ESTUDIO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO AEROBIA DE DISCOS BIOLÓGICOS ROTATIVOS, CON UNA CAPACIDAD DE 1.2 - 1.6 LPS,  Y REUSO EN RIEGO DE ÁREAS VERDES,  PARA LA UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MORELOS, UBICADA EN  LA LOCALIDAD DE LA JOYA, MUNICIPIO DE JIUTEPEC EN EL ESTADO DE MORELOS.

INTRODUCCIÓN

La Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente, determina que los responsables de las descargas de aguas residuales al drenaje y/o a bienes de la nación; deben sujetar su calidad a la Normas Oficiales Mexicanas: NOM-001-ECOL-1996- SEMARNAT, que establece los limites máximos permisibles de contaminantes en las descargas residuales en aguas y bienes nacionales con el objeto de proteger su calidad y posibilitar sus usos, y es de observancia obligatoria para los responsables de dichas descargas; la Norma, NOM-002-ECOL-1996- SEMARNAT, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano municipal con el fin de prevenir y controlar la contaminación de las aguas y bienes nacionales, así como proteger la infraestructura de dichos sistemas y es de observancia para los responsables de las descargas; y la NOM-003-ECOL-1996- SEMARNAT, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las aguas residuales tratadas que se reusan en riego de áreas verdes.

La vigilancia del cumplimiento de estas NORMAS corresponde a los Gobiernos Estatales, Municipales y del Distrito Federal en el ámbito de sus respectivas competencias, cuyo personal realizará los trabajos de verificación, inspección y vigilancia que sean necesarios para su cumplimiento.

GENERALIDADES

Los contaminantes que se disponen en el agua de servicio sanitario tipificados en las normas son:

• CARGA ORGÁNICA
• GRASAS Y ACEITES
• SÓLIDOS SUSPENDIDOS y DISUELTOS
• MICROORGANISMOS, NUTRIENTES y DETERGENTES
  
  La carga orgánica se expresa en términos de la DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO5), la cual se define como la cantidad de oxígeno disuelto necesario  por un grupo heterogéneo de bacterias para biodegradar la materia orgánica. Es una medida indirecta de la concentración de la materia orgánica en el agua
  
  Origen de las aguas residuales
  
  El sistema hidrosanitario de la Universidad Politécnica inicia en la fuente de abastecimiento de agua, de donde es captada; sí el agua de este lugar no reúne las condiciones de potabilidad se le da un tratamiento para que cumpla con los parámetros establecidos, posteriormente se entrega a los usuarios que al utilizarla le agregan impurezas que pueden proceder del uso de sanitarios, mingitorios, lavabos, regaderas y laboratorios.
  
  Las aguas residuales, mezcladas con contaminantes procedentes de todo tipo de uso que exista en una comunidad, son desalojadas del predio hacia el alcantarillado a través del albañal.  Posteriormente por el emisor son enviadas al suelo o a cuerpos de agua, en ocasiones sin tratamiento, lo que debe evitarse ya que siempre es necesario construir y operar adecuadamente una planta de tratamiento.  (fig. 1).
  
  
  FIgura 1      Origen y destino de las aguas residuales
  

Las plantas de tratamiento por su ubicación dentro del sistema hidrosanitario urbano puede dividirse en:

• TERMINAL Cuando se encuentra al final de la red de alcantarillado y su objetivo es dar tratamiento al total de las aguas residuales que se van a desechar y así evitar la contaminación de agua y suelo.

• NO TERMINAL o INTERMEDIA. Cuando se encuentra dentro de la población y su objetivo es tratar solo parte de las aguas del sistema de alcantarillado.

CARACTERÍSTICAS A CONSIDERAR, PARA EL DISEÑO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO

Para el tratamiento del agua residual, se han desarrollado tecnologías las cuales se pueden clasificar de acuerdo a su naturaleza en:

• FÍSICO * PRIMARIO
• QUÍMICO * SECUNDARIO
• BIOLÓGICO * TERCIARIO AVANZADO

Tratamiento Primario: Separa del agua los sólidos gruesos y pesados aprovechando sus propiedades físicas; tales como:

• Peso Específico
• Densidad
• Volumen

Los procesos unitarios que se aplican son:

• Cribado
• Desarenado
• Sedimentación

El Tratamiento Primario Avanzado, utiliza además de las propiedades físicas las propiedades químicas de los contaminantes del agua. Los procesos unitarios que se aplican son:

• Coagulación
• Floculación

Tratamiento Secundario: El tratamiento Biológico del agua se puede llevar a cabo en presencia y ausencia de oxigeno disuelto; los cuales se clasifican en:

• AEROBIO
• ANAEROBIO

Tratamiento Aerobio: Las bacterias aerobias llevan acabo su metabolismo oxidando la materia orgánica en presencia de oxígeno disuelto en el agua. Las tecnologías más utilizadas son:

• Lodos activados aereación superficial y aereación extendida
• Película Fija (Discos Biológicos y Filtros Percoladores)

Tratamiento Anaerobio: Las bacterias anaerobias biodegradan la materia orgánica tomando el oxígeno de las sales disueltas en el agua. Las tecnologías más conocidas son:

• Fosa séptica
• Reactor Anaerobio de flujo ascendente
• Reactor bioenzimático

La figura 2, muestra en forma resumida la composición de las aguas residuales domésticas.

Figura 2          Composición de las aguas residuales sanitarias

• Sobrecarga orgánica
• Sobrecarga hidráulica
• Toxicidad
• Mala operación
  

Cuadro 1 Parámetros de las aguas residuales a considerar en el  diseño.

Recordemos   que   se   habla de contaminación del agua cuando su calidad sufre   una   transformación que la hace inadecuada para  un  uso   particular.

Además la calidad del agua experimenta en el medio natural modificaciones debidas a una serie de procesos naturales o ambientales (cuadro 2).

Los sistemas de tratamiento, en sus procesos unitarios, reproducen en distinto grado los efectos de los procesos naturales o ambientales de depuración.

Cuadro 2   Procesos ambientales que afectan la calidad del agua

Cuadro 3        Características promedio de aguas residuales municipales por tamaño de población

   
PARÁMETROS FÍSICOS

Figura 3          Clasificación y tamaño de partículas encontradas en el agua

PRETRATAMIENTO

3.1.1 Topografía del terreno

De acuerdo al plano A-1, “Ubicación general”, en donde se detallan los niveles del terreno y la ubicación de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales; se llevó a cabo un estudio para la selección de la topografía del terreno elegido. Se estudio el  diagrama de niveles y se evaluaron las alternativas de costos de sobreelevación del terreno en su caso, contra el costo de adquisición, operación y mantenimiento de los equipos de bombeo.

3.1.2 Obra de toma

Otro factor importante que se estudio, es la distancia que debe guardar la obra de toma, la recolección del agua cruda por tratar, con la planta de tratamiento; también por razones económicas, se debe procurar que quede lo más cerca posible, ya que así se requeriría menos tubería para su conducción, inclusive para poder efectuar su constante vigilancia, operación y mantenimiento.

3.1.3  Área requerida

Se diseñó un sistema de tratamiento compacto y con posibilidades de ampliarse en etapas, tomando como base el área disponible en el terreno.

3.1.4  Descripción detallada del proceso y su operación

3.1.4.1  Obra de toma

Se diseñó tomando en cuenta  la eliminación de sólidos gruesos y  flotantes.

3.1.4.2  Cribado

• Inmediatamente después, se diseñó  una serie de rejas y rejillas, para evitar el paso de sólidos gruesos; las rejas tienen espaciamiento entre si de 0.0125 metros. Para eliminar los sólidos retenidos se usa el rastrilleo manual.

Limpieza de rejas rejillas y disposición de residuos.

Limpieza manual:  Independientemente de que el sistema de limpieza de las rejas, cribas finas y rejillas sean de banda, de disco o tambor; de la inclinación y del área sumergida de las mismas; o la forma de las barras, se debe procurar mantener una velocidad de cruce en las rejillas de cuando menos 0.5 m/seg para prevenir la sedimentación.

De no efectuarse la limpieza de las mismas con la frecuencia que se requiera, las basuras colectadas por la rejilla bloquearán el libre paso del agua produciendo una pérdida de carga y además un regreso del agua, lo que causará que gran cantidad de materia orgánica se sedimente y cause septicidad con la consiguiente producción de ácido sulfhídrico, el cual causa un olor sumamente desagradable a huevo podrido, además altamente corrosivo, ataca el concreto y a las estructuras metálicas, así como la consabida proliferación de mosquitos.

Todo lo anterior, puede dañar seriamente u obstaculizar los subsecuentes procesos de tratamiento lo cual debe de impedirse, realizando una efectiva limpieza o rastrilleo de las rejillas.  El proceso de limpieza es muy sencillo y consiste básicamente en pasar un rastrillo, cuyos dientes tengan las dimensiones óptimas para que pasen a través de la separación de las rejillas de abajo hacia arriba y los sólidos que se han eliminado de las rejillas, caigan en una pequeña charola unida a esos dientes, para que en su movimiento ascendente, se vayan depositando en ella y así se repita la operación las veces que sean necesarias, hasta dejar perfectamente limpia las rejillas, depositando cada vez en el exterior todas las basuras.

Estas basuras no deben ser regresadas al agua sino agruparlas y enviarlas a un incinerador o disponer de ellas para rellenos sanitarios, enterarlas inmediatamente y verificar que cuando menos 0.30 metros lo cubran y así evitar la presencia de mosquitos y otros serios problemas de contaminación.

3.1.4.3  Desarenador

Las aguas negras contienen, por lo general, cantidades relativamente grandes de sólidos inorgánicos como arena, cenizas y grava, a los que generalmente se les llama arena.

El desarenador que se diseñó es tipo de canal, cuya finalidad es:

• Regular la velocidad de arrastre, para que se depositen las partículas mayores de 2 mm de diámetros en un determinado tiempo de retención.

• Reducir las obstrucciones en los cambios de dirección de las tuberías.

• Disminuir la frecuencia del desalojamiento de lodos de los sedimentadores.

Las arenas pueden dañar a las bombas por abrasión y causar serias dificultades operatorias en los tanques de sedimentación y en la digestión de los lodos, por acumularse alrededor de las salidas, causando obstrucciones.  Por esta razón, es práctica común eliminar este material por medio de las cámaras desarenadoras.  Estas se localizan antes de las bombas o de los desmenuzadores y si su limpieza se lleva a cabo mecánicamente como se describe posteriormente, deben ser precedidas por cribas de barras y rastrillos gruesos.  Los desarenadores se diseñan generalmente en forma de grandes canales.


En estos canales, la velocidad disminuye lo suficiente para que se depositen los sólidos inorgánicos pesados, manteniéndose en suspensión el material orgánico.  Los desarenadores de canal, deben diseñarse de manera que la velocidad se pueda controlar para que se acerque lo más posible a 30 cm/seg.  El tiempo de retención debe basarse en el tamaño de las partículas  que deben separarse y generalmente varía de 20 segundos a un minuto.

Esto último, se logra instalando varios desarenadores, para que el flujo se ajuste en ellos mediante vertederos proporcionales colocados al final de cada canal o mediante otros dispositivos, que permitan regular la velocidad del flujo.  Hay también desarenadores patentados.

Se requiere tener un control hidráulico, lo que implica tener una carga superficial determinada.

CS = Q / A

En donde:  CS =  Carga superficial en 1/seg/m²

                    Q   =  Gastos de diseño en 1/seg

                    A    =  Área superficial en m²

Dicha carga superficial, está en función del tamaño de la partícula y de su densidad, con la cual se diseñó.  Generalmente se calculan para eliminar por sedimentación, partículas mayores de 2 mm y con una densidad de 2.85 t/m3, que es generalmente la de aguas negras domésticas.  También se debe mantener la velocidad constante en todas las profundidades del flujo, mediante dispositivos de control, como serían los vertedores proporcionales o el regulador de flujo, el cual puede tener un graficador y un totalizador de gasto.


Limpieza

Los desarenadores se diseñan para ser limpiados a mano o mecánicamente.  Cuando se limpian manualmente, se provee generalmente de espacio para el almacenamiento de las arenas depositadas.  Los desarenadores para plantas de tratamiento de desechos provenientes de alcantarillado combinado, deben tener al menos dos unidades que se limpien manualmente o una unidad de limpieza mecánica provista de una derivación auxiliar.  Se recomienda el uso de las unidades de limpieza mecánica, las cuales cuentan con By-Pass para desviar el agua en caso de necesitar efectuar en el desarenador algún mantenimiento, ya sea preventivo o correctivo.  En las pequeñas plantas de tratamiento que dan servicio a sistemas de alcantarillado sanitario, son aceptables los desarenadores simples de limpieza manual con derivación auxiliar.

También son aceptables los desarenadores que no sean de canal, siempre que estén provistos de controles adecuados y adaptables para agitar y/o que tengan dispositivos para el suministro de aire, además de equipo para eliminar las arenas.  Se puede disponer de cierta variedad de unidades de limpieza mecánica, que eliminan las arenas mediante rastrillos o cangilones, estando en operación el desarenador.  Estas unidades requieren mucho menor espacio para el almacenamiento de las arenas, que las unidades de operación manual.

Lavado de arenas

Las arenas contienen algo de materia orgánica que se descompone y da origen a olores.  Para que se facilite la eliminación económica de las arenas sin causar molestias, la materia orgánica se lava a veces de las arenas y se regresa a las aguas negras, hay equipo especial disponible para el lavado de las arenas. En el equipo accionado mecánicamente, se pueden lavar las arenas a medida que se retiran del desarenador como se ha mencionado.

Cantidad de arenas

Esta cantidad depende del tipo de sistema de alcantarillado tributario, del estado de sus líneas y de otros factores.  Las aguas negras estrictamente domésticas que se colectan en alcantarillas bien construidas, contendrán muy pocas arenas, mientras que las aguas negras combinadas arrastrarán grandes volúmenes de arena, alcanzando su máximo en épocas de fuertes temporales.

• Medidor de flujo

Con el objeto de eficientar la dosificación de los productos, los cuales trabajan en forma proporcional al gasto influente al sistema de tratamiento, es necesario medir el flujo instantáneo de las aguas residuales.  Por lo cual, se instala un vertedor triangular, el cuál se emplea para medir flujos en zanjas y canales abiertos, donde sólo se dispone de caídas de carga pequeñas bajo condiciones normales de flujo libre.

• Tratamiento del agua

El tren de tratamiento que se propone es:

3.2.1   Sedimentador Primario (Hidrostático)

Se diseña para separar del agua residual, partículas con densidades relativas cercanas a 1 g/cm3 y una velocidad de sedimentación de 0.147 mm/seg.  Como consecuencia de la reducción de sólidos suspendidos, el tratamiento primario da origen a una reducción de la DBO5.

Se seleccionó un sedimentador rectangular, en donde el influente es distribuido a la entrada de la unidad por medio de vertedores sumergidos para lograr una mejor distribución del agua. 

3.2.2  Reactor Biológico  Discos Biológicos Rotatorios

El agua residual cribada y desarenada se bombea del cárcamo de bombeo al sedimentador primario, él cual se diseña para soportar el tanque donde se instalan los discos biológicos rotatorios.  Es decir, el agua sedimentada asciende al reactor biológico DBR, el cual fue seleccionado por ser un proceso eficiente que no tiene complejidad en la operación y mantenimiento.  Están constituidos por tres módulos de discos de 2.20 metros de diámetro y 0.80 metros de largo, montados alternadamente (0.20 m) sobre una flecha horizontal de acero inoxidable de 8 pulgadas de diámetro y 2.50 metros de longitud.

Cuarenta porciento de la superficie del disco está sumergida en las aguas residuales, para poder constituir una película fija de 1 a 4 centímetros de espesor.  Los discos están accionados por un motor de 1 caballo de fuerza, giran entre 1 y 2 revoluciones por minuto, mediante un motoreductor conectado a un sistema de transmisión de cadena.

Se seleccionó esta tecnología debido a los siguientes criterios:

• Bajo consumo de energía.
• Simplicidad de operación y mantenimiento.
• No se afecta su funcionamiento por sobrecargas hidráulica.
  

• Sedimentador Secundario

Se seleccionó un tanque tipo rectangular, en el cual, el agua efluente del reactor biológico se conduce a través de un vertedor distribuidor, para poder medir el flujo instantáneo.  Se toma en cuenta que la descarga es por gravedad y que el agua sedimentada se bombea a la etapa de filtración.

Los lodos sedimentados se envían por gravedad al sedimentador primario, donde se digieren y se bombean a la etapa del tratamiento de lodos.

3.2.4  Manejo de lodos

Los lodos digeridos se bombean a un espesador estático gravimétrico, en donde se inicia el desaguado al separar el lodo del agua; la cual se dirige al influente de la planta.  Los lodos se bombean a un filtro prensa para el desaguado final, y así obtener un lodo con un contenido de humedad del 75 por ciento.  El lodo deshidratado puede usarse para elaborar composta, mezclándolo con basura de jardín.

Con el fin de separar las partículas finas del agua residual, se propone instalar un sistema de filtración de lecho profundo, el cual está construido en fibra de vidrio en forma de cilindro; el cual lleva como medio filtrante, arena sílica, grava y antracita.  La operación del sistema, lo regula una válvula de tres vías, la cual envía el agua residual a filtración,  a retrolavado  y tiene otra función de by pass que solo deja pasar el agua a presión sin entrar al filtro.

Los filtros multicama, llevan de cuatro a cinco capas de material fliltrante de diferente granulometría, que van reteniendo las partículas selectivamente, de acuerdo a su tamaño; logrando así, una filtración fina y eficiente, permitiendo alargar los períodos de operación más de tres veces antes de requerir un retrolavado.

Existen filtros de carbón activado (auxiliares), los cuales aseguran la eliminación de olores en el agua residual tratada. Para la selección del tamaño del filtro, se toma en cuenta el gasto del influente.

DESINFECCIÓN

Se seleccionó para la desinfección del agua, la cloración mediante un sistema de tabletas; el cual combina el uso de cloradores con tabletas de hipoclorito de calcio, que permiten una lenta liberación de este compuesto al 65% de cloro disponible.  El sistema de pastilla, es una excelente alternativa frente al cloro gas y cloro líquido, ya que no hay necesidad de utilizar equipos de dosificación de alto costo, ni correr riesgos.  Para el manejo de este sistema, sólo se requieren guantes de hule y lentes de seguridad.  El sistema de desinfección, no está diseñado para soportar alta presión, solo pasa a través del contenedor de tabletas al nivel de una de ellas, de manera que se erosionan lentamente.

Para seleccionar el equipo que cubra las necesidades de suministro de cloro, se consulta la Tabla de características.  Se recomienda tomar como especificación de diseño, la frecuencia para rellenar el hipoclorador cada diez días.

*L*Las conexiones de entrada y salida, serán “conector roscada hembra”

                   ¿Cómo dosificar la cantidad de cloro?

Las siguientes gráficas, le indicarán de manera sencilla, el suministro de agua que requieren los modelos del sistema, dependiendo del cloro necesario diario.