manual de aguas residuales

8/7/2019 manual de aguas residuales

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ASPECTOS FISICQ-QUIMICOS EN EL CONTROL DELTRATAMIENTO DE AGUPS RESIDUALES

par

Cliff J. Kirchmer, Ph.D.Asesor en Quimica del Agua y LaboratoriosC entro P anaroericano de Ingenier1a Sanitariay Ciencias del Ambiente (CEPIS)


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ASPECTOS FISICO-QUIMICOS EN EL CONTROL DELTRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

A ntes de iniciar 1a discusi6n sobre los anal isis para control de 1ap1anta de tratamiento, quiz a s sea util describir las caracter!sticas delagua cruda. N os referimos aqu1 principalmente a las aguas residuales do-mesticas, ya que las provenientes de 1a industria varia~ considerablementey sabre elIas se tratara en otra conferencia.

En primer lugar, el agua cruda consiste aproximadamente de 99.9% deagua pura. Esta pnerle parecer sarprendente, pero las'impurezas constituyensolo el 0.1% del peso total de aguas residua1es.

lCuales son entonces las diferencias entre el agua pura (i.e. aguapotable) y las aguas residuales? Se han efectuado diversos estudios sabrelos cambios en la calidad del agua debidos a1 usa domestico. E1 cuadra 1muestra un resumen de los resultados de uno de estos estudios.E1 cuadro 2 comprende 1a composicion tlpica de tres clases de aguasresiduales domesticas y la figura 1 ofrece un resumen visual de la composi-cion de solidos en aguas residuales crudas. F inalmente~ el cuadra 3 resumela composicion de algunos desechos industriales.Los procesos de tratamiento normalmente tienen como objetivo princi-pal remover los solidos (suspendidos y sedimentables). los compue.stos bio-degradables y los organismos patogenos. En casas excepciona1es, tambienpodrian tener como objetivo 1a remocion de nutrientes.

E ns ayo s g en eral es d e. c on tro lD em an da B io qu l. mi ca de oxl.geno (DBO)D em an da Q u: i: mi cade oxigeno (D Q O )C lo ro re si du alClaridadB ac te ri as c ol if orm esO x! ge no d is ue lt .oSulfuro de hidrogenopHS ol id os s ed im en td bl esS 61idos en suspensi6nTemperaturaTurbiedadalorColor

Ensayos para >1c(1ntroL..9.~d i c e s to r e sAl ca' liu idad , p roc e d im i.errt o c on . :i ci do svo l fi tLl.esAnhl.drido carbonico en ~l gas del digestorCaracter!stic~s del desaguado de lodos


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Cuadro 1 .DEPRECIACION DE LA CALIDAD DEL AGUA MEDIANTE u s a MUNICIPAL

Agua del canoP rome dio ( mg/t) *Efluente dealcantarillaP rome dio (mg /t) *

Incremento(mg/9.) *DO O sin filtracion 6.0 149 143

101 9584 82

7.4 7.41.7 1.62.5 2.4


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Cuadro 2COMPOSICION TIPICA DE TRES CLASES DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS

Constituyente

S6li d os t o tal e sdisueltos totales

fijosvol~ti1es

en s us pen Fi6n t otalesfijosvolatiles

S ol id os s ed im en tab le s, m l / 9 .DBO (5 dias, 20C) .D Q O~itrogeno total (como N)

organicoamoniacal

Pasforo total (como p)ClorurosAlcalinidad (como CaC03)(~rasasCalcio (como CalNagnesio (como Mg)Sodio (como Na)

* Agua blanda" '* Agua dura

Concentraci6n. mg/~Alta Media Baja

120085052532535075

27520

30030085355020

100200150110**

8**100**

70050030020020050

150. 102002004015251050

100100

35025014510510030705

100100208

12630505010*10*23*


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FIGU RA

CLASIFI CACION PROMEDIO DE SOLI DOS PRES ENTES ENAGUAS RESIDUALES DO MESTICAS

ORGANICOSr-- 75 mg/LSEDIMENTABLES2 HORAS I--100 mg/ L MINERALi...-- 25 mg/LEN SUSPENSION- 200 mg/L QRGANICOSr--NO SEDIMENTABLES 75 mg/L

100 mg/L - MINERAL- 25 mg/LTOTAL700 mg/L ORGANICOSroo- 40 mg/LCOLOIDALES

50 mg/L ~ -MINERALi.o..- 10 mg/LFILTRABLES~ 500 mg/L ORGANICOSJ~ 160 mg/LOISUELTOS450 mg/L - MINERAL- 240 mgl.L


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THO D E D ES E C HO

I nd ~s tri as d ~ I nd urn en tari aT extiles - A lgodon

l an a ( li np ia do )l an a ( co mp ue st a)

CurtiembresI nd us tri as d e Alimentos

CerveceriasDestileriasP ro ce sa~ ie nt o d e le ch eE nl at ad oras ( ci tri co s)Matadaros y frigorificosD e se ch os A g r! co la sP rc ce sam ie nt o d e A ve s

I nd us tri as d e aate'-ialesPulpa - sulfito

kraftPapel cartonCarton prensadoRefinerias

Cuadro 3COMPOSICION DE ALGUNOS DESECHOS I~'DUSTRlALES

D B O IS 'mg/ I

200-10CO:'000-5000

10001000-2000

8507000

600-10002000

1500-25UO1000-2000500-800

1 4 0 0 - 1 7 0 0100-350100-450950

100-S0C

DQO,mg/ t

400-18002000-500e

2000-4000

170010,00015J-250

200-400500-1000600-1050

84-10,000170-600300-1400

850IS0 -8 CO

Solidos ensuspension,~.:_/ 'l .. __ pH

2003000-30,000

1002000-3000

8-129-119-10

1 1 " ' 1 2

90 4-6Bajo

200-400 AcidoAcido

8001500-3DOO450-800

77-5-8-56-5-9.

Variable75-30040-1001,350

130-600

7-9-5

2-6


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Sobrenadante del cilindro graduado (solidos del digestor recirculados)T emperatu ra \J odos del di ges tor)K ci do s v ol at il esSolidos tota1es y volatiles (lodos)

E ns ayo s para el control de lodos activadosO xigen o d isue lto (aerador)Se d'i mentado nEdad/del 10


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Cuadro 4ENSAYOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO PRlMARIO

Frecuencia Range +ormaI

OX1geno disuelto, OD Diaria Efluente 0-2 mg/!S olidos sedimentabl es Diaria Afluente 5-15 m~Efluente 0,5-4 r o tpH Diaria Afluente 6,5-8,0*Efluente 6,5-8,0*Temperatura Diaria Afluente 1O-30"CDBOs Semanal Afluente 150-400 rog/ '(minimo) Efluente 60-160 mg/tSolidos en . . . . Semanal Afluente 150-400 rog/ ~suspens10n (ml.nimo) Efluente 60-150 mg/!C lo ro re si du al (si Diaria Efluente de 0.5-3.0 mgOf ue se n ec es ari o) 1a plantaBacterias coli f ormes Semanal Ef1uente 500,000-100.000.000po r 100 m R . .

* Depende de la region, fuente de agua y de las descargas al ~lcantarillado.


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Cuadro 5

EF ICI ENCI AS TI PIC AS P ARA CLA RIF ICAD ORE S PRIM ARI OS

Eficiencia de. . .remoc 1.onesperadaS o li do s s ed im en tab le s 90 - 95%S olidos en suspension 40 - 60%S i 5l id o s t ot al es 10 - 15%D emanda bioqu!mica de oX1geno 25 - 35%Bacterias 25 - 75%


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Las plantas de lodos activados obtienen un nivel de tratamientocomparable a las de filtros percoladores. El control es algo mas dificil,sin embargo, debido a que el proceso esta m a S sujeto a desarreglos porcambios en el fluja 0en la naturaleza.de los desechvs afluentes. Lasfrecuencias de muestreo son en general simil~res a las de 1a planta defiltros percoladores. El cuadro 8 resum e los resul tados tl.pico s para llnaplanta de lod os ac tivados.

Las lagunas de estabilizacion corresponden a una clase de tratamientoque normalmente es de tipo secundario. Pero a veces la laguna eS utilizadapara depurar u obtener un tratamiento adicional del efluente de tratamientoprimario 0 secundario.E l cuadro 9 ofrece un resumen de anal i sis tipicos para lagunas deestabilizacion, frecuencias de mLestreo, ubicaci6n y rangos normales a es~perarse. El cuadra 10 ofrece un resumen de rangos probables de remocionpara cinco de los parametros de mayor importancia, mientras que el cuadro

12 resume 1a variac ion normal de carac teristicas de ag uas re si du al es t rat a-das en lagunas de establlizacion con diferentes periodos de retencion.

Muchas plantas de tratamiento incluyen tambien digestion de lodoscomo proceso unitario. Estos digestores reciben tanto solidos sedimer.tddosremovidos del fondo como natas flotantes removidas del tope de los cla~ifi-cadores y tanques de sedimentacion. La digestion puede ser aerobica 0 ana-erobica, siendo mas coreun la segunda. La digestion anaerobica reduce lossolidos de las aguas r~siduales convirtiendolas de una mezcla pegajosa ymaloliente en otra relativamente libre de mal 010r, que se puede desecarfacilmente y de l~ que se puede disponer sin mayor molestia.En el proceso organico los solibs se lidian, el volumen de solidosse reduce y se produC'\.!e1 valioso gas metano en e1 digestor por accion dedos diferente s grupos de bacterias que convi ven en - .1mismo am biente. Ungrupo cons iste de org anismos saprofl.t icos comiinment;e d en om in ad o s T l ge n era-dores de acido li El segundo grupo, que utiliza el acido producido par loso rgan i sm o s s apro f i ti c os , son los "fermen tado re s de metana". que no son tanabundantes en e1 agua cruda como los generadores de acido, ya que requierende un rango de pH de 6.5 a B . O para repro d uc i rs e .La finalidad de que e1 d ig es to r o pe re en bucnas condi ciones es mao.-tener las condiciones adecuadas para que se reproduzca la poblaciSn de for-madores de acido y fermentatiores de. metan,o. E sto debe hacerse controlandoel suministro de alimentn (~61idos organicos). la relacion entre cidosvolatiles y alcalinidad. mczcla y temperatura. Generalmente se puede cono-

cer que se e s ta pro ( ;e d ie n d o c o rre c t am . en t e sI-cl digestor reduce el contenidode sol idos vo15tilps (org5nicosj d e 40 a 60% de~ que era en los lodos crudos.En la figura 2 se ilust ra pO I' med io de ecuacio nes senci11as 10 quesucede en u n d ig es to r. Se debe tratar de operaI' un digestor anaero1ico de

Lodes en forma tal qtlE' las t.as as de fo rmac iSn de acidos y de fermen taciS nde metano s e an aproxiuadernen te Lgual.es ; de o tra f orm .'}In r-eacc i.Snse des-equiLf br arfi, La alte ru c l o n Ilk"S frecuente es que l.os f erm en tad ore s d e r~l et a-no, que son an aerob ios scns i.bl.cs , fal Lan en mantene r el ritmo de reproduce iony el digestor S8 vu~]~e ac id o po rqu e la tasa de conversion de Scidos esd em as iad o h aj a.


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Cuadro 6ENSAYOS PARA TANQUES IMHOFF

Ensayo Rango normal Remoci6ntIp Lca %

A rea de sedimentacionS ol id os s ed im en tab le s 3 ,0- 10, 0 m Ill 75 - 90Solidos en suspension 200 -40 0 mg /l f~5 -- 65pH 6t7~7,3Alcalinidad 100- 300 mg/l-DBDS 200-500 mg/l 2.5 - 35

Area d e d ig est io npH 6,7-7,3Alcalinidad 1000--3000 mg/lA cid os vo lat il es 1 00 -5 00 m g/ l

_-------- - - --------------------------Nota: La eficiencid d e I n operation puede d et ern ti nars e po r

medd c i.Sn de los ::;611dOH sed iment ab L es , solidos suspen-didos. 0 DBO dt.:lafluente y del ~flucntt!.


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Cuadro 7RESULTADOS TIPICOS' PARA UNA PLANTA D E F IL TR O P ER CO LA DO R

Ensayo Frecuencia Ubicac.ion R an go N orm al1. Ox l.geno Disuelto, 00 Diario Efluente primario 1,0-2,0 mg/t2 . S 6l id os s ed im en tab le s Diario Afluente 5-15 ml/t3 . pH Diario Afluente 6,8-8.0E fl ue nt e f in al . 7.0-8,54 . Temperatura Diario Afluente5 . DBOs Semanalmente Afluente 1 50 -4 00 m g/ x.(MJ:nimo) Efluente primario 60-160 m e l tEfluente final 15-40 mg/t6. S 6l id os s us pe nd id os Semanalmente Afluente 1 50- 400 m g/t(M1.nimo) Efluente primario 60- 150 mg/tE fluente final 15-40 mgf;.7 . C lo ro re si du al Diario Efluente final 0.5-2,0 mg/R.8. B ac te ri a c ol if orm e Semanalmente Efluente final,(Minimo) con clorad on 50-700/100 ml9. Claridad Diario Efluente final 30-90 em( Di sc o S ec ch i)


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Cuadro 8RE S U L T AD O S T I P IC O S P A R A UN A P L A NT A D E L OD O S AC T IVA DO S

.Ensayo Ubicacion Rango Comun1. D Q O Afluente 300-700 mg/tE fl ue nt e pri mari o 200- 400 m g/tE fluente final 30-70 mg/t( Lo do s ac ti vad os con-vencionale~)2. DBO Afluente 15 0-400 mg/!Efluente primario 100-280 mg/tEfluente final 10-20 mg/t

(Lodos activados con-vencionales)3. Solidos suspendidos Afluente 150-400 tog/lE fl ue nt e pri mari o 60- 160 mg/tL ic or m ezc lad o 100 0-4 500 mg /lL od os re ci rc ul ad os 2000- 10000 m g/tE fluente final 10- 20 mg/t(Lodos activados con-vencionales)4. Ox!geno Disuelto (On) L ic or m ezc lad o 2-4 mg/t

E fluente final 2- 6 mg/9..5. Cloro residual Efluente final 0,5 -2,0 mg/!( 30 m in ut os )6. B ac te ri a c ol if orm e, NMP E fluente final 23- 700/100 rn l(Clorado)7. Claridad E fluente final 1 -2 .7 m et ro s( Di sc o S ec ch i)8. pH Afluente 6,8-8,0Efluente 7,0-8,5


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Cuadro 9ANALISIS TIPICOS PARA LAGUNAS D E ESTABILIZACION

Ensayo Frecuencia Ubicacion R an go N orm alpH * Diarib Laguna 7,5O xi ge no D i su el to (OD)* Diario EfluenteLagunaTemperatura Diario LagunaD B O Semanalmente Afluente

Ef'Luent eBacteria coliforme Semanalmente EfluenteClaro res idual Diario Efluente 0,5 -2,0 mg/tSolidos suspendidos Semanalmente AfluenteEfluenteSolidos dis.ueltos SE'manalmente AfluenteEfluente

* Son comunes los valores de pH mayores que 9,0 y los niveles de OD mayoresque 1S mg/t.


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Cuadra 10RANGOS PROBABLES DE REMOCION EN LAGUNAS

Item T iempo dedetencion RemocionEsperada

DBO 50 - 9 0%DBO ( l ag u n a fac u l tat i va) S O - 6 0 dras 70 - 80%B ac te ri as c ol i fo rm es S O - 6 0 d1as 90 - 9 5%( l ag u n a fac n l tat i va)Solidos e n s uS pe ns io n Despues de 3 dras 90%S61idos disueltos Despues de 10 dras 80%


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Cuadro 11VARIACION DE CARACTERISTICAS DE AGUAS RESIDUALES TRATADAS EN

LAGUNAS D E E ST ABI LI ZA C IO N COl: DIFERENTES PERIODOS DE RETENCION

Pp.r1odo de retencion, drasCaracter1.stica Crudo 6.5 13 19.5 26

DBO, 5 dras, mg!9., 285 78 54 44 37S ol id os t ot al es , mg/'). ,

Totales 1094 911 831 920 897Fijos 492 374 532 476 515Vola.tiles 602 437 399 444 382

S 6lidos en suspension, mg/9.,Totales 427 267 270 247 171Fijos 75 37 103 92 69.Volatiles 352 230 167 155 102

S ol id os d is ue lt osTotales 66 7 644 661 673 726Fijos 412 337 429 384 [146Volatiles 250 207 232 289 280

C ol if orm es , N MP /I 00 m . 3 x 108 2 x 107 1 x 107 2.6 x 106 1 x lOfpH 7.5 7.97 8.01 8,05 8.06

Alcalinidad, mg/9- como CaC03 479 401 362 332 339D ure za, m g/ ') .,como CaC03 265 227 218 242.5 240C1oruros, mgt. como Cl 103 177 181 190 1.92F os fo ro t otal , rn g/ t c om o P 10.4 8.6 7.7 8.6 8.3N it r6ge no t ot al , mgl f. como N' 76.4 6!4.1 69.8 50.2 47.1

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U n digestor puede ser operado en uno de tresrangos de temperatura.E 1 mas bajo (lO - 20C en digestor no calentado) utiliza bacterias psicrof~-licas (que se ad.ptan a bajas temperaturas). En este caso 1a digestiontoma de 50 a 180 dias t dependiendo del grado de tratamiento (rlisminuci6nde solidos) requerido. E n la actualidad se disenan pocos digestores paraoperar en eete rango t pero todavia se uti1izan muchos t i nc luye nd o la m ayo ri ade tanques I mhoff y otros digestores simi1ares sin calentamiento y sinartefactos de mezcla. Par 10 general, no son muy efectivos para la diges-tion de lodes.L os organismos de rango medio son denominagos bacterias mesofilicas(que se adaptan mejor a temperaturas medianas) 'y proliferan a temperaturasde lO -45C . Es el de uso mas comO n, y las temperaturas se mantienen gene-ralmente a aproxieadamente 35-36.7C . E n este caso la digestion puede COUl-pletarse en un periodo de 5 a 50 dias (normallllentealrededor de 25 a 30dias) dependiendo del grado requerido de disminucion de solidos volatiles

y de la adecuaci8n de 1a muestra.E l tercer rango de organismos es denominado bacterias termofilicas(se adaptan a aites temperaturas). las cuaies proliferan a temperaturassuperiores a los 45C . E1 tiernpo q ue se requiere para completar la diges-tion en este ran go oscila de 5 a 12 dias t dependiendo de las condicionesde operaci5n y del grado requerido de reducc I fin d e solidos voU itiles. S ine mb arg o. l as d if ic ul at ad es de mantener la temperatura, la sensihilidad del os o rg cm :: i. sm osa lOR camb i.os de tpi!1{lerPlt'p~~ y al.gunas dLf'Lcu Lt.ade s sabredeficiente separacion de s81idos'y lrquidos son razones por las que s5lounas cuantas plantas han sido operadas en este range.Para lograr una operacion exitosa en otro rango t no basta elevarsimplernente la temperatura de los digestores. Las bacterias deben tenertiempo para adaptarse a la nueva temperatura y para desarrol1ar un cultivobalanceado antes de continuar trabajando. U na regIa excelente para ladigestion es no alterar la temperatura en mas de un grado por dra parapermitir que los cultivas bacterianos se aclimaten (es decir. se adaptena los cambios de temperatura).Los tanqueL de digestion secundaria se utilizan a veces para per-mitir a los lrquidos separarsede los solidos (sobrenadante). pL oporcionaruna pequena cantidad de digestion adicional. y para actuar co~o recervorio'd e al cal in id ad y semilla de lodos que pueda retornarse a1 digestor primariocu an do s e~ n ece sario .La relacion acidos volatiles/alcalinidad es la clave para al exitode la operacion del digestor. M ientras los acidos volatiles sean bajos y.la alcalinidad alta t habra dige sti . d nanaerfibaca de Lodos en el digestor .C ada planta de tratamiento te u d r f 3U propia razSn c arac te ri st ic a para Ladigestion adecuada de lodos (gcneralmente menor que 0.1). C uando dicha .razon empieza a 8umentar, se deben tamar medidas correcti..,asde inmediato.Desde el punto de vista del qu'imico J lareLaciS n a. ci do s v ol at il es !alcalinidad es una LndLcac.ifin de la capacidad amo rtLguado ra del contenidodel digcR tor. E s c1eseahle tener una alta capac:idad de amortir;uHciSn. que


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L od os c ru do s

A c id os o rg an ic os ,p ro d uc t os c e lu l ar eiy o tras d e de gra-d ac io n i nt er me di a

+M ic ro or gan is mc s " A "( pr in c ip al m en t e f o r-m ad ore s d e ac id os ,saprof!ticos,f ac u lt at i vo s ) -

+A c id os o rg an ic os ,

p ro d uc t os c e lu l ar esy otros de degra-d ac i on i n te rm e di a

+M i cro or ga ni sm os " B"( pr in c ip al m en t e f o r-mad ore s d e m et an a-anaerobios

obl.igadcs )+ O t ro s p ro d uc t osfinales( H2 0, H 2S . etc.)

Figura 2


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se 10gra cuando hay una raz6n baja, es decir cuando los Scidos volStilesson bnjo s y la alcalinidad alta (Le. 120 TOg/ ! de ac id os vo 13ti le s/2400mg d e al cal in id ad ).

Cuando la razon comienza a aumentar hay que ampliar el tiempo demezcla del contenido del digestor, controlar la temperatura mas cuidado-samente y disminuir las ta3as de retiro de los lodos. De ser posible,algunos de los lodos concentrados en el d ig es to r s ec und ari os de be rlan se~retornados mediante bombeo para contribuir a c orre gi r 1 a re lac io n. Ademas,el digestor primario no debe operarse como una unidud de sobreflujo con-tinuo cuando se afiade el ledo crude, sino reducirse para proporcionar espa-cia para el digestor secundario.El cambio en el c.ontenido de C O 2 en el gas del digester es tambienun. buen indieador de 1a eondiciSn del mismo. Un huen digestor tendra de

30 a 35% de C O 2, La relaeiSn icidos volStiles/alcalinidad comenzara aaumentar antes de que el C02 emp i.ece a subir. Si el C02 axe ede del 42%se considera que el digestor esti operando en c on di ci on es d ef ic ie nt es yque el gas esta cerea del limite de combustion (44 a 45% de C02)'El pH se mide normalment.e en el lodo crudo, lodos recirc:u1ados y elsobrenadante. Sin embargo,


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- solidos totales*- solidos volatiles*SobrenadantepH- solidos totales- solidos volatiles

d. M ensual a trimestralmenteM uestrear el digestorde arriba a abajo a intervalos de cincopies y haeer pruebas para solidos totales y s ol id os v ol 't il es .U ti li zar e st os re su lt ad os para d et erm in ar:"1. C oncentraciones de lodo a diferentes niveles del digestor.2. Profundidad de la acumulacion de arena a1 fondo del digestor

(se producira una acumulaeion gradual de arena y se debecalcular la fecha en que tendra que litnpiarse el digestor).3. Cantidad de lodo disponible y earacteristicas del lodo aser llevado a lechos de secado.4. E xistencia de la capa de sobrenadante y su grosor.5. E n los tanques mixtos (p.ej. digestores primarios) lae fe ct ivi dad d el e qu ipo m ezc lad or.

* Re~og('r d iirri.amente rnuestras de lodosal Lnic.i.o, a La mitarl y a1 finaldel cic l , o de ho m b o o , Una vez a la semana p repa ra r una mucs tra compuer.t am e z c lnruio 1as rnues tr.asdiarias y re al i. zan do p ru cb a s 'd e s ol i d os t .ota lcsy vo lfit i.Les ,


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Bibliografl.a

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2; Operation of Wastewater Treatment Plants - Water Pollution ControlFederation Manual of Practice No. 11. 1966.3. Manual of Instruction for Sewage Treatment Plant Operators. HealthEducation Service, P.O. Box 7283, Albany, New York 12224.4. Bunch, R.L. and Ettinger, M. B. "Water Quality Depreciation byMunicipal Use", Journal Water Pollution Control Federation, 36,1411-14. 1964.5. Metcalf and Eddy, Inc. "Wastewater Engineering - Collection, Treat-ment, Disposal". McGraw Hill Book Co., New York. 1972.6. Painter, H.A. "Chemic.al, Physical, and Biological Characteristicsof {vastes and Waste Effluents". Chapter 7 of Water and Water Pollu-tion Handbook by Caccia. Marcel Dekker, Inc., New York. 1971.

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