgánica se lleva a cabo en diversos tipos de estanques, que se clasifican como sigue: fosa séptica, estanque de doble altura o pozo Imhoff, estanque de digestión separada y estanques separados para la digestión por etapas. En las plantas de tratamiento se usan solo los 2 últimos, que a continuación describiremos. a. Estanque de digestión separada Estos estanques generalmente tienen forma circular, con pendientes de fondo que pueden variar de 1:1 a 4:1. En el caso de que se utilicen sistemas mecánicos de recolección de lodos, el fondo puede ser bastante plano. Se recomienda que la profundidad de los estanques no sea menor a 6 m para favorecer cl proceso de digestión. Los lodos frescos se inyectan por una entrada situada a media profundidad, a fin de mezclarlos con los lodos digeridos o en digestión. Generalmente los estanques se 42 encuentran cubiertos con recolectores de gas, además de contar con un sistema de calefacción, formado por serpentinas sumergidas en el estanque de digestión, que tiene por objetivo calentar los lodos a fin de acelerar la digestión. La energía utilizada en a!gunas de las plantas proviene del metano que se forma en la digestión. b. Estanques separados para digestión por etapas En este caso la digestión de los lodos se realiza en varios estanques colocados en seria El primero, equipado con colector de gas, sistemas de calefacción y a veces con mecanismos de agitación de lodos. En éste se mantiene el lodo por un corto período (I ó 2 semanas) a temperaturas mesofilicas. En el segundo estanque, los lodos continúan digiriéndose a una tasa más lenta, sin calefacción, pero equipado con un sistema recolector de gas. Como resultado, se obtiene un liquido sobrenadante bastante claro que se extrae sin dificultad. El tercer estanque, es utilizado para compensar fluctuaciones. 2. Secado de lodos Los lodos una vez digeridos, deben someterse a un proceso de secados para eliminar el exceso de agua que contienen. El secado de los lodos puede ser primario o secundario. El secado primario es el que solo emplea la energía solar, mientras que el secado secundario utiliza una fuente de calor externa. a. Secado primario: El secado primario se puede realizar por cualquiera de estos dos métodos: patios de secado o filtro de lodos. Patios de secado. Los patios de secado están constituidos por una capa porosa de alrededor de 0.30 m de espesor, asentada sobre una capa de piedra triturada que varia entre 0.15 o 0.10 m de espesor. Bajo la capa de piedra triturada se encuentra un sistema de desagüe, que capta el líquido drenado por medio de una parrilla de tubos de 4" a 6" de diámetro. En plantas de pequeña y mediana magnitud, los patios de lodos han dado buen resultado con lodos bien digeridos. Reduciendo el contenido de humedad hasta en un 60%, sin causar malos olores o desarrollo de moscas. En plantas pequeñas, los patios de secado se .3 construyen con un ancho que varía de 6 a 10 m. El largo común es menor a 30 m. La pendiente superficial del orden de 0.5%. Los lodos provenientes del digestcr se nacen escurrir por la cancha hasta conseguir un espesor de 0.20 a 0.30 m. En los patios de secado de lodos, los sólidos son arrastrados hacia la superficie_ debido a la presencia de gases retenidos, dejando un agua reiativaniente clara; que se filtra o evapora por lo que los lodos se van depositando lentamente sobre el fondo de los patios. Al secarse los lodos, la superficie se va agrietando y los gases se escapan; los lodos pueden utilizarse como: acondicionador del suelo, fertilizante (contiene nitrógeno, fósforo y potasio). Filtro de lodos En los filtros de lodos, los de vacío son los más usados para reducir el contenido de agua. El medio filtrante es un material de algodón, nailon o lana soportada por una mafia de alambre. La duración de la tela varía apreciablemente. La tela filtrante forma parte de un tambor rotatorio separado en varias celdas, en las cuales se puede producir el vacío. El cilindro gira semisumergido (15 a 20%) a una velocidad periférica del orden de 30 rn/min., en el canal a través de los cuales escurre el lodo. Se crea un vacío en la celda sumergida (12" a 26" de Hg) para adherir a la tela una capa de sólidos de espesor suficiente (1/16" a 1/4"). Los sólidos son removidos del tambor mediante un raspador y transportados para su disposición final. El líquido que pasa al interior del tambor se vierte en las aguas receptoras. b. Secado Secundario Ei secado secundario de los lodos se realiza por medio de hornos incineradores de lodos. Hornos incineradores. Los hornos incineradores operan a temperaturas alrededor de los 1500 ° C. En las plantas de tratamiento de aguas negras generalmente se utilizan los hornos secadores rotatorios. Hay varios tipos y su elección depende del costo y condiciones locales. Para el secado se emplea además la pulverización de lodos dentro de torres con circulación de gases calientes, de manera que el agua se evapora y los sólidos se depositan en el fondo de la estructura. Para poder vender los lodos como abono, su humedad debe ser como máximo 10%. Los lodos frescos no deben ser utilizados como abono por sus olores, contenido de grasas, semillas y especialmente por los organismos patógenos. 44 V. ACUEDUCTO NACIONAL XAYA-PIXCAYA La escasez de agua potable en la ciudad de Guatemala, obligó 4 las autoridades a buscar Rientes de agua que cubrieran la demanda de la población. Fue por eso que en el año 1961, el Ministerio de Defensa puso en marcha el proyecto del Acueducto Nacional Xayá-Pixcayá, cuyo objetive era incrementar :os caudales de agua potable de la Ciudad de Guatemala, de la Antigua Guatemala y de otras 16 poblaciones más del Valle de la Antigua, mediante el uso de las aguas de los dos Xayá y Pixcayá, además de otros ríos menores. A continuación se realizara una breve descripción del proyecto, sus alcances, etapas y su situación actual. Algunos datos de la información aquí presentada se sustrajeron del "Informe de Preinversión de la primera etapa" realizado por el Servicio de Ingenieros del Ejército. A. Poblaciones a servir El Acueducto Nacional Xayá-Pixcayá ha sido diseñado para servir a 18 núcleos de población en los departamentos de Guatemala y Sacatepéquez. Estos núcleos incluyen Cabeceras Departamentales, Cabeceras de Municipios y algunas Aldeas de los mismos. En la tabla 5.1 aparecen las poblaciones consideradas en la planeación del acueducto Xayá-Pixcayá. B. Captaciones El proyecto del Acueducto Nacional Xayá-Pixcayá tiene previsto la captación de los siguientes ríos: Río Pixcayá Este río pertenece a la cuenca Atlántica como afluente del río Motagua. Su captación se realizara al noroeste de la población de Chimaltenango, recurriendo a dos presas escalonadas en el río a fin de crear embalses capaces de almacenar los volúmenes necesarios para la regularización anual del caudal total del río. Río Xayá La captación del río Xayá, que pertenece a la cuenca dei Pacífico, se realizara un poco abajo del punto donde la carretera Patzicía-Patzún cruz