17 Tecnologías para el tratamiento de aguas residuales

UNIVERSIDAD DISTRITAL FJDC

AGOSTO 2020

AGUAS RESIDUALES CONOCE LAS 17 TECNOLOGIAS para el tratamiento de aguas residuales

VENTAJAS Y DESVENTAJAS Conoce los pros y los contras de cada una de estas tecnologias

ESTUDIANTES

RICARDO GUZMAN SIERRA DAVID CAMILO ARBOLEDA LAGOS JHON FREDDY GUTIERREZ SANCHEZ 2020

UNA PROBLEMÁTICA

UNA REALIDAD En las últimas décadas el mundo ha venido mostrando preocupación y está tratando de resolver los problemas relacionados con la disposición de los efluentes líquidos provenientes del uso doméstico, comercial e industrial de las aguas de abastecimiento.

La primera prioridad que demanda una comunidad es el suministro del agua, con calidad adecuada y cantidad suficiente. Ya logrado este objetivo, surge otro no menos importante que consiste en la adecuada eliminación de las aguas ya utilizadas que se convierten en potenciales vehículos de muchas enfermedades y trastorno del medioambiente. Las fuentes de agua (ríos, acuíferos, lagos, mar), han sido incapaces por sí mismas para absorber y neutralizar esta carga contaminante, y por ello estas masas de agua han perdido sus condiciones naturales de apariencia física y su capacidad para sustentar una vida acuática adecuada, que responda al equilibrio ecológico que de ellas se espera para preservar los cuerpos de agua.

Como resultado, pierden aquellas condiciones mínimas que les son exigidas para su racional y adecuado aprovechamiento como fuentes de abastecimiento de agua, como vías de transporte o fuentes de energía. Las aguas de desecho dispuestas en una corriente superficial (lagos, ríos, mar) sin ningún tratamiento, ocasionan graves inconvenientes de contaminación que afectan la flora y la fauna. Estas aguas residuales, antes de ser vertidas en las masas receptoras, deben recibir un tratamiento adecuado, capaz de modificar sus condiciones físicas, químicas y microbiológicas, para evitar que su disposición cause los problemas antes mencionados. El grado de tratamiento requerido en cada caso para las aguas residuales deberá responder a las condiciones que acusen los receptores en los cuales se haya producido su vertimiento.

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TECNOLOGÍAS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES World Water Development Report 2017 El bajo nivel de soluciones avanzadas en el campo de las aguas residuales indica que existe una necesidad urgente de investigación y nuevas tecnologías que mejoren el tratamiento de las aguas residuales.

Además, los nuevos contaminantes emergentes evidencian que esta investigación es vital para comprender su naturaleza y las consecuencias que éstos tienen en los recursos hídricos y el medio ambiente, así como para conseguir su absoluta eliminación, permitiendo un uso seguro de las mismas.

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1 BIODISCOS Uno de los sistemas más recientes para el tratamiento de aguas residuales es el Contador Biológico Rotatorio (CBR) comúnmente conocido como Biodisco. Este sistema de tratamiento biológico secundario es usado para la remoción de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y para el pulido de efluentes nitrificados1. El biodisco se usó por primera vez en Alemania en 1900 y en 1929 en los Estados Unidos. En ambos casos fueron construidos de madera. En 1950 se realizaron pruebas con discos de plástico y casi al mismo tiempo comenzaron a construirse de poliestireno expandido. En 1957 comenzaron a fabricarse para el uso en plantas de tratamiento de aguas residuales y en Alemania en 1969 fue puesta en marcha la primera planta de tratamiento de aguas residuales.

El biodisco remueve la materia orgánica soluble y coloidal presente en el agua residual, bajo condiciones aeróbicas. Consiste de una serie de discos de plástico de 3 a 4 m de diámetro, colocados en una flecha (eje) horizontal e instalados en un tanque de concreto. Los discos giran a velocidades entre 1 y 2 r.p.m. y aproximadamente el 40% del área superficial de los discos está sumergida en el agua residual que está contenida en un tanque de concreto. Los microorganismos presentes en el agua residual comienzan a fijarse y multiplicarse en la superficie de los discos que se cubre con una película biológica (biomasa) de 2 a 4 milímetros de espesor.

Durante la rotación el reactor acarrea una película de agua residual, la cual absorbe oxígeno del aire. Los organismos de la película fija de biomasa en los discos, remueven la materia orgánica soluble aeróbicamente, es decir estabilizan la materia orgánica en sustancias más simples, en presencia de oxígeno.

El consumo de oxígeno y la remoción de la materia orgánica se efectúa mientras que el sistema gira a través del agua residual, contenida en el tanque de concreto. Las fuerzas de fricción ejercidas sobre la película biológica al girar los discos dentro del agua residual, provocan que el exceso de biomasa se desprenda. Esto evita la producción excesiva de la película biológica manteniéndola con un espesor casi constante. La rotación del sistema mantiene en suspensión a la biomasa desprendida hasta que el flujo de agua la saca del sistema. La biomasa debe separarse por sedimentación del agua tratada.

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VENTAJAS El biodisco presenta numerosas ventajas en comparación con otros sistemas de tratamiento biológico.

En el sistema de tratamiento con biodiscos no existen problemas de ruido.

Además puede eliminarse la sedimentación del agua antes de entrar al biodisco, lo cual no afecta la capacidad de remoción de la demanda bioquímica de oxígeno.

Con el proceso de biodiscos se eliminan moscas y malos olores.

Los biodiscos se recuperan más rápido de la entrada de tóxicos al proceso que cualquier otro proceso biológico (lodos, filtros, RAFA, etc.).

No se necesita equipo de retrolavado, porque la rotación de los discos sumergidos en el agua residual, elimina el exceso de biomasa que se adhiere a los discos.

Las ampliaciones del sistema pueden hacerse fácilmente, porque nuevos módulos de biodisco pueden añadirse con facilidad.

Así pueden solucionarse problemas de sobrecarga del sistema, aunque no se hayan planificado las expansiones de la compañía.

No presenta el problema de formación de espumas durante el tratamiento de desechos que contienen surfactantes.

El requerimiento de área de tratamiento es menor, lo que constituye la ventaja principal del biodisco con respecto a los demás sistemas de tratamiento biológico, en los que en muchos casos se requiere grandes extensiones para el tratamiento.

DESVENTAJAS El proceso es relativamente nuevo y no hay parámetros de diseño definidos.

Por presentar tres fases: gaseosa, líquida y sólidos es difícil definirlo con un modelo matemático simple.

El proceso C.B.R. requiere un tiempo muy largo para alcanzar la estabilidad.

El costo del sistema es bastante elevado por tener que importarse de otros países como E.U.A. y México.

Extraido de: Biodiscos: una alternativa de tratamiento biológico para aguas residuales cuando no se dispone de grandes extensiones de terreno. M.Sc. Alma Deloya Martínez

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2 BIOREACTORES DE MEMBRANA

La tecnología MBR comprende la combinación del sistema convencional de lodos activados con la filtración mediante membranas. El tratamiento de aguas residuales mediante procesos de fangos activados consiste en la degradación biológica de la materia orgánica bajo condiciones aeróbicas (aireación mediante difusores o sistemas mecánicos), en un reactor de biomasa suspendida.

Una vez que el agua residual ha sido tratada en el reactor, la masa biológica resultante es separada del líquido en un tanque de sedimentación de donde se extrae el agua tratada y parte de los sólidos sedimentados son retornados al reactor con el objetivo de mantener una concentración determinada de sólidos en el reactor (Metcalf, y otros, 1995).

La masa sobrante es purgada para su posterior tratamiento y gestión de los lodos de depuradoras.

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BIOREACTORES DE MEMBRANA

VENTAJAS Tamaño compacto de la instalación: El volumen del reactor MBR es entre 2 y 5 veces inferior al del sistema convencional, para la misma carga másica de trabajo. Esto se debe a que la concentración de fango en el biorreactor es mucho mayor que en un sistema convencional.

Elevada calidad y altos niveles de desinfección del agua tratada: La calidad del agua permeada es excelente ya que no depende de la mejor o peor decantación del fango, sino que el agua atraviesa las membranas de micro o ultrafiltración en donde quedan retenidos los SS y coloides.

Elevada tasa de degradación de los contaminantes: En los MBRs es posible mantener una edad del fango muy elevada que favorece, entre otras cosas, el desarrollo de microorganismos de crecimiento lento como los nitrificantes o bacterias que degradan compuestos complejos.

Menor producción de lodos: La producción de fangos es menor que en un sistema convencional de lodos activados, normalmente de un 30-50 % inferior.

DESVENTAJAS Ensuciamiento de membranas: es uno de los mayores problemas que existe en la tecnología MBR y determina que su comercialización no se extienda actualmente de modo general Coste de instalación y sustitución de membranas: Las unidades de membranas tienen un coste elevado y una vida útil que actualmente está limitada entre 5 y 8 años, por lo que su instalación y reposición constituye un gasto a tener en cuenta.

Consumo energético: El alto consumo energético es otro de los inconvenientes esenciales de esta tecnología: El coste del consumo de energía por metro cúbico de agua depurada en los MBR puede oscilar entre 0,6 y 1,5 kWh/m3 , mientras que para un sistema de lodos activados convencional está entre 0,38 y 0,48 kWh/m3 Acumulación de sustancias tóxicas en el biorreactor: La acumulación en el biorreactor de compuestos inorgánicos no filtrables como metales pesados, que a determinadas concentraciones pueden ser dañinos para la población bacteriana o afectar a la integridad de la membrana, puede afectar al correcto funcionamiento del sistema.

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3 FILTRO BIOLÓGICO AIREADO La biofiltración es la combinación de una acción mecánica de retención de la materia sólida mediante filtración y de una transformación biológica de los contaminantes contenidos en las aguas a tratar, mediante la intervención de microorganismos.

Un biofiltro se compone de 3 fases: • Una fase sólida: Un material granular ejerce la función de refuerzo de la proliferación bacteriana y permite la retención de las materias sólidas mediante filtración. Dicho soporte granular debe poseer una retícula microporosa considerable para la obtención de una superficie específica elevada, debe ser resistente a la abrasión y debe retener las partículas. Este tipo de relleno presenta una gran porosidad, lo cual favorece que gran parte de las colonias bacterianas permanezcan en el interior de los granos después del lavado. De esta forma se consigue que en el comienzo del siguiente ciclo de funcionamiento una gran parte del lecho biológico se encuentre preformado y la puesta en régimen del biofiltro se realice muy rápidamente • Una fase líquida: las aguas que se han de depurar.

• Una fase gaseosa: la insuflación de aire en la masa filtrante, necesaria para la degradación aeróbica de la materia orgánica.

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FILTRO BIOLÓGICO AIREADO

VENTAJAS Se adapta a efluentes de distintas características Sin problemas de olores Se pueden obtener altos niveles de nitrificación No necesita sedimentador secundario Reducción de necesidades de terreno como resultado de la disminución de los requerimientos de sedimentador secundario Su puesta en marcha es muy fácil y rápida La tecnología BAF puede manejar un amplio rango de caudales Reducción del número de parámetros que deben ser controlados, permitiendo facilidades de operación Conviene en municipios con población variable

DESVENTAJAS Es necesaria la circulación de agua tratada al sistema para reducir considerablemente las concentraciones de DBO y SST Se requiere un personal altamente capacitado para la operación Pocos Beneficios en combinación con otros procesos de tratamiento (como filtros percoladores y lodos activados convencionales), lo que limita la posibilidad de ajustes.

Puede necesitar un reciclado del efluente tratado para reducir las concentraciones de DBO y SST a niveles aceptables Debido a los procesos de limpieza y lavado que requiere esta tecnología, y a que está asociada a una mayor cantidad de bombeo y válvulas que requieren de un cuidadoso mantenimiento.

Crecimiento Excesivo de la biopelícula lo que puede causar la formación de condiciones anaerobias (lo cual disminuye la eficiencia de remoción) y liberación de gases ofensivos.

Constituye una tecnología nueva distribuida por muy pocos proveedores extranjeros, lo que dificulta la prontitud para operaciones de mantenimiento y reparación.

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4 REACTOR BIOLÓGICO DE LECHO MÓVIL UEl MBBR es un reactor Biológico de lecho móvil (proceso MBBR, por sus siglas en inglés: Moving Bed Biofilm Reactor) diseñado e implementado especialmente para el tratamiento de aguas residuales (Domesticas, comerciales y Municipales) de alta complejidad cuyo principio de funcionamiento se basa en un proceso biológico avanzado cuyo medio de soporte utiliza Diferentes Rellenos (Principalmente MUTAG Biochip, FLOCOR o Tirillas de BIOFLEX), dichos rellenos poseen una densidad ligeramente inferior a la del agua lo que le permite mantenerse en suspensión en el agua (NyFdecolombia, 2017).

El medio dentro del reactor se mantiene en suspensión utilizando difusores de aire de burbuja fina o gruesa si el sistema es aeróbico o con mezcladores mecánicos si el sistema es anaeróbico.

Dentro de los procesos llevados a cabo en el MBBR no existe un retorno de lodos activados. El medio usado en los sistemas de MBBR es elaborado en polietileno de forma cilíndrica y con una capacidad máxima de llenado del 70%. La cantidad de éste utilizada depende de la carga orgánica e hidráulica, la temperatura, la capacidad de transferencia de oxígeno y el grado de tratamiento requerido. (CAR Cundinamarca, 2011)

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VENTAJAS Larga vida útil Requiere un área de terreno pequeña Económicamente viable para la construcción Efectividad demostrada a bajas temperaturas No es necesaria la recirculación de lodos Los sólidos producidos son fácilmente sedimentable La retención de biomasa en el sedimentador es independiente, por lo tanta, la carga de sólidos en la unidad de la separación sólidos/líquidos se reduce considerablemente comparando a los sistemas de lodos activados.

Al ser un proceso de flujo continuo no requiere de un ciclo operacional especial para el control del grosor de la biopelícula Es adaptable a actualizaciones o expansiones para Plantas a nivel Municipal Puede adaptarse a los tanques existentes del sistema de lodos activados Operación simple en comparación con otros sistemas como el IFAS Menor producción de lodos en comparación con otras tecnologías de tratamiento de aguas residuales

Estos sistemas tienen tanques con condiciones anóxicas donde la producción de lodo es menor que en cualquier proceso aeróbico

DESVENTAJAS Altos costos debido al consumo energético en la aireación Alto consumo energético debido a la aireación El mantenimiento es complejo Puede requerirse adición de productos químicos para mejorar las características del licor mixto estabilizado Requiere de tamizado para prevenir pérdida del medio plástico y daños en las bombas La información al respecto del diseño de este tipo de tecnología es muy escasa y este es generalmente realizado por el proveedor Como parte del proceso de tratamiento, dentro de un reactor MBBR existen zonas anóxicas e inclusive, zonas anaeróbicas.

Esta configuración produce olores indeseables que requieren de sistemas para el control

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5 LODOS ACTIVADOS El tratamiento de aguas residuales con lodos activados es la tecnología más difundida en todo el mundo. Lodos activados son un tratamiento biológico para aguas residuales industriales o aguas residuales domésticas que se llevan a cabo dentro de un reactor, consiste en agitación y aireación en una mezcla de agua residual y un lodo de microorganismos. Los microorganismos oxidan la materia orgánica llevándola a una forma más estable y menos contaminante. Se debe proporcionar constantemente oxígeno al reactor.

Los microorganismos se utilizan para oxidar la materia orgánica coloidal y soluble, convirtiéndola en dióxido de carbono y agua, en presencia de oxígeno molecular. Este proceso es usualmente precedido por una sedimentación primaria. La mezcla de microorganismos y aguas residuales producida en los tanques de aireación es conocida como licor mixto, y se transfiere a los sedimentadores para la separación de líquidos y sólidos. (CAR Cundinamarca, 2011) En los lodos activados, la materia orgánica sirve como fuente de energía para la producción de nuevas células en presencia de oxígeno. La transferencia de oxígeno proveniente del aire a las aguas residuales se puede hacer mediante aireadores superficiales o sumergidos. La aireación por difusores sumergidos es generalmente más eficiente que la conseguida con aireadores mecánicos superficiales. (Hazen and Sawyer, 2011)

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VENTAJAS Alta eficiencia de remoción de carga orgánica Minimización de olores y vectores Se puede incorporar desnitrificación al proceso Es un proceso muy común en Colombia lo que permite conocer experiencias nacionales Bajo costo inicial Buena confiabilidad de las unidades de proceso Mínimo riesgo de producción de olores Alta experiencia a nivel mundial

DESVENTAJAS Requiere un mantenimiento cuidadoso y sofisticado Dependencia de la temperatura del efluente a tratar Riesgo de taponamiento en los dispositivos de aireación Requiere un control permanente tanto operativo como análisis de laboratorio Alta producción de lodos Altos costos operacionales debido a la aireación Requerimiento de 4 a 8 horas como tiempo de aireación Complejidad operacional por el mantenimiento de los difusores

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6 FILTRO PERCOLADOR Un filtro percolador (también denominado filtro biológico o lecho bacteriano) es un sistema de tratamiento de agua aerobio que utiliza cultivos fijos no sumergidos.Este filtro está constituido por piezas de material plástico de alta superficie específica donde se desarrolla y adhiere un cultivo bacteriano llamado biopelícula o biofilm. El agua residual pretratada o decantada es rociada sobre el filtro, entrando en contacto con las bacterias que degradan la contaminación.

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VENTAJAS Funcionamiento estable Explotación sencilla.

No requiere recirculación de lodos.

La demanda energética es inferior a la de los procesos de fangos activos o cultivo en suspensión.

DESVENTAJAS Puede haber acumulación de exceso de biomasa Requiere atencion regular por parte del operador Alta incidencia de obstrucciones Necesidad de bajas cargas dependiendo del medio filtrante La flexibilidad y el control son limitados Problemas de olores, crecimiento de bacterias filamentosas y vectores

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7 REACTOR DISCONTINUO SECUENCIAL Es un sistema de crecimiento suspendido en el que el agua residual se mezcla con un lodo biológico existente en un medio aereado. Es el único proceso biológico en el que se combina en un mismo tanque el proceso de reacción, aeración y clarificación. El sistema SBR consta de, al menos, cuatro procesos cíclicos: llenado, reacción, decantación y vaciado, tanto de efluente como de lodos, tal y como muestra la imagen inferior.

En la primera fase, llamada llenado estático, se introduce el agua residual al sistema bajo condiciones estáticas. El llenado puede ser dinámico si se produce durante el período de reacción.

Durante la segunda fase del ciclo, el agua residual es mezclada mecánicamente para eliminar las posibles espumas superficiales y preparar a los microorganismos para recibir oxígeno. En esta segundo etapa (reacción) se inyecta aire al sistema.

La etapa de reacción es un proceso cuyos resultados varían con su duración, y en la que el agua residual es continuamente mezclada y aereada, permitiendo que se produzca el proceso de degradación biológica.

El tercer ciclo, llamado etapa de decantación, genera condiciones de reposo en todo el tanque para que los lodos puedan decantar. Durante la última fase, o fase de vaciado, el agua tratada es retirada del tanque mediante un sistema de eliminación de sobrenadante superficial. Finalmente, se puede purgar el lodo generado para mantener constante la concentración de éste.

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VENTAJAS Fácil reconocimiento y corrección de los problemas de decantación.

Versatilidad para trabajar con fluctuaciones de caudal y de concentración de materia orgánica.

Capacidad para la adaptación de los microorganismos a efluentes con elevado contenido en sales.

Existe flexibilidad y control de operación Área de terreno mínima La ecualización la decantación primaria y secundaria y el tratamiento biológico se pueden realizar en el mismo tanque..

Ahorros de costo de capital al eliminar clarificadores y otros equipos Puede remover nitrogeno y Fósforo

DESVENTAJAS Se requiere un alto nivel de sofisticación para las secuencias y controles.

Mayor nivel de mantenimiento asociado a controles sofisticados, interruptores y válvulas automáticas Potenciales descargas de los lodos flotantes o estabilizados durante la etapa de sedimentación, Potenciales conexiones de los dispositivos de aireación dependiendo del fabricante.

Requerimentos de ecualizacion despues del SBR, dependiendo de los procesos posteriores.

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8 OZONIZACIÓN La ozonización es ampliamente utilizada en el tratamiento de las aguas, tanto potables como residuales. Permite la eliminación de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos, reduciéndose el TOC, olor, color, sabor y turbidez de las aguas, así como compuestos refractarios (sustancias tóxicas y compuestos farmacéuticos).Aunque es necesaria su generación “in situ” (mediante “descargas eléctricas silenciosas”) y su coste inicial es alto, es un potente desinfectante debido a su alta reactividad y poder de reducción.

La ozonización se incluye dentro de los Procesos de Oxidación Avanzada (AOPs), que se definen como “procesos de oxidación que implican la generación de radicales hidroxilo en cantidad suficiente para interaccionar con los compuestos orgánicos del medio”.La molécula de ozono es una forma alotrópica triatómica del oxígeno termodinámicamente inestable, descomponiéndose espontáneamente a oxígeno. Es un oxidante fuerte, segundo después de los radicales hidroxilo libres, capaz de participar en numerosas reacciones químicas con sustancias inorgánicas y orgánicas. Las reacciones con ozono se pueden producir por dos mecanismos: las reacciones directas son reacciones son muy selectivas, atacando a dobles enlaces y algunos grupos funcionales; y las reacciones indirectas son consecuencia de la acción de los radicales hidroxilos resultantes de la descomposición del ozono en el agua.El método más ampliamente utilizado para la generación de ozono para el tratamiento de aguas son las descargas en corona, o también conocido como “descargas eléctricas silenciosas” (imagen superior derecha). Consiste en pasar oxígeno en forma gaseosa a través de dos electrodos separados por un dieléctrico y un hueco de descargas. Se aplica un voltaje a los electrodos, causando que un electrón fluya a través del hueco de descargas. Esos electrones suministran la energía para disociar las moléculas de oxígeno, produciéndose así la formación de ozono.

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VENTAJAS Facilidad de producción de ozono desde aire u oxígeno por descargas eléctricas.

Facilidad de reacción con compuestos orgánicos e inorgánicos debido a su alta reactividad y potencial de reducción.

El ozono reduce el TOC, color, olor y turbidez del agua tratada.

El ozono oxida hierro, manganeso y sulfuros.

El uno de los desinfectantes químicos más eficientes, ya que requiere un tiempo de contacto pequeño.

En ausencia de bromo, no se forman DBPs. Ozono es más efectivo que cloro, cloroaminas y dióxido de cloro para la inactivación de virus,

DESVENTAJAS El ozono es altamente corrosivo y tóxico.

El coste inicial del equipamiento es alto, y los generadores requieren mucha energía.

El ozono debe ser generado “in situ” por problemas en el almacenamiento y transporte.

La vida media del ozono en el sistema de distribución es de 25 minutos a temperatura ambiente, con lo que la ozonización no asegura la limpieza del agua potable, siendo necesario añadir cloro.

Se forman DBPs en presencia de bromo, aldehídos, cetonas, etc.

Son necesarios filtros activados para la eliminación de carbono orgánico biodegradable.

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9 RADIACIÓN ULTRAVIOLETA Se basa en la acción de una parte del espectro electromagnético sobre ácidos nucleicos y proteínas, con lo que se altera la reproducción de determinados patógenos. Se emplea la radiación a 253,7 nm, que se considera la más adecuada para el proceso. Es activo especialmente contra bacterias y virus y se describe con lámparas de media intensidad una acción contra Giardia y Cryptosporidium.Se basa en la acción de una parte del espectro electromagnético sobre ácidos nucleicos y proteínas, con lo que se altera la reproducción de determinados patógenos. Se emplea la radiación a 253,7 nm, que se considera la más adecuada para el proceso. Es activo especialmente contra bacterias y virus y se describe con lámparas de media intensidad una acción contra Giardia y Cryptosporidium.

Se emplean lámparas de alta, media y baja presión. Hasta el momento las más utilizadas en desinfección de aguas residuales son las de baja presión. Es importante que el efluente a desinfectar tenga pocos sólidos en suspensión. Uno de los problemas más importantes de esta tecnología es el proceso de limpieza de las lámparas

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VENTAJAS La principal ventaja en la aplicación de estas radiaciones en la desinfección del agua es su bajo coste de inversión y operación , no emplear productos químicos ni reacciona con los constituyentes del agua y por tanto no generar subproductos ni origina sabores ni olores y a su vez es compatible con otros procesos complementarios de desinfección que aporten un residual más permanente. Es precisamente esta carencia de desinfección residual a lo largo de la red de abastecimiento, la posible desventaja de las radiaciones UV si se emplearan como desinfectante único.

El uso de UV elimina la necesidad de transportar, almacenar y manipular productos químicos peligrosos.

A diferencia de algunos desinfectantes químicos, las tasas de inactivación microbiana por UV no dependen del pH ni de la temperatura Está muy extendida su aplicación a pequeños sistemas de abastecimiento y en la desinfección de agua para aplicaciones y usos concretos en hospitales, escuelas, industrias de bebidas, alimenticias y farmacéuticas.

DESVENTAJAS La profundidad de penetración de esta radiación en el agua es limitada, dificultando su actuación el color y la turbiedad del agua por lo que para aumentar el rendimiento en la eliminación de microorganismos , se deben irradiar solo láminas delgadas de agua.

Su aplicación solo se reduce a aguas claras y no contaminadas.Con el transcurso del tiempo, las lámparas suelen ensuciarse, lo que reducirá la capacidad de penetración de los rayos. La vida útil de las lámparas es muy limitada.

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10 HUMEDALES ARTIFICIALES Son terrenos inundados, con profundidades del medio del orden de 60 cm, y con plantas acuáticas emergentes.

Combinan zonas anaerobias (principalmente) con aerobias y anóxicas. Se considera que el papel principal en la depuración lo llevan a cabo las colonias instaladas en la grava o arena (material de relleno) y en las raíces y rizomas de las plantas. Estas últimas tienen también un papel activo en el transporte de oxígeno a la zona de las raíces, creando las zonas anóxicas.

Se emplean principalmente dos tipos, los de flujo horizontal sumergido y los de flujo vertical.

Se emplean en pequeñas comunidades como tratamiento total o bien como sistema de afinado del efluente (tratamiento terciario) si no se dispone de mucho espacio.

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VENTAJAS Disminución de olores. Destaca que los humedales de flujo subsuperficial el agua no está en contacto con la atmosfera y reduce drásticamente la generación de olores y mosquitos.

No genera lodos.

Son autónomos, una vez establecidos funcionan por si solos.

La energía necesaria depende del sistema de bombeo Bajos costos de operación y mantenimiento.

Vida útil entre 15 y 20 años.

Impacto paisajístico positivo.

Flexibilidad de diseño.

Facilidad en la explotación. Se reducen las averías al carecer de equipos mecánicos, y la operación es menos complicada, menos peligrosa, y requiere menos medios para mantenerla en su punto óptimo.

DESVENTAJAS Requiere de mayores espacios para su implementación en comparación con tratamientos fisicoquímicos.

Requiere de un proceso de puesta en marcha y adaptación.

Requiere grandes conocimientos en el diseño, porque después tiene pocas posibilidades de regulación en la operación de la estación depuradora.

Las plantas pueden ser alimento de ciertos animales, por lo que se debe controlar que no accedan al interior de la parcela.

Un mantenimiento insuficiente en los humedales de flujo subsuperficial conlleva problemas de colmatación del sustrato.

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11 SISTEMA DE LAGUNAJE El lagunaje consiste en distribuir las aguas residuales a una velocidad muy lenta en una serie de estanques impermeables dimensionados de modo que el agua se quede durante unos días, incluso semanas.La particularidad es que en estos estanques viven bacterias que tienen la capacidad y el tiempo de degradar los contaminantes sin intervención exterior. Esta degradación de materias orgánicas en materias minerales (CO2, agua, nitratos y fosfatos) se hace de forma natural y biológica y de forma anaerobia (ausencia de oxígeno) o aerobia (presencia de oxígeno) según los estanques.

El lagunaje suele realizarse por distribución de las aguas residuales, tras desbaste, separación de grasas y separación de aceites, en tres estanques en serie, incluso más. Por lo general, el tratamiento empieza en la laguna anaerobia, prosigue en la laguna facultativa y termina en la laguna aerobia.

Llegado el caso, ésta puede sustituirse o ser seguida por la laguna de alta producción.

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VENTAJAS Costos de realización razonables que dependen sobre todo del precio del terreno y de la naturaleza del suelo Costos de funcionamiento y mantenimiento bajos.

Costos de energía nulos.

Construcción generadora de numerosos empleos Vida útil de 15 a 20 años. Alta eficacia.Menor producción de lodos y mayor reducción de gérmenes patógenos que en una estación clásica, Mantenimiento y manipulación sencillos.

Buena integración en el medio ambiente.

Posibilidad de volver a usar las aguas tratadas para diversas necesidades como el riego.

DESVENTAJAS Se necesitan grandes superficies de terreno para los estanques, por lo menos 5 m2/habitante y preferentemente 10 a 15 m2/habitante.

Proceso de depuración lento.

Imprescindible recurrir a especialistas para el diseño y el seguimiento.

Sensibilidad a las variaciones de temperatura, eficacia reducida en invierno.- Riesgos de malos olores y de presencia de insectos si la estación está mal diseñada o carece de mantenimiento.

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12 ÓSMOSIS INVERSA La ósmosis inversa, es el proceso de ósmosis hacia atrás. La ósmosis es el paso del agua a través de una membrana de proteína (Por ejemplo: como nuestra piel o en el interior de una célula vegetal) para igualar la concentración de partículas disueltas en el agua. La membrana de proteínas permite que el agua pase a través, pero las moléculas más grandes que el agua (por ejemplo: cosas como minerales, sales y bacterias) no puede pasar. El agua fluye hacia atrás y adelante hasta que la concentración sea igual en ambos lados de la membrana, y se forma un equilibrio.

Apliquemos este conocimiento a la purificación del agua. Queremos beber agua de un lago o arroyo, pero este contiene una concentración demasiado alta de contaminantes como sal, minerales y bacterias, que la hacen imposible de beber. Al aplicar presión sobre el agua a medida que pasa a través de una membrana, se puede forzar al agua a alejarse de la membrana en lugar de intentar lograr un equilibrio como el normal. Este movimiento contra flujo es de donde viene el "revés" en "ósmosis inversa". Una bomba es un elemento esencial para este proceso.

El agua es forzada a través de la membrana, la cual, como un filtro de partículas súper finas, bloquea la entrada de la mayoría de los contaminantes.

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VENTAJAS

DESVENTAJAS

Como proceso de purificación, tiene una serie de ventajas y desventajas. En el tratamiento de agua, las membranas de TFC generalmente pueden eliminar entre el 96 y el 99% de la mayoría de los contaminantes, incluidas sales y minerales, colorantes, partículas, bacterias y metales peligrosos. Sin embargo, debido a la forma en que funciona la ósmosis inversa, nunca se puede eliminar realmente del todo los contaminantes. Puede purificar hasta una fracción de una fracción de un porcentaje, pero el contaminante nunca puede eliminarse completamente con ósmosis inversa.

Los sistemas de tratamiento también requieren una bomba de alto grado, porque la tasa de rechazo depende principalmente de la presión aplicada a la membrana. Dicho esto, las unidades más pequeñas tienen proporciones más pequeñas de permeado (producto limpio y purificado) al agua residual. Esto hace que la filtración de medios u otra filtración convencional sea más efectiva en escalas más pequeñas (como entornos residenciales).

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13 ELECTRODIÁLISIS INVERSA La EDR separa las moléculas o iones en un campo eléctrico debido a la diferencia de carga y de velocidad de transporte a través de la membrana. Las membranas tienen lugares cargados y poros bastante estrechos (1-2 nm). En la célula de electrodiálisis se sitúa un cierto número de membranas de intercambio catiónico y aniónico entre un ánodo y un cátodo de forma que cuando se aplica la corriente eléctrica los iones con carga positiva migran a través de la membrana de intercambio catiónico y viceversa.

Se aplica ´para la remoción de iones cargados eléctricamente, la remoción alcanza valores sobre el 90%; Desalinización de aguas salobres y la producción de salmueras.

Tratamiento de la dureza del agua, el desalado del suero de quesos, recuperación de ácido tánico de los vinos y recuperación de ácido cítrico de los jugos de frutas.

En aguas industriales se emplea en la recuperación de ácidos de los baños electrolíticos y en la eliminación de metales pesados de las aguas de los procesos galvanoplastía. • Muy usado en aplicaciones médicas y de laboratorio que necesitan agua ultrapurificada.

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VENTAJAS De operación simple.

Se puede ajustar para el uso con sistemas pequeños, por lo general funciona automáticamente con pocos requisitos de mantenimiento y funcionamiento.

Puede utilizar diferentes fuentes de energía eléctrica (combustibles fósiles o renovables como

DESVENTAJAS Requiere gran cantidad de energía para producir la corriente constante que impulsa la purificación y bombea el agua a través del sistema.

Necesita purificación previa No se puede usar para aguas de dureza superior a 1ppm.

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14 RAFA

REACTOR ANAEROBIO DE FLUJO ASCENDENTE

El reactor anaerobio de flujo ascendente (RAFA o UASB por sus siglas en inglés) es un proceso de un solo tanque. Las aguas residuales entran al reactor desde el fondo y fluyen hacia arriba. Un manto de lodo suspendido filtra y trata las aguas residuales conforme pasan a través del manto (TILLEY et al. 2018). Esta tecnología ha sido utilizada en para tratamiento de aguas municipales urbanas en sistemas centralizados, pero su aplicación en áreas rurales aun es limitada (CONAGUA 2015).

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VENTAJAS Alta reducción de la DBO Puede soportar altas tasas de carga hidráulica y orgánica Baja producción de lodo (sin necesidad de desenlodado frecuente) El biogás puede utilizarse para producir energía (generalmente requiere depuración antes de usarse)

DESVENTAJAS Requiere diseño, construcción, operación y mantenimiento por parte de expertos (las tasas de flujo ascendente y asentamiento deben estar equilibradas) Periodo inicial largo Requiere una fuente constante de energía eléctrica No todos los repuestos están disponibles localmente El lodo y el efluente requieren tratamiento adicional o descarga apropiada

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15 BIOCLEANER BioCleaner’s breakthrough technology is able to treat all kinds of organic waste including residential, commercial, industrial and municipal sectors. It can be effectively used in natural waterways such as rivers, lakes and bays.

Unlike other water cleaning treatment systems, BioCleaner constantly produces its own good microbes, eliminating the need to add new microbes everyday. The microbes are all-natural and have not been genetically modified. They are safe from pathogens or from the risk of mutation. Only microbes classified by the US Center for Disease Control and Prevention (CDC) as BioSafety Level 1 are used in the BioCleaner.

The machine can break down unwanted waste leaving no sludge at the fastest rate with the lowest carbon footprint. This innovative process has undergone years of critical research and development in the United States and was crafted to even surpass international regulatory standards of treating waste water down to BOD.We can treat water down to recycle grade (irrigation, boiler reuse, cooling towers, washing water) and even to drinking with Reverse Osmosis (RO Membranes).

This means that other criteria such as TSS and TDS can also be treated down to Non-Detect (ND) if we design to in such a way.BioCleaner’s waste water cleaning method is so effective that it produces clear and odorless water, eliminating the need for chlorination that can be harmful to the environment. It also employs different Biosafety Level One microbes to treat different kinds of waste streams. The BioCleaner’s compact form can be easily fitted in existing sewage treatment plants that allow other facilities to benefit from its advantages making it the easiest and most economical solution to all water cleaning needs.The BioCleaner also delivers a very efficient amount of oxygen to the water, transferring 3.6 Kgs of oxygen per hour, enabling the microbes to have a good source of oxygen.

Extraido de: biocleaner.com

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FEATURES Reduces Biological Oxygen Demand (BOD); The BioCleaner produces zillions of Microbes and the aeration mixes them evenly; Reduces cost for pond maintenance and mixes up to 5m of depth; Eliminates foul odors and aerates up to 2500 sqm; Eats sludge fast and uses less than 2.5Hp per unit; Easily moved to another spot for wider coverage; Easy to assemble and operate on site; Cuts electric bills by 75% compared to others traditional systems.

1. Aerogrid is made of injection molded HDPE plastic and comes with 66 feet of Aerotube aeration tubing attached using stainless steel clamps. The size of this grid is 1m x 1.2m.

2. Biotubes are microbial bioreactors made of perforated stainless steel cylinders. They are 10 feet in length and 4 inches in diameter. These Biotubes are filled with a media made of ceramic material. Aeration diffusers are also located through the entire length of the Biotubes to provide oxygen to the microbes with a 55 watt Air Blower.

3. Fiber glass angle bars are used in framing, each of which are 2inch x 2inch x 3mm in size.

They are light weight and heavy duty bars that can be submerged in to almost any contaminant water.

4. Polyethylene (PE) plastic walls cover about ¾ of the lift, comprised of four sheets that are 3.28ft x 2ft x 2mm each. These provides water direction and suction.

5. Floaters provide buoyancy to the Biocleaner, making it mobile and require less use of power 6. The Air Blower is a single phase motor, that uses 1.75kW of power. This motor will transport 240m³ air/hr. Approximately 3.65 kg O2/hr are transferred to the surrounding water

Extraido de: biocleaner.com

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16 MICROALGAS La biorremediación busca lograr el tratamiento de aguas residuales empleando microalgas y cianobacterias. Las microalgas son muy efectivas en el tratamiento de aguas residuales especialmente porque tienen la capacidad de remover nutrientes y xenobióticos en estas aguas.

Especies como Scenedesmus quadricauda, Chlorella miniata, Chlorella vulgaris y Chlorella sorokiniana destacan por eliminar de manera eficiente metales pesados en las aguas residuales, además de poder crecer en medios contaminados (Forero, 2007).

C. vulgaris y S. dimorphus son muy eficaces (>95%) en la biorremediación de amoniaco y fósforo que se encuentran en las aguas residuales, de igual manera, Tetraselmis sp, Chlamydomonas sp, y Nannochloris sp tienen una alta tolerancia a altas concentraciones de CO2 (Forero, 2007).

Teniendo en cuenta esto, el uso de las microalgas se ha posicionadocomo uno de los métodos más eficaces para el tratamiento de aguas residuales. Su aplicación,se viene dando desde la primera mitad del siglo XX, de la mano de Cadwell, quien fue el primero en realizar estudios serios sobre el tema, y desarrollados con mayor profundidad a finales de la década de 1950, por Oswald, y durante los años sesenta por las investigaciones llevadas a cabo en Hollister, California – Estados Unidos (Salazar, 2005). En los últimos quince años se han llevado a cabo diversos estudios en América Latina sobre este punto, aunque ya a finales del pasado siglo se habían realizado investigaciones al respecto.

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VENTAJAS Facilidad para la cosecha, Mayor concentración por unidad de volumen de medio, Reducción o ausencia de células en el efluente, Reducción en la necesidad de energía Mayor eficiencia en el empleo de la radiación recibida por unidad de superficie de suelo Reduce las posibilidades de calentamiento del cultivo, por el dispositivo de refrigeración natural que posee.

DESVENTAJAS En lo que tiene que ver con la remoción de nutrientes y la disminución de parámetros como SST, DQO y nitrógeno, aunque en el caso del fósforo no lo es tanto. Por ello, puede afirmarse que la Cyanophyta y la Synechocystis no remueven totalmente ni los ortofosfatos solubles, ni los polifosfatos inorgánicos, ni los fosfatos orgánicos.

Antes de realizar el proceso de escalado en la producción de microalgas para la fermentación en efluentes, se requiere investigación en parámetros adicionales como factoresabióticos como la combinación de temperatura, la intensidad de luz, CO2, control de pH y factores bióticos como la selección de la especies de microalgas.

Tomado de: Las microalgas y el tratamiento de aguas residuales: conceptos y aplicaciones. Una revisión bibliográfica, Rubén Darío Candela; 2016

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17 MACRÓFITAS FLOTANTES

Las macrófitas flotantes comprenden un amplio y variado grupo de plantas, entre las que se destacan el jacinto de agua (Eichhornia crassipes), la lechuga de agua (Pistia strartiotes), la salvinia (Salvinia Spp.), la redondita de agua (Hydrocotyle ranunculoides), y algunas especies de lentejas de agua (Lemna Spp., Spirodella Spp.) La morfologıa de las macrófitas flotantes difiere dependiendo de la especie. Por ejemplo, el jacinto de agua (especie predominante en los sistemas de tratamiento) es una planta perenne de agua dulce, con desarrollo ascendente, de tallo vegetativo sumamente corto, hojas de color verde brillante y espigas de flores de lavanda. Los pecıolos de las planta son elongados y abultados de aire que contribuye a la flotabilidad de la planta. La imgen acontinuación ilustra las anteriores caracterısticas.

Los procesos que tienen lugar para la depuración de contaminantes con macrófitas flotantes se dan a través de tres mecanismos primarios: Filtración y sedimentación de sólidos.

Incorporación de nutrientes en plantas y su posterior cosechado.

Degradación de la materia orgánica por un conjunto de microorganismos facultativos asociados a las raíces de las plantas; y en los detritos del fondo de la laguna, dependiendo del diseño.

Durante la etapa de crecimiento, las macrófitas absorben e incorporan los nutrientes en su propia estructura y funcionan como sustrato para los microorganismos que promueven la asimilación de estos nutrientes a través de transformaciones químicas, incluyendo nitrificación y desnitrificación Tomado de: Floating macrophytes on the wastewater treatment: a state of the art review, Jorge Martelo; 2013

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VENTAJAS

DESVENTAJAS La mayoría ha demostrado eficiencias de remoción significativamente altas en todos los constituyentes de las aguas residuales, siendo el jacinto de agua la especie de mayor uso.

Los criterios de diseño empleados en sistemas con macrófitas flotantes difieren dependiendo de qué modelo pueda ser empleado; sistema con especies flotantes; filtro de macrófitas en flotación; o humedales de tratamiento flotante con macrófitas emergentes.

Los retiros periódicos de las plantas son un requerimiento necesario para optimizar la eficiencia de remoción, que puede convertirse en una limitación para el proceso, si no se tiene una disposición adecuada de la cosecha.

Las perspectivas para el desarrollo de esta técnica, plantean que se requiere orientar esfuerzos científicos para entender y potenciar los mecanismos de depuración de estas especies.

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ÑAPA SMART WATER Está previsto que las Smart Water Cities dispongan de un tratamiento de aguas avanzado, el mismo que optimizará el gasto energético a través de muchas medidas como el alumbrado inteligente, realizará control de tráfico en tiempo real adaptado a las circunstancias, albergará edificios inteligentes. Por Smart Water entendemos ese tratamiento avanzado del agua con una gestión que se beneficia mucho de las nuevas tecnologías, en especial de la inteligencia artificial aplicada en sistemas de aprendizaje automático. Estos sistemas aprenderán progresivamente y serán capaces de optimizar el uso y gestión de las aguas en las ciudades con unos costes que disminuirán con el paso del tiempo.Además, el funcionamiento de dichos sistemas y todo lo que rodea al agua se trata con el máximo respeto por el medio ambiente, ya que existe una preocupación real por este tema y, sobre todo, por la sostenibilidad a largo plazo.

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SMART WATER El concepto Smart Water incluye también llevar a cabo medidas que permitan restaurar la capacidad natural de drenaje de las ciudades.

Algo que se puede lograr de dos maneras:A partir de soluciones que aprovechen mejor el agua de la lluvia.Y con recursos que mejoren la capacidad de infiltración de las superficies, reduciendo aquellas con pavimentos impermeables.Y es que el agua de la lluvia permite utilizar sistemas de recolección y almacenamiento en techos y superficies que lo permitan (y darles un uso a esas aguas), así como aprovechar filtros y humedales para mejorar el tratamiento del agua protegiéndola de contaminantes.

La tecnología entra en juego al ofrecer la posibilidad de diseñar sistemas de gestión capaces de tener en cuenta las previsiones meteorológicas a largo plazo y así poder planificar diferentes acciones destinadas a acumular mayor o menor cantidad de agua en las épocas más húmedas, para no tener que imponer restricciones en épocas menos favorables.

En resumen, en una Smart Water City se hará un uso responsable de las aguas, aprovechando la lluvia, reutilizando las aguas grises y, también, concienciando a la población en el uso sostenible de este recurso tan limitado e importante para la vida.

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AGOSTO 2020

AGUAS RESIDUALES 17 TECNOLOGÍAS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

RICARDO GUZMAN SIERRA DAVID CAMILO ARBOLEDA LAGOS JHON FREDDY GUTIERREZ SANCHEZ 2020