TRATAMIENTODE AGUAS{(ES/DUALES R. S.Rom 0/11 o Faculty of Science and Engineering Laval University Quebec,Canada EDITORIALREVERT,S.A. Barcelona- Bogot- BuenosAires - Caracas - Mxico Prefacio dela edicin castellana Este libro es una introduccin al tratamiento de aguas residuales industriales ydomsti-cas,dirigida tanto a estudiantes como a licenciados en ingeniera, biologa, qumica, etc. inte-resados eneste tema. Algunos de los primeros libros que aparecieron en este campo se basanfundamentalmente en la descripcin yel estudio de secuencias de procesos que se utilizan para tratar las aguas residuales de determinadas industrias.Por el contrario,este libro se basa principalmente en el estudio,deforma aislada,de las operaciones y los procesos unitarios.Adems,los princi-piosfundamentales se desarrollan demanera que permitan al profesional evaluar cualquier tipo de tratamiento, as como seleccionar los procesos ydisear los equipos ms adecuados para tratar una determinadaagua residual. A lo largo del texto, el procedimiento para seleccionar ydisear untratamiento de aguas residuales se presenta, generalmente,en tres etapas.1) Resumen de lateora necesaria para el estudio del proceso encuestin (p.ej.,cintica qumica,balances demateria yenerga) y discusin de los principiosfisicos y qumicos.2)Definicin delos parmetros de diseo para el proceso en cuestin y determinacin experimental de esos parmetros tanto a escala de la-boratorio como de planta piloto. 3) Desarrollo de un procedimiento sistemtico para el diseo definitivo de launidad detratamiento.A continuacin se dan ejemplos numricos para ilus-trar laforma en que se han utilizado los datos de laboratorio, as como los clculos detallados que se realizanenlaetapa dediseo. Estaversin espaola es unarevisinampliada yactualizada delasegunda edicinen lenguainglesa,publicada por Academic Press,NewYork,endiciembre de1983. Deseo agradecer (i los ingenieros Domingo Jimnez Beltrn yFederico de Lora quienes realizaron la mayor parte del trabajo de traduccin.Del mismo modo,agradezco a muchos otros colaboradores que participaron en este proyecto y que por ser tantos no puedo nombrar-los especficamente. Entre ellos incluyo a las dactilgrafas,los dibujantes y muchos estudian-tes y profesores que me brindaron una inestimable ayuda durante las diferentes etapas de este trabajo. RUBENS S.RAMALHO v ~ . ---...,---------, Indice analtico Prefacio de la edicin castellana CaptulolIntroduccin loIntroduccin 2.La funcin del tcnico en reduccin de contaminantes de las aguas 3.Niveles de tratamiento de aguas residuales y normas de calidad de las aguas residuales 4.Fuentes de aguas residuales 5.Aspectos econmicos del tratamiento de aguas residuales y balance econmico para reutilizacin de las aguas 6.Efectos de la contaminacin del agua en el medio ambiente y en la biota 7.Eutro[zacin 8.Tipos de abastecimiento de aguas y clasificacin de sus contaminantes Referencias Captulo 2Caracterizacin deaguas residuales domsticas e industriales loMedida de concentracin de contaminantes en aguas residuales 2.Medida del contenido en compuestos orgnicos: Grupol-Mtodos de determinacin de parmetros de demanda de oxgeno 3.Medida del contenido en materia orgnica: Mtodos para la determinacin de parmetros basados en elcontenido de carbono ;4.Modelo matemtico para la curva de DBO /5.Determinacin de los parmetros K y Lo I 6.Relaciones entre K y la relacinDBOslDBOf ,7.Efectos medioambientales sobre el ensayo de la DBO 8.Nitrificacin 9.Evaluacin de la viabilidad de los tratamientos biolgicos para aguas residuales industriales 10.Ensayos biolgicos 11.Caractersticas de las aguas residuales municipales 12.campaas de aguas residuales industriales 13'.Correlaciones estadsticas de los datos obtenidos en una campaa de evaluacin de residuos industriales Referencias v 1 2 8 10 10 15 23 24 26 27 28 47 50 52 62 63 64 66 71 76 77 80 89 VII VIIIndice analtico Captulo 3Pretratamientos y tratamientos primarios 1.Introduccin 2.Cribado 3.Sedimentacin teincrementoLly LoC l- 10- KI)->Lodebidoalademanda delamateria nitrogenada Losvaloresdelosparmetros KNy LNpuedendeterminarseporcualquieradelos mtodos previamente estudiados teniendo en cuenta que hay que hacer referencia alnue-vosistema de coordenadas [ecuacin (2.68)]. 9.EVALUACiNDELA VIABILIDADDELOSTRATAMIENTOS BIOLGICOS PARAAGUASRESIDUALESINDUSTRIALES 9.1.Introduccin Frecuentemente es necesario llevar a cabo ensayos o estudios de viabilidad para aguas residualesindustrialesyaquepuedencontener sustanciastxicasquepuedentenerun efecto perjudicial sobre los sistemas biolgicos. Elproblema de aclimatacin de las siem-Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales Nivel final (ajustado con la mordaza de tornillo) Nota:Este es tambin el nivel inicial del lquido de Brodie en el brazo inferior. Por esa ra-zn el volumen del sistema gaseoso es el mismo al inicio y al final del experimento. Nivelinicial del fluido en ambos brazos del manmetro___, Lquido de Brodie Gas/vlvula de purga .Mllf-JBrazo interior --o=[J Mordaza de tornillo Fig.2.19.Esquema delrespirmetrodeWarburg. 67 bras de microorganismos a lassustancias txicas ha sido discutido previamente en la sec-cin 2.3.1. Existen dos tipos de ensayos para evaluar la viabilidad de los tratamientos bio-lgicos de aguas residuales, que son: (1) tcnicas manomtricas (Warburg, respirmetro), y (2) evaluacin enreactores discontinuos. 9.2.RespirmetrodeWarburg La figura 2.19 presenta un diagrama esquemtico de este respirmetro. El principio de funcionamiento,que consiste enhacer respirar una muestra de aguasresiduales en una atmsferacerradaaunatemperatura constante,esidnticoaldedeterminacin dela DBO por el mtodo manomtrico (seccin 2.3.2). El oxgeno utilizado se mide con respec-to al tiempo anotando la disminucin de la presin del sistema a volumen constante. El CO2producido se.absorbepor una solucin dehidrxidopotsico detalformaque la disminucin delapresin esuna medida deloxgeno consumido. Lasetapasen elprocedimientosonlassealadasacontinuacin[51. l.Se coloca la muestra de agua residual en una botella con el volumen requerido de siembra biolgica.La botella muestra se sumerge en un bao atemperatura constante y agitadopor unmecanismodevibracin. 2.Se coloca en el pocillo central una solucin al 20 % de hidrxido potsico (llenado hasta un cuarto). Colocar una tira de papel filtro dentro del pocillo para favorecer la ab-sorcin del dixido de carbono por el lcali.El papel absorbe la solucin KOH y, de esta forma, la superficie de lcali disponible para absorcin de dixido de carbono es mucho mayor. 68 Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales 3.Disponer una botella de referencia (termobarmetro) aadiendo, a uno de los fras-cos muestra, solamente agua destilada. El volumen de agua destilada debe ser igual al total de la muestra ms la siembra de cada una de las botellas a ensayar. Esta botella de referen-cia debe usarse para las correcciones debidas a cambios en la presin atmosfrica durante eltiempo delexperimento, de aqu que sedenominetermobarmetro. 4.Agitar el sistema con la vlvula de salida de gases abierta durante unos 5 minutos. * El nivel del fluido manomtrico (fluido de Brodie) debe ser el mismo en los dos brazos del manmetro cuando se alcance elequilibrio. Ajustar el fluido del manmetro a la seal de referencia en el brazo interior del manmetro, con la vlvula de ventilacin todava abier-ta. El ajuste del nivel del fluido manomtrico se hace por medio de una mordaza de tomillo, quepermiteelajustedelaaltura dellquido manomtrico entre losdosbrazos del ma-nmetro.Acontinuacin se debe detener toda la agitacin y controlar todos losajustes. 5.Cerrarlavlvuladeventilacin,poner enmarchaelmecanismodeagitaciny empezar a tomar lecturasaintervalos detiempo seleccionados.Antes dehacer ninguna lectura detener la agitacin y ajustar el nivel del fluido de Brodie en el brazo interior al ni-velde referencia. De esta forma el volumen del sistema gaseoso eselmismo al comienzo delexperimento y justo antes detomar cada lectura. 6.La botella de referencia y las lecturas correspondientes sirven para corregir los cam-bios de presin atmosfrica durante el ensayo. Si el fluido en el brazo exterior del manme-tro,unidoaltermobarmetro,seeleva es debidoa queha habido una disminucin enla presin atmosfricay entonceslalectura observada debe ser aadida alresultadodel ensayo. Si por otro lado el fluido en el brazo exterior del manmetro baja de nivel es debido a un aumento en la presin atmosfrica y entonces la lectura obtenida debe ser restada de la delensayo. Lectura (h)=Pa,- Psistema (2.70) en la cual Pa,es el valor de la presin atmosfrica al comienzo del experimento. Durante un experimento,silapresinatmosfrica(Pa,)seeleva,elvalorcalculadodeh[ecua-cin (2.70)] ser muy superior alvalor real a menos que se haga una correccin apropiada (sustraccin). 7.Una vezla materia orgnica ha sido utilizada se estabiliza la toma de oxgeno y la seriedeensayoshaterminado. El consumo de oxgeno acumulado (mg de O2 por litro de solucin) puede expresarse en funcindeltiempo (h).La figura2.20recogeelgrfico obtenido para un agua residual txica tipo.Este agua residualindustrial se uneaaguas residuales domsticas (referen-ciadascomosiembra en la figura2.20)enproporciones sucesivamente mayores. La agitacin es necesaria debido a que puede formarse una pelcula con una concentracin muy baja de oxgeno en lainterfase entre la fasede gas y de lquido si no hay agitacin.Esto hace que la velocidad de oxidacin de O disminuya. La agitacin hace que esta pelcula se vaya renovando de tal tormaqueellquido est siempre en contactocon elgasenla fasericaen oxgeno. Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales69 Siembra + 10% S,embra + 2 % aguaresidual -Siembra- sola ~__--Slembra con ms del 10 % aguaresIdual Tiempo.h Fig.2.20.Captacin deoxigenocon diferentesconcentraciones deaguasresiduales. La figura 2.20 nos indica que esta agua residual especfica es txica o inhibidora de los procesos biolgicos cuando su concentracin excede del 10% en volumen, en cuyo caso la demanda deoxgenosufreunagrandisminucin. En este proceso de clculo hay que suponer que la presin atmosfrica no ha cambiado durante el tiempo de la experiencia [en el caso de que cambie, se deben hacer las correc-ciones indicadas en la etapa 6, ecuacin (2.70)]. Al comienzo del experimento hay que apli-car laleydelosgasesideales: (2.71 ) donde PI es la presin atmosfrica al comienzo del experimento (cm del fluido de Brodie )*; Ves elvolumen degas en el sistema cerrado (mi);Tia temperatura delbao (K); NIesel nmero de moles de aire al comienzo del experimento en el sistema cerrado y R es la cons-tante universal delosgases. * Apartir delaecuacin (2.71)seobtiene: NI=PI V/RT(2.72) *El peso especfico del fluido de Brodie es1,00 I a OC(con respecto al agua a 4C). En conse-cuencia la presinatmosfrica esequivalente auna columna del fluidodeBrodie a 0deuna altura iguala: 76,0cmHg X13,6cmagua/cmHg XcmfluidodeBrodie/I,OOIcmagua =(76,0X13,6)/1 ,001=1 032,6cmdelfluidodeBrodieaOC. (1032,6cmBrodie)(22 412ml/g mol) R=Po Vo/To = : ~ 273,2K =84709 (cmBrodie) (ml)/(g mol)(K) 70Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales En el momento en quese hace la lectura (h),figura2.19,losvaloressern (2.73) donde Pzes la presin del sistema (Pz< PI);V el volumen de gases en el sistema (man-tenido constante por ajuste de la mordaza); y Nz es el nmero de moles en la fase de gas en el sistema cerrado enaquelmomento.Para N2< NIdebido ala absorcin de oxgeno,te-nemos: N2 =NI- x(2.74) donde x es el nmero de moles de O2 adsorbidos. A partir de la ecuacin (2.73) tenemos: N2 =P2 VjRT(2.75) Igualando(2.74)y (2.75)Y resolviendopara xtenemos: x=NI- (P2 VjRT)(2.76) Sustituyendo enlaecuacin (2.76) NIpor su valor dado por laecuacin (2.72) ob-tenemos: (2.77) donde (PI- Pz)es igual a la altura h del fluido de Brodie (figura 2.19). En consecuencia: x=(VjRT)hg molO2(2.78) SiVseselvolumendelamuestra deagua enmi,lautilizacin deoxgenoenmg/I es: 1ngmg Oxgeno utilizado=(Vh/RT) g molO2xX- X103 (Vs X10-3)litrosg molO2g Oxgenoutilizado=32XlQ6(V/V,)(h/RT)mg/l(2.79) en el cualVes el volumen de gas en el sistema cerrado (mi); Vs es el volumen de la muestra de agua (mi); h eslalectura (cm del fluido de Brodie) (figura 2.19); R es la constante uni-versal de los gases [84709 (cm Brodie )(ml)/(g mol)(K)]; y Tia temperatura del bao (K). 9.3.Evaluacinenbaseareactoresdiscontinuos Puede disponerse de una serie de reactores biolgicos discontinuospara conseguir los mismos objetivos que el respirmetro de Warburg.La batera de reactores recomendada para este tipo de trabajo es la que se muestra en la figura 5.2 y descrita en la seccin 3.1 del captulo 5. Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales 71 En esta serie de reactoressepuedeadicionar una siembra ya aclimatada.Posterior-mente se aaden a cada uno de los reactores distintas concentraciones de agua residual. El contenido mezclado se somete a aireacin durante 2-3 das. La toxicidad aparente se puede evaluar a partir de muestras tomadas al cabo de1,2,4,8, 12 Y24 horas de aireacin lle-vando a cabo ensayos de evaluacin delaDQO y DBO. Las curvas tpicas obtenidas de esta forma son similares alasquesereflejanen la figura2.20. 10.ENSAYOSBIOLGICOS 10.1.Ensayo dedetermin11cindecoliformes Los organismos coliformes son bacterias en forma cilndrica, presentes en el tracto in-testinal humano. Una persona descarga entre 0,1y 0,4 billones de organismos coliformes por da,ademsdeotras especies demicroorganismos. Los organismos coliformes no son en s mismos perjudiciales y de hecho son interesan-tes para la degradacin de la materia orgnica en los procesos de tratamiento. Sin embar-go,junto con los organismos coliformes el hombre descarga otros microorganismos patp-genos tales como los que pueden causar fiebrestifoideas, disentera, diarrea, clera, etc. Teniendo en cuenta que la poblacin de estos microorganismos patgenos en las aguas re-siduales es pequea y adems difcil de localizar, se utiliza la presencia de organismos coli-formes que son numerosos y fciles de localizar como indicador de la presencia potencial deorganismos patgenos. El ensayo normal para bacterias coliformes est basado en su habilidad para fermen-tar lactosa produciendo gas.Elmtodo normal utilizado consiste en llevar a cabo cinco ensayos con series de tres muestras (un total de15ensayos).La secuencia de volmenes para lasmuestras setoma con decrementos de10(10,1,0, 1,0,0 lmI). El nmero de ensayos positivosy negativos que corresponden a cada volumen selec-cionado se va anotando. El denominado nmero ms probable (NMP) de organismos coli-formes puede obtenerse a travs de una tabla estadstica (cuadro 2.8) basada en el nmero relativo de ensayos positivos y negativos para tres muestras (cinco ensayos por muestra). Lautilizacindelnmeromsprobablevieneilustradapor losejemplos2.5.y2.6. Ejemplo 2.5.Determinar el NMP de coliformes para una agua residual cuyos resulta-dossonlossiguientes: Volumen deNo.deensayosNo.deensayos muestra (mI) positivosnegativos 10,04 1,041 0,132 0,01O5 .... N CUADRO 2.8 Nmeromas probable decoliformesen100mI demuestra [111 Nmero NmeroNmeroNmeroNmeroNmero detubos detubosdetubosdetubosdetubosdetubos positivos positivospositivospositivospositivospositivos NMPNMPNMPNMPNMPNMP \00,\\00,\100,\\00,1lO0,1\00,\ m\mImimImImi OOOOO2,02OO4,53OO7,84OO135OO23 OOI1,8O4,02O 6,83O1114O1175O131 OO23,6 . I O26,02O29,13O2134O2215O243 OO35,4O38,02O3123O3164O3255O358 OO47,2O4102O4143O4204O4305O476 OO59,0O5122O5 16 3O5234O5365O595 OO1,8O4,02O6,83O114O175O33 O13,66,1219,231441215146 O25,528,12212321742265264 O37,33102314332043315384 O49,141224\73423443654\10 O51151425193527454255130 O2O3,72O6,122O9,332O1442O2252O49 O2I5,52I8,2221232I1742I2652170 O227,4221022214322204223252295 O239,22312223173232442338523120 O24112415224193242742444524150 O25 13.2517225223253142550525180 CUADRO2.8(Continuacin) NmeroNmeroNmero NmeroNmeroNmero detubosdetubosdetubos detubosdetubos detubos positivospositivospositivospositivospositivos positivos NMPNMPNMPNMPNMPNMP 100,1100,1100,1100,1100,1100,1 mimimimimimi O3O5.63O8,323O1233O1743O2753O79 O317,431023I1433I2143133531110 O329,33213232173322443239532140 O33113315233203332843345533180 O34133417234223343143452534210 O35153519235253353543559535250 O4O7,5 4O1124O1534O2144O3454O130 O41 9,4 4113241173412444140541170 O42114215242203422844247542220 O43134317243233433244354543280 O44154419244253443644462544350 O451745222452834540445ti9545430 O5O9,45O1325O1735O2545O4155O240 O51115115251203512945148551350 O52135217252233523245256552540 O53155319253263533745364553920 O541754222542935441454725541,600 O55 195524255323554545581 74Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales Solucin. Eliminando la muestra de 0,01mipara la cual no hubo ensayos positivos, a partir delcuadro 2.8sepuedeleer para lasecuencia 4/4/3delosensayospositivos: NMP=54por100mi El ejemplo 2.5se refiereaun ensayo para un agua relativamente limpia.Para aguas muy contaminadas (aguas residuales sin depurar), deben tomarse muestras de volmenes inferiores ya que de otra forma los ensayos resultarian siempre positivos. La utilizacin del cuadro de NMP entalescasos vieneilustradopor elejemplo2.6. Ejemplo 2.6. El cuadro referido a continuacin muestra los resultados de las muestras realizadas. Volumen deNo.deensayosNo.deensayos muestra (mi)positivosnegativos 0,0015O 0,00015O 0,000015O 0,0000014 Solucin. Desechando la primera lnea, teniendo en cuenta que los tres valores iniciales no llevan a ninguna solucin (ensayos positivos), para la secuencia 5/5/4 de los test positi-vos el NMP que se puede leer a partir de la tabla 2.8 es1.600. ste, sin embargo, sera el valorsilasmuestrasfueran10,1 Y 0,1mI.Teniendo en cuenta quelasmuestrasson 100 000 vecesmsdiluidas,elNMPpara100mL ser: 160.000.000 por100mio1.000.000 pormi 10.2.Ensayodetoxicidad Para medicin detoxicidad agudaseusaunmtodonormalizadoconocido como el lmite detolerancia medio (L TM).steesdefinido comolaconcentracin deaguasresi-duales en la cual el50 % de los animales de ensayo son capaces de sobrevivir durante un determinado tiempo de exposicin. Normalmente las observaciones se hacen a las 24,48 Y 96horas. Esimportante distinguir lamuerte delos organismos de ensayo debido ala falta de oxgeno de la debida a toxicidad. En consecuencia, deben mantenerse niveles adecuados de oxgenodisueltodurantelosensayosdetoxicidad.Lasespeciesseleccionadasparael ensayo son un factor importante a la hora de analizar la significacin de los resultados ob-Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales75 tenidos.Normalmente seutilizan especies como elpez mosquito (Gambusia affinis), las carpas, truchas, peje-sol (gnero Lepomis) y otras especies de peces.Elprocedimiento de clculo para estimar elLTM vieneilustrado por elejemplo2.7. Ejemplo 2.7.Los ensayos para evaluacin delLTM durante 24,48 y 96 horas de ex-posicin tuvieron lossiguientesresultados. ConcentracinPoncentajedeorganismossupervivientes enaguaresidual (%envolumen)Despus24hDespus48hDespus 96h 2(lOO)9560 3(lOO)6426 480421 65012(O) lO12(O)(O) Determinar losvaloresL TM en porcentajeyvolumen para 24,48y96horas. Solucin.Etapa1.Llevara papel semi logartmico las concentraciones delasaguas residuales enporcentaje del volumen en funcin del % de organismos supervivientes. El grfico resultante es el de la figura 2.21y se puede utilizar para hacer una correlacin lineal dedatos. t: Q) E :o " :> t: Q) 24 h Porcentaje de organismos supervivientes Fig.2.21.Procedimiento grficopara determinacin delLTM(Ejemplo 2.7). 76 Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales Etapa2.En la abscisa de 50% desupervivencia puedeleerse: Para 1=24h Para 1 =48h Para 1 =96h L TM(al50% desuperviviencial 6.0% 3.6% 2.25% Hay que sealar que el ensayo de LTM est diseado para medir toxicidad aguda. Para llegar a establecer las concentraciones permitidas, el National Technical Advisory Com-mittee on Water Quality Criteria de EE.UU. ha recomendado tomar valores de concen-tracin que varan entre 1/10 y 1/100 de L TM para 96 horas de exposicin. La aplicacin del factor (1/10 a 1/100) ha sido utilizado dependiendo de las caractersticas del residuo y debera ser tal que la concentracin txica permitida no produzca ningn efecto sobre la biota. 11.CARACTERSTICASDELASAGUASRESIDUALESMUNICIPALES Las aguas residuales domsticas se componen fundamentalmente, en su carga conta-minante, demateria orgnica en forma soluble o coloidal y de slidos en suspensin. Se-gn Eckenfe\der [4] los datos obtenidos en una campaa que inclua 73 ciudades en 27 es-tados deEE.UU.daban comoresultadolosvaloresmedios siguientes: EE.UU. Caudal:500I/hab.da DBO,:90 g/hab.da Slidosen suspensin:100 g/hab.da Datosindicativospara Espaa 150-350I/hab.da (Media250I/hab. da) 55-65g/hab.da (Media 60g/hab.da) 90g/hab.da Paraunaciudad deunmillndehabitantes,losvaloresserian: Caudal:500000 m' Id DBO,:90 Tm/d=180ppm=180mg/l* SS:lOOTm/d 200000 m'/d 60Tm/d ""300ppm ""300mg/I* 90Tm/d * Teniendo en cuenta que la mayoria de las aguas residuales contienen concentraciones muy pequeas de mate-rias solubles (y I o insolubles l, la densidad del agua residual se toma como igual a la del agua pura, o sea Ikg/litro. En consecuencia, al establecer las concentraciones enmI/litro, puede decirse que son equivalentes a partes por mi-lln (ppm). La presencia de aguasresidualesindustralesen lasalcantarillasmunicipales puede cambiar considerablementeestosvalores. Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales 12.CAMPAASDEAGUASRESIDUALESINDUSTRIALES 12.1Procesoaseguir paraunacampaadeevaluacin deaguasresidualesindustriales 77 El proceso a seguir en estas campaas ha sido descrito en el captulo 1 (seccin 2.5.2, etapa 1). Un plano de toda la red de alcantarillado es una base fundamental para el comien-zo de los trabajos.En base almismo se deben establecer los puntos en los cuales se va a llevar a cabo la medicin de caudales y toma de muestras, incluyendo todos los focos signi-ficativos de produccin de aguas residuales. Se seleccionan los anlisis a llevar a cabo y se establece una planificacin cuidadosa de la toma de muestras. En base a los resultados se debenestablecerbalancesdematerialesincluyendolaslneasdeprocesoydeaguas residuales. De acuerdo con los resultados anteriores se hace un anlisis estadstico de los resulta-dos.Cuando es posible, estos anlisis estadsticos deben relacionarse con la produccin, esto es m3 por tonelada de producto o kg de DBO por tonelada de producto. Esto permite una extrapolacin para otros programas de produccin. Adems de la fuente de contami-nacin, es importante identificar todas las fuentes y datos que nos permitan estabecer la segregacin de corrientes, la reutilizacin de aguas residuales posibles yel grado de recir-culacin. 12.2.Medicionesdecaudal Lasmedicionesdecaudalesenlascorrientesdeaguasresidualespuedenllevarsea cabo por una gran variedad de mtodos que se resumen en la publicacin de Eckenfe\der [4]. l.Instalacin de vertederos o canales Parshall para medicin de caudales en canales abiertosoalcantarilladosparcialmentellenos. 2.Mtodos dellenado de recipientes, adecuados para caudales pequeos o descargas intermitentes.En el segundo delos casos no solamente hay que hacer la medicin de cau-dalsinotambineltiempo enquedicho caudal semantiene. 3.Estimacin deloscaudales de bombeo y duracin delos mismos.El caudal se es-timaapartirdelascaractersticasdelasbombas. 4.Cronometrando el desplazamiento de unobjeto flotante entre dos puntos fijosa lo largo de su recorrido. Este mtodo se aplica para alcantarillados parcialmente llenos. Junto conloanterior hayquemedir laprofundidad de la vena lquida.La velocidadmedia se estima apartir de lavelocidad superficial, que es la medida directamente.Para flujosla-minares la velocidad media es aproximadamente 0,8 veces la velocidad superficial. El cau-dal se evala a partir del conocimiento de esta velocidad media y de la seccin hmeda de la venalquida. 5.Examen de los registros de uso de agua de la planta. Teniendo en cuenta las prdidas 78 Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales de agua en el producto o debidas a la evaporacin, este mtodo es suficiente para evalua-cionesaproximadas. 6.Cronometrandoloscambiosdenivelesentanques,reactores odepsitosquese utilicen en lasoperaciones con descargas sobre todo discontinuas. 12.3.Muestreodeaguasresiduales Hay dostipos demuestrasquepueden tomarse:(1) muestra simple,y (2) muestra compuesta. La muestra simple nos da las caractersticas del agua residual en el momento en que la muestra es tomada. Se usa generalmente cuando: (1) el caudal de agua residual y su com-posicinesrelativamenteconstante; (2)elflujodeaguaresidualesintermitente,y(3) cuando las muestras compuestas pueden ocultar condiciones extremas de las aguas resi-duales(pH ytemperatura). El volumen mnimo deuna muestra simpledebeestar entre1 y2litros. Las muestras compuestas son aquellas formadas por mezcla de muestras individuales tomadas en diferentes momentos. La cantidad de cada muestra individual que se aade a la mezcla compuesta debeser proporcionalalflujodecaudal en elmomentoen que la muestrafuetomada. Suponiendo que Vsea el volumen total de la muestra compuesta que hay que tomar; Vi el volumen de cada muestra individual i de la muestra compuesta; Qmel caudal medio; Qiel caudal instantneo en el momento en que la muestra i es tomada y n el nmero de muestras quedebensermezcladas,entonces obtenemos: V/nQm=VjQi . '. Vi=(V/nQm)Qi El volumen demuestrarequeridaporunidad de caudalser ViV (2.80) (2.81 ) (2.82) La frecuencia del muestreo depende de la variabilidad del caudal y la carga contami-nante.Para pequeas variaciones las muestrasslo hace falta que setomen a intervalos entre 2 y 24 horas.Sin embargo, para grandes variaciones puede requerirse tomar mues-tras hasta cada 15minutos.Las muestras individuales de la compuesta deben tener entre 25y100miyelvolumen compuesto debetener entre 2 y 4 litros. Ejemplo 2.8.Las muestras siguientes se recogieron dentro de un vertido de aguas resi-duales. Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales N mero delamuestra Caudal (m'/h) \ 2 3 4 250 215 \90 \65 5\55 6205 7290 8330 9420 \O5\0 I=2730 Media:2730/\0 =273=Qm 79 Siserequiereunvolumendemuestracompuesta de3litros,cuntosmIdecada muestradebentomarse? Solucin. Etapa1.Determinar el volumen de muestra necesitada que se requiere por cada unidad decaudaldeacuerdoconlaecuacin (2.82): v3000 ~ (10)(273 ) 1,1mI Etapa2.Calcular elnmero demIpara cadamuestra deacuerdoconlaecuacin (2.81 ): midecadamuestra(Ec.2.81 ) Nmerodelamuestra V Vi=-- Qi(mi) nQm I1,1x250=275 21,1 x215=236 3\,\x190=209 4\,1x165=181 5\,1x155=170 61,1x205=226 71, lx290=319 8\,\x330=363 91, \x420=462 101,1x510=561 I=3002(""3000) 80Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales 13.CORRELACIONESESTADSTICASDELOSDATOSOBTENIDOS ENUNA CAMPAADEEVALUACiNDERESIDUOSINDUSTRIALES Los vertidos deaguasindustrialesson muyvariables tanto en caudal como en com-posicin y deben ser tratados por medio de anlisis estadsticos. Cuando se trata de fen-menos estadsticos que se adaptan a curvas en forma de campana que son tan conocidas de los estadsticos, se puede emplear papel probabilstico. Cuando los datos obtenidos se re-presentan en papel probabilstico, la curva se aproxima a una recta.Estos datos se pueden linealizar trazando larecta que ms seacerque a los puntos quetenemos.Lalnea recta obtenida de esta forma se llama lnea de Henry. En consecuencia, silos datos obtenidos de una serie de experimentos sellevan a este grfico y elresultado esuna lnearecta, indica que hay una distribucinaleatoria delosdatos experimentales. El papel utilizado para el trazado de losgrficosen este caso es el que se indica en la figura 2.22. En abscisas se disponen los valores de probabilidades y en que pue-denser linealesologartmicas,losvalorescorrespondientes. Hay dos mtodos para anlisis de correlacin estadstica de los datos resultantes de la campaa de toma dedatos,queson losrecomendadospor Eckenfelder [41. Elmtodo(1)estrecomendadoparapequeascantidadesdedatos(porejemplo menos de20puntos). 2000 ":7 V m=7i..,..u

./ om=3 m=1 1000

900 en E 800 ci 700 al o 600 500 400 510203040506070809095 98 % deltiempo en elquelaOSO esigualo infenor a lamdlcadaenordenadas Fig.2.22.Grfico deprobabilidades para elejemplo2.9(Mtodo1) . .. Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales 81 Etapa1.Disponer losdatos en orden creciente de magnitud. Etapa 2.Sea n e!nmero total de puntos y m el valor asignado dela n.Tabular todos los datos en orden creciente demagnitud con respecto am. Etapa 3.Llevar al grfico los distintos puntos para los distintos valores de probabili-dades,determinadosapartir de Frecuencia =(lOO/n )(m- 0,5)(2.83) Esta cantidad es equivalente al porcentaje de veces que se presenta dicho valor seala-do en ordenadas; por ejemplo, el tiempo en que un valor en cuestin es igualo inferior al valor de la ordenada. La posicin de la lnea que ms se acerca se establece por una apro-ximacin visual o por el mtodo de los mnimos cuadrados. La aplicacin del mtodo (1) se ilustraen elejemplo2.9. Ejemplo 2.9.Lossiguientes datos deDBO (mg/I) dispuestosenorden crecientede magnitud se han obtenido de un vertido industrial [columna (1) de! cuadro 2.9].Estable-cer la lnea deHenry por elmtodo descrito anteriormente. Solucin. El procedimiento tal y como se ha indicado en el cuadro 2.9 y figura 2.22 es el que hay que utilizar.La probabilidad de que se presente un valor puede estimarse a partir delosmismos.Porejemplo,apartirdelafigura2.22,laDBOesigualomenor que I 000 mg/l el 90 o/cdel tiempo. El valor medio estadstico es elvalor de la ordenada que co-rresponde auna abscisa de150% ypuede leerse que es650 mg/l. Tener en cuenta que en esteejemplo elvalor medio aritmtico calculado comol(DBO)/8 =673,8mg/l. CUADRO 2.9 Clculos parael ejemplo2.9 (1 )(2) Paso1Paso2 DBO(mg/L)(n=8,m=1,2, ... ,8), valoresdem 4001 4502 5203 6304 7005 7306 8607 11008 (3) Frecuencia =(lOOln)(m- 0,5) (% tiempoigualomenor que) 6,25 18,75 31,25 43,75 56,25 68,75 81,25 93,75 82 Caracterizacindeaguasresidualesdomsticaseindustriales Un anlisis estadstico de las diversas caractersticas del agua residual nos suministra una base importante para las bases de diseo. Por ejemplo, la capacidad hidrulica de la planta se selecciona para no ser superada en ms de un 99% del tiempo (en este caso la or-denada es el caudal). Por otro lado, las instalaciones para manejo de lodos se disean nor-malmente en la base de un 50%defrecuencia. El mtodo (2) se emplea cuando hay un gran nmero de datos (ms de 20 puntos). El clculodelos distintospuntos (columna 3delcuadro 2.9)apartir de Frecuencia =100m/(n+ 1) (2.84) En este caso, el proceso es el mismo que en el mtodo (1). Cuando hay un gran nmero de datos,elproceso para dibujar la lnea deHenry puede ser simplificado disponiendolos datosengruposydibujandolasordenadascorrespondientesalosvaloresartmticos medios para cada uno de estos grupos.Este proceso vieneilustrado por el ejemplo 2.10. Ejemplo 2.10. [1]: Un agua residual est caracterizada por los datos mostrados en el cuadro 3.15y la figura3.41(captulo 3).Sehan llevado acabo100anlisis demuestras compuestas tomadas a intervalos de 4 horas y cubriendo un perodo desde el10 de febrero a las 4 de la maana hasta el 26 de febrero a las cuatro de la tarde. Los valores del cuadro 3.15 son valores de la DBOs en mg/l. Establecer una correlacin lineal de datos porel m-todo (2) descrito enesta seccin. Solucin. Etapa 1.Disponer los datos por orden de magnitud creciente. En este caso y teniendoencuenta quehay100 valores,losdatosdeben disponerseen grupos.Pueden hacerse grupos a intervalos de 50 mg/l de DBO o sea entre 200-249, 250-299,300-349,350-399,... , taly como seindica enlacolumna (1)delcuadro 2.10. Etapa2.Para n100,nmero total depuntos mnmero acumulado depuntos decada grupo Tabular el nmero de datos de cada grupo tal y como se muestra en la columna (2) del cuadro2.10.La columna (3) presenta losvaloresacumulados dem. Etapa 3.Calcular el % de probabilidades de cada grupo de datos a partir de la ecua-cin (2.84): mlOOm100 %probo= -- x100==-m n+ 1100 + 1101 Losresultadossemuestran en lacolumna (4)delcuadro2.10. CUADRO2.10 Solucionesdelmtodo grfico (1)(2)(3) (4) (S) IntervaloN.odemuestraX3",,), los datos recogidos en las figuras 3.16 y 3.17 nos daran una familiadecurvas,comolasindicadasen lasfiguras3.18y3.19. 122Pretratamientosytratamientos primarios so 70 ~\ -, ~: ~I \: I I I "'" I t i'..... I I """"-- i""--- I 10 : -o I I 1 I I . 4 ~100200300400500600700800 Factor decarga.m'/da ni' (columna-(31.cuadro-3.81 Fig.3.17.Separacin deslidosensuspensin (%SS),enfuncindela cargasuperficiaL t. rrin Fig. 3.18.Separacin de slidos en suspensin (% SS) en funcin del tiempo de retencin para distintas con-centracionesinicialesdeSS. Fig.3.19.Separacin de slidos en suspensin (% SS) enfuncindelfactor de carga para distintas concen-tracionesinicialesdeSS. Etapa 4 (d). Hacer un grfico del porcentaje de partculas con velocidad inferior a la es-tablecida, con respecto a la velocidad de sedimentacin (m/h) para un tiempo de retencin de 25 minoLos clculos necesarios para llegar a la figura 3.20 son los que se recogen en el cuadro 3.9. La figura 3.20 no es necesaria para establecerlos clculos de diseo; se mues-Pretratamientosytratamientosprimarios 70 / r! .~L t ~ m i nV 234 Velocidad de sedimentacIn V" m/h (columna (4),cuadro 3.9) 123 5 Fig. 3.20. Porcentaje de partculas cuya velocidad es inferior a una determinada funcin de la velocidad de sedimen-tacin (Ejemplo3.3para t=25minutos). CUADRO 3.9 Porcentaje departiculas convelocidad inferior aunadeterminada.en funcindelavelocidad desedimentacin (t=25min.) (1 )(2)(3)(4) %Slidosseparados.%Partculasconh(m) V,=Vs(h/H) Etapa 4(h)velocidadinferiorEtapa 4(h)=(h/l,8)x4,32 t= 25mino100-(1)t=25min= 2,4h.(m/h) 30701,84,32 35651,263,02 4555 0,721,73 55450,421,01 65350,2520,60 75250,0840,20 tra debido a que un grfico de este tipo, en particular la figura 3,15, fueutilizada para de-sarrollar laecuacin (3.39).Elgrfico eselrepresentado en lafigura3.20. 3.6. 1.Clculosdediseoapartir dedatosdelaboratorio A efectos de extrapolacin, el hecho de que el rendimiento de los procesos en un tanque de sedimentacin se reduce debido al efecto de parmetros, tales como turbulencias, corto-124 Pretratamientosytratamientosprimarios circuitos, interferencias de la entrada y de la salida, estos procesos deben ser considerados a la hora del diseo prctico. El efecto final de todos estos factores da como resultado una disminucin de la carga superficial y un incremento del tiempo de retencin sobre los valo-res establecidos en los ensayos de laboratorio. A efectos de diseo, es costumbre dividir la carga superficial, obtenida en los anlisis de laboratorio por un factor que oscila entre 1,25 y 1,75, Y multiplicar eltiempo de retencin por un factor del mismo rango [61.El cuadro 3.10 representalosvaloresdediseonormalmenteutilizados. CUADRO 3.10 Valores de diseo (Clarificadores primarios) Profundidad:2- 3,5m Tiempo de retencin o residencia: 0,5 - 1,5 h Velocidad depaso:18- 80m/h Factor decarga:36- 50mJ/m' h Rendimiento: Separacin SS:40-60% DisminucinDBO:30-50% 3.6.2.Balancedemateriasparaunaclarificador primario paraunaseparacin determinada (normal-mente 40 - 60%)g!!J9JUlidos en suspensin en el vertido de entrada. En la figura 3.21 deben considerarse: Qo=m3/ddelafluente. Xo =mg/l deslidos ensuspensin enelafluente. Qe=m3 Id delefluente (rebosadero delclarificador). Xe =mg/l deslidos ensuspensin quepermanecenenellquidoclarificado. Q"=m3 Id delcaudal quesale delclarificador. Ku=mg/l deslidos ensuspensin delcaudal separado. Un balancetotaldeloslquidosencirculacinnosdara: Qo=Qe+ Qu Un balancematerialpara slidos 'ensuspensin nosdara:* * Hay quetener cuidado conlasunidadesquesemanejan. (3.41 ) (3.42) Pretratamientosytratamientosprimarios125 Combinando lasecuaciones (3.41)y (3.42)se obtiene: (3.43) y (3.44) La concentracin de loslodos separados se determina considerando el proceso de su manipulacin yvertido (captulo7).Pueden llevarseacabo ensayos para determinar la '" o " .2 '".2 c: " '" o :!;! :o '" " " *' 2,0 1,5 1,0 0,5 Afluente Caudal salida Fig.3.21.Balance demateriapara clarificadoresprimarios. ~V V V ~ ~ __ e4 __ .------[7i / , Ii y , ~ /I , I I!i"31,5 00 10203040506070 Tiempo de sedimentacin. min 8090 Fig.3.22.Grfico de %deslidosenloslodos, enfuncindeltiempo deretencin (Ejemplo3.4). 126 Pretratamientosytratamientos p r i m r i o ~correlacin entre las concentraciones de los lodosy eltiempo deretencin,sin ms qUI separar muestras de la ltima vlvula de la columna de sedimentacin (fig. 3.12). El grfic( del %de slidos para el lodo compactado en funcin del tiempo de retencin puede cons truirse en base a los mismos. Un grfico tpico de este resultado es la que se recoge en la fi. gura 3.22. Los procedimientos de diseo de un clarificador primario son los recogidos en e ejemplo3.4. Ejemplo 3.4. Un agua residual original para lacual elcaudal esde 6 000 m3 Id, con tiene una media de 430 mg/l de slidos en suspensin. Los datos resultado de anlisis en e laboratorio sonlosrecogidos enelcuadro 3.3. 1.Disear unclarificador primario deseccin circular,determinar su dimetro yh profundidad efectiva para separar el50% de los slidos en suspensin.Usar un factor dI mejoracin de1,25. 2.Calcular la acumulacin diaria de lodos (kg/ d), los kg/ d de slidos secos sedimenta dos y el bombeo medio en m3/h. El grfico que recoge el % de slidos de los lodos compac tados, en funcin del tiempo de retencin se determina experimentalmente y serecoge er la figura3.22. 3.Para el clarificador diseado en la parte 1, cul sera el % de slidos en suspensil separadossielcaudalseduplicase? SolucinParte1 Paso1.De lasfiguras3.16y3.17, para separacin del50%seobtiene: Fig.3.16: Fig.3.17: t=31,5mino 81,4m3/m2 .d U tilizandounfactorde1,25: t=1,25X31,Smin=39,4min, Factor decarga =81,4/1,25=65,12mJ/m2 d Paso2.De lafigura3.22,para t=31,5minoselee: Xu =1,07%(10700mg/l) Para separar el50%: X.=0,5X430 =215mg/l) Pretratamientosytratamientosprimarios127 Paso3.Calcular Q.yQu. Segn laecuacin3.43: Qo(Xu - Xo)6000 (10 700- 430) Qe=Xu-Xe =10700-215=5880m3/d Segn la ecuacin (3.44): Qu=Qo- Q.=6000 - 5 800 m3/d =120m3/d Paso4.Calcular elrea delaseccin,dimetro yaltura efectiva delclarificador: A=Qe Factor carga 5800 m3/d_2. 65,12m3 /m2d- 90,3m (4A) 1 12 D=rr=10,72m H= ~ =Qot=6000 m3/d X1/1440 d/minX39,4min=1 82m AA90,3m2 ' SolucinParte2. Qu=120m3/d delodocompactado Enpesototal:120m3/des120000kg/d,aproximadamente.(Tomandodensidad equivalentealagua.) En peso,contenidoenslidos: I2 0 ) : : ~ 1,07/100 =1 284kgdemateriaseca' Bombeo,120 m3/d X1/24 d/h =5m3/h.\ SolucinParte3.Sielcaudalesdoble,eltiempoderesidenciasereducealamitad: t= 31.5/2=15.8min Segn figura3.16:%SSseparados =36%. ILUylfdllfnfenrOSpnfn8rtOS 3.7.Sedimentacinporzonas La sedimentacin por zonas se presenta en clarificadores con lodos coagulados qumi-camente, o activos con concentraciones que exceden los 500mg/l. La capa delodos pre-senta varias zonas perfectamente diferenciadas. Cada zona se caracteriza por una concen-tracin especfica en lodos y por una velocidad de sedimentacin determinada. Veamos lo que ocurre cuando una suspensin que tiene una concentracin en lodos uniforme Xo (mg/l) secoloca en uncilindro desedimentacin (fig.3.23). Los lodos comienzan a precipitarse, establecindose una interfase (interfase 1) entre la superficie de la capa deslidos que estn sedimentndose yel lquidoclarificado que se presenta en la parte superior. La zona inferior del lquido clarificado es lo que se denomina zona interfacial. La concentracin de lodos en esta zona es uniforme, precipitndose todo ello como una capa demateria avelocidad constante (V,). a la forma-cin de la interfase 1 y de la zona interfacial, empieza una compactacin de los slidos en suspensin en el fondo del cilindro (zona de compactacin). En esta zona la concentracin de slidos en suspensin es tambin uniforme, y la interfase que bordea esta zona (interfa-se2)avanza en elcilindrocon unavelocidad constante (V). Entre la zona interfacial y la zona de compactacin hay una zona de transicin. En la misma, la velocidad de sedimentacin de los slidos disminuye debido al incremento de la viscosidad y de la densidad de la suspensin. En esta misma zona, el lodo cambia gradual-(a) r : .. Interfase-1 '. I . : .. " '. Intarfasa-2 1O ConcentracIn de lodo uniforme XC)" (b) Zona de agua clarificada

-Zana Intarf acial

Zanada transicin ----ly. lanada , fOmpactacls r\ 'e )1)0

Proceso de clarificacIn (e) Zona de agua dsrificada Coaletcencfa da lntarfaHs __I 1 -= ..=-= He I .L , ta'e Comienzo de compactacin (d) Zona de ligua clarificada , 'u FInal de compactacIn Proceso de espesado de lodos Fig.3.23.Sedimentacinpor zonas. Pretratamientosytratamientosprimarios -' 1 500 . I I I I O L ~ ~ ~ ~Iti.B I---t--l Tiempo desedimentacin 1.min Fig.3.24.Curva desedimentacindelIodo, E " (") " :f ni 5 0 0 ~'C ~"' . ., a; n O c: J 129 mentedeconcentracin entrela correspondientea la zona interfaciala la dela zona de compactacin. Si consideramos las interfases 1 y 2, se puede obtener la figura 3.23 b. La interfase 1 se mueve hacia abajo con una velocidad constanteV"mientras que la interfase 2 se mueve hacia arriba con una velocidad constante V. Eventualmente, las zonas de compactacin e interfacial pueden llegar a encontrarse, en un momento critico (tJ, y la zona de transicin desaparece (fig.3.23 c).En este momento, el lodo sedimentado tiene una concentracin uniforme Xe,quesedenomina concentracin critica.Empieza la compactacin y el lodo comienza a espesarse, alcanzando eventualmente la concentracin finalXu (fig. 3.23 d). La velocidad de sedimentacin en el momento tecorresponde a un valor Ve'dado por la pen-diente dela tangente a la curva de sedimentacin.en el punto C, tal y como se indica en la figura3.24, dondeVey el por sus valores, dados por las ecuaciones (3.82) y (3.79) se obtiene: (3.84) Sustituyendo los valores de CI y C2 dados, respectivamente, por las ecuaciones (3.84) y (3.79),en lasecuaciones (3.76)y(3.77),seobtiene: 152 Pretratamientosytratamientosprimarios Sistemas de flotacinsinrecirculacin: AjS =1,2S.(fP - l)jXo(3.85) Sistemas deflotacincon recirculacin: AjS =(RjQ)I,2S.(fP - l)jXo(3.86) 4.3.Procedimientodediseoparaunidadesdeflotacinconosinreciclaje 4.3.1.Sistemasde flotacinsinreciclaje A partir de la ecuacin (3.85) se deduce que si se selecciona una relacin A/S dejando fijafpara un tipo determinado de tanque de retencin y viniendo definidaXo por las carac-tersticas delafluente, sepuede establecer la presin de funcionamiento P, que se calcula apartir delaecuacin (3.85)como: P=(Jjf)[(AjS)Xo/1,2S.+ 1](3.87) Eldiseo desistemas deflotacinsinreciclajeimplica calcular la presinrequerida de operacin [ecuacin (3.87)1ydeterminar el rea de la seccin de la unidad de flotacin. Este rea puede calcularsepartiendo devaloresseleccionados de la carga superficiaLy puedeoscilarnormalmenteentre0,08y0.16mJ/m2 min (ejemplo3.7). Ejemplo 3.7.Los ensayos de flotacin en el laboratorio para una determinada agua re-sidual indican una relacin ptima aire/slido (A/S) de 0,04 kg' aire/kg' slidos. El cau-dal de aguas residuales es 4.000 mJ /d y contienen 250 mg/l de SS. Los ensayos de flotacin (sin reciclado) indican para una relacin A/S de 0,04 una calidad ptima de efluente con-teniendo 25mg/l. Tomarf= 0,5 para el tanque de retencin y una temperatura de funcio-namiento de20e.Disear unsistema deflotacinsinrecicladopara este servicio. Solucin.Pasol.Seleccionar AlS =0,04 Paso2.Calcular Pdelaecuacin (3.87). P=(1/0.5)(0,04X250/1,2X18,7+ 1)=2.9atm Paso3.Seleccionar unfactordecarga: Pretratamientosy tratamientos primarios 153 Paso4.Calcular elrea requerida: A=Q/F=4.000m3/d 1/24 d/h22,8m2 e7,32m3/m2 h 4.3.2.Sistemasdeflotacinconreciclaje Apartir de la ecuacin (3.86) se obtiene que,para una aplicacin especfica (valores fijos defy Xo) debe especificarse no slo la relacinA/S, sino tambin el grado de recicla-do antes de fijar la presin de funcionamiento.El procedimiento normal es especificar una presinde funcionamiento P,yuna relacin A/S, ycalcular el reciclado requerido para ellassegnla ecuacin (3.86),queresuelta para Rnosda la ecu.a.c.in(3.88): R=(A/S)QXo/l,2S.ifP - 1)(3.88) El procedimiento de diseo para sistemas de flotacin con reciclado seilustra en el ejemplo3.8. Ejemplo 3.8.Para la aplicacin del ejemplo 3.7 disear un sistema de flotacin con re-ciclado,considerandounapresin defuncionamientode2,9atm. Solucin.Paso1.Seleccionar A/S =0,04comosealadoantes. Paso2.Calcular Rdelaecuacin (3.88). R=(0,04)(4.000250)/1,2X18,7(0,5X2,9- 1)=3.960m3/d Lo quesignificaquela relacin dereciclado RlQesaproximadamentela unidad. Paso3.Seleccionar un factor de carga (igual que en el ejemplo 3.7). Paso4.Superficierequerida,para Q+ R:::::8.000 m3/d SrfiQ + R/F8.000 m3/d X1/24 d/h upeICle==-----___ e7,32 m3/h. Superficie =45,6m2 154Pretratamientosytratamientosprimarios o sea, es el doble dela requerida sin reciclado:sin embargo,elefluente tienemayor calidad (SS< 25mg/l). 4.4.Comparacindelaflotacinconlasedimentacinporgravedad Los costos de inversin son inferiores para las unidades de flotacin con respecto a las desedimentacinpor gravedad.Por otrolado,loscostesdeoperacinsonmayoresen aqullas debido, fundamentalmente. al coste de compresin del aire. Para el caso de lodos activos, los factores de carga permitidos para la flotacin son aproximadamente el doble de lospermitidosensedimentacinpor gravedad,loquedacomoconsecuenciauncosto inferior deinstalacin.Esto ocurreporquelavelocidad dellodoactivopor flotacines mayor quelavelocidaddesedimentacin.En cuantoala calidad delefluente.staes mayor en las unidades de flotacin, en cuyo caso la separacin de slidos puede llegar a ser. de una forma normaL de un 95% o mayor.El resultado de la flotacin puede ser muy me-jorado por laadicin decoagulantes.Loscoagulantesutilizadosnormalmenteson:al-mina.clorurofrricoypolielectrolitos. 5.NEUTRALIZACIN(YHOMOGENEIZACIN) 5.1.Neutralizacinenelcampodelostratamientosdeaguasresiduales Eltratamiento deneutralizacin seutiliza normalmente en los siguientes casos que se presentanenladepuracin deaguasresiduales: l.Antes de la descarga de aguas residuales en un medio receptor. Lajustificacin para la neutralizacin es que la vida acutica es muy sensible a variaciones de pH fuera de un in-tervalocercanoapH =7. ,2.Antes de la descarga de aguas residuales industriales al alcantarillado municipal. La especificacin del pH de las descargas industriales en las alcantarillas se hace de forma fre-cuente. Es ms econmico hacer una neutralizacin de las corrientes de aguas residuales in-dustriales antes de descargar en el alcantarillado municipaL que intentar hacer una neutra-lizacin de los mayores volmenes de las aguas residuales mixtas combinadas domsticas eindustriales. "3.Antes del tratamiento qumico o biolgico.Para los !ratamientQs biolgicos. elpH del sistema se mantiene en un intervalo comprendido entre 6.5y 8.5para asegurar una ac-=-tividad biolgica ptima. El proceso biolgico en s mismo puede conseguir una neutralza:-cin, yen cualquier caso tiene una capacidad tampn como resultado de la produccin de CO2,que da lugar a la formacin de carboaatos y bicarbonatos en la solucin. El grado de preneutralizacin requerido para el tratamiento biolgico depende de dos factores:1) la al-Pretratamientosytratamientos primarios 155 calinidad o acidez presente en el agua residual, y 2) los mg/l de DBO que deben eliminar-seen eltratamiento biolgico.Este ltimoaspecto est muyrelacionado con la produc-cin de COl' que puede dar lugar a una pequea neutralizacin de losresiduos alcalinos. Esteaspectoser objeto dediscusin enelcaptulo 5,seccin7.7 5.2.Mtodosparalaneutralizacindeaguasresiduales Los mtodos para neutralizacin de aguasresidualesincluyen: ( 1) homogeneizacin, que consiste en mezcJac,-_sc.orrientes.algunas delas cuales son-cidas y otras alcalinas. disponLblesen la planta. y (2) mtodos de control directode-pH. que consisten en la adi--indecidos(obases)para neutralizarlascorrientesalcalinas ocidas. 5.3.Homogeneizacin.Introduccin. Cuando se va a utilizar para conseguir la neutralizacin. la homogeneizacin significa la mezcla delas corrientes deaguasresiduales, cidas y alcalinas en un tanque dehomo-geneizacin. La homogeneizacin se utiliza a menudo para otros objetivos aparte de la neu-tralizacin. como son:1)aminorar las variaciones de ciertas corrientes de aguas residua-les, intentando conseguir una corriente mezclada, con un caudal relativamente constante. que seael que llegue a la planta de tratamiento: y 2) aminorar las variaciones de la DBO del afluentealossistemasdetratamiento.Con estepropsitoseutilizan tanques dehomo-geneizacindenivelconstante ovariable. l.Estanques de homogeneizacin de nivel constante.Esta disposicin es la mostra-da en la figura3.35. El nivel del depsito de homogeneizacin se mantiene constante.En Mezclador Afluente Efluente Corrientes cidas y bsicas Fig.3.35.Depsito dehomogeneizacinanivelconstante. consecuencia. si el caudal de entrada vara. vara el caudal de salida. Por lo tanto. no se tra-ta deuna tcnica de homogeneizacin de caudal, sino simplemente un mtodo deneutra-lizacin.Si las fluctuaciones en el caudal de entrada son muy grandes. el efluente que pro-viene de un sistema de homogeneizacin de nivel constante puede llevarse a otro depsito dehomogeneizacin,quetenga como objetivouna homogeneizacinen elcaudal. 156 Pretratamientosytratamientosprimarios 2.Depsitos dehomogeneizacindenivelvariable.En estemtodo de neutraliza-cin, el efluente sale con un caudal constante, y teniendo en cuenta que el caudal de entra-da variaconeltiempo,elniveldelestanquedebehacersevariable. Este mtodo se utiliza tambin con el objetivo no slo de conseguir una neutralizacin, sino de conseguir un caudal de salida constante. En la figura 3.36 se recoge un esquema de undepsitooestanque dehomogeneizacinconnivelvariable. Atluenle QIfU)o. - oonstanle Corrienles cidas y bsicas Fig.3.36.Depsito dehomogeneizacin denivelvariable. Otro mtodo de homogeneizacin consiste en sacar elexceso dela corriente de en-trada. o caudal de alimentacin. a un depsito de retencin. del cual sale una pequea pur-ga que va alimentando al tanque de homogeneizacin. Este mtodo no se utiliza con obje-tivos deneutralizacin. sino solamente para elmantenimiento de la DBO o caudal.La fi-gura3.37ilustraestainformacin. Afluente Exceso Estanquede retencin Corriente de aportacin I Depsito de homogeneizacin -------._----.. -- ---.-_ .... l Fig.3.37.Mtodo delestanquederetencinpara homogeneizacin. Pretratamientosy tratamientosprimarios 157 5.4.Mantenimiento del caudal constante El diseo deun depsito dehomogeneizacin de nivelvariable vieneilustrado por el ejemplo3.9.Elprocedimiento dediseoeseldescritopor Hummenick [91. Ejemplo 3.9.Con objeto de establecer la evolucin del caudal delas aguas residuales que llegan a una planta de tratamiento, se ha realizado una campaa de muestras. La figu-ra 3.38 representa la evolucin del caudal instantneo (m3 Ih) con eltiempo (entre O y 24 horaspara unciclo diurno). l.Determinar elvolumentotaldiariodeaguaresidualpara sertratada. 2.Calcular elcaudalmedioenm3/h. 3.Dibujar en el mismo grfico, en el cual las ordenadas son los caudales acumulados enm3,ylasabscisassonlostiempos(Oa24horas): a)Una lnea recta (i)representando el caudal constante que sale del estanque (flujo o caudalacumulado enm3 con respecto altiempo). b)Una curva (ii) que represente el caudal de entrada acumulado en el estanque en m3 respectoaltiempo. 140 '\ r-"120 \ 100 \ \ / , \VI\ , 40 20 AA2 A3A4A5A6A7 1 510152025 1. h Fig.3.38.Grfico decaudalesinstantneos (m'/h).Variacin en eltiempo(h). 158 Pretratamientosytratamientosprimarios 4.Dibujar en este mismo grfico otra curva (iii), en el cual la ordenada sea el conteni-do del estanque en ml,y la abscisa el tiempo. Explicar cmo se construye esta curva a par-tir de la lnea (i) y delacurva (ii).Especialmente: a)Cul debera serel contenido, en ml,al comienzo de la operacin (tiempo O), para que elnivelinferior que sealcance en cualquier momento sea O (peronuncanegativo), para elmomento msdesfavorable? Cul esestemomento, expresado en horas? b)Cul es elmximo dela curva (iii)?Darse cuenta que este mximo representa el volumenmnimodealmacenajerequeridopara elestanque. Solucin.1.Volumen diario total de agua residual.Viene dado por el rea limitada por lacurva delafigura3.38. i=8 V.olaldiario= Ai=Al+A2+Al+...+As i= 1 El rea secalculasumandolasreasdelos8trapecio: AI=5hX1/2(40+52)=230m3 A2 =3 h X1/2(52 +140) =288 m3 A3=2hX 1/2(140+ 130)=270m3 A4=2hX 1/2(130+ 128)=258m3 As=2hX 1/2(128+ 120)=248m3 A6=4hX1/2(120+20)280m3 A7=5 h X1/2(20 +60)=200 m3 As=1 h X1/2(60 +40)=50 m3 Volumentotaldiario=1.824m3 2.Caudal medio (ml/h): QM=1824/24=76m3/h 3(a)El caudal medio constante se representa por una lnea recta que une el origen con elpuntoquerepresenta1 824 m3 en24h. 3(b)El caudal acumulado de entrada al estanque se obtiene calculando el rea limita-da por lacurva3.38para cada momentoen cuestin (Acumulacin de Al... As). t=5h: t=8 h: t=10 h: t=12h: Al=230m3 Al+A2 =230+288=518m3 (A.+ A2)+ A3=518+270 =788m3 (A.+ A 2+ A 3 )+ A4=788+ 258=1.046m3 Pretratamientosytratamientosprimarios 159 (Al+ A2+ A3+ A4) + A5=1046+ 248=1 294m3 (Al+ A2+ A3+ A4+ A5) + A6=1 294+ 280=I574 m3 t=14h: t=18h: t=23h: t=24h: (Al+ A2+ A3+ A4+ A5+ A6) + A7=I574+ 200=I774m3 (Al+ A 2+ A3+ A4+ A5+ A6+ A7) + As =I774+ 50 =I824 m3 El grficodeestosvaloresnosda lacurva (ii)enlafigura3.39. 4.Contenidodelestanqueen funcindeltiempo. (a)Construir el cuadro 3.14 para determinar exactamente las desviaciones mximas negativas y positivas entre el caudal homogeneizado acumulado (lnea i) y el acumulado de entrada (lnea ii). La desviacin positiva mxima se presenta a las 5 h(i - ii =150 m3), y la negativaa15,5h (i- ii=232m3). En el comienzo de la operacin el contenido del estanque debe de ser como mnimo de 150m3,detalformaquedespusdecincohorassealcanceunnivelmnimode O m3 En general, el contenido del estanque en cualquier momento dado ser 150 m3,menos ladiferencia entreelvaloracumuladodelcaudal homogeneizado (salida)ydeentrada. Estossonlosvaloresdelacolumna 5en m3,yquesereflejanenelgrficoiii. (b)Mximo decurva (iii).El mximo de la curva de contenido del estanque en fun-cindeltiemposepresentaralas15.5h,siendo entoncessucontenido 150 + 232=382m3 1600r----1I----+----+-..,. I 4 ,,ro,.232m' (d9sviaci6n _nogal;.a rn>Uma h Fig.3.39.Solucin grfica (ejemplo3.9). 160Pretratamientosytratamientosprimarios CUADRO 3.14 Clculos parael ejemplo3.9 (Ref figura3.39) (1)(2)(3)(4)(5) l. hOrdenadas enOrdenadas en=(2)-(3)Contenido del m'm'(i)- (ii)estanqueen m' Recta (i) Curva (ii)enm3 (iii)=150- (i- ii) OOOO150 1763343117 2152668664 3228117III39 430416713713 5380230150O (Mx.) positivo 64563101464 753240013218 86085159357 96846335199 10760788-28178 11836933-97247 129121046-134284 139881173-175325 1410641294-230480 1511401367-227377 15.511781410-232382 (Mx.) negativo (Nivel) mximo 1612161447-231381 16.512541483-229379 1712921516-224374 1813601574-214364 1914441620-176324 2015201667-147297 2115961707-111261 2216721740-68218 2317481774-26176 2418241824O150 A partir de este momento el nivel descender ya las 24 h ser nuevamente150 m].empe-zandounnuevociclo. En resumen:el almacenamiento mnimo requerido es suma de las desviaciones mxi-ma positiva y mxima negativa entre la salida acumulada y la entrada (o sea,150 + 232 = Pretratamientosytratamientosprimarios 161 =382ml). En la prctica, se recomienda un valor ligeramente superior, de tal forma que elnivelnunca descienda a cero. 5.5.HomogeneizacindelaOBO El diseo deun estanque de homogeneizacin requiere la aplicacin de ciertosprin-cipios estadsticos. El procedimiento de diseo descrito en este captulo. permite la deter-minacin del tamao del estanque requerido para mantener la concentracin de DBO del efluente que sale del estanque dentro de un cierto intervalo, basado en la variabilidad de la DBO del agua residual de aportacin, y el grado de confianza que el diseador pretenda es-tablecer enlasprestaciones delsistema. Cuando sea posible se recomienda que el caudal que llega a un sistema biolgico, espe-cialmente siesde lodos activos, sea constante, de talmanera que la nica variacin en el proceso biolgicosearesultado de lacalidad delaguaresidual. Con objeto de desarrollar el procedimiento de diseo de los estanques de homogeneiza-cin con mezcla completa y a nivel constante, para mantener los valores de la DBO entre ciertos lmites, hay que hacer una pequea revisin de las bases estadsticas, as como re-considerar ciertasdefiniciones. 5.5.1Varianza Consideremos un estanque de homogeneizacin de mezcla completa ya nivel constan-te,en condicionesdeflujocontinuo (fig.3.40). Eltiempoderetencinhidrulicopara ellquidoenelestanquees: (3.89) dondeVeselvolumendellquidoenelestanque(ml),yQeselcaudal(ml Ih). Six son los valores de DBO para el afluente, suponer que estos valores fluctan con el tiempo. pudiendo venir reflejadas dichas fluctuacionespor un grfico como el recogido en la figura 3.41para el ejemplo 3.10, Seaxel valor medio de estos valoresx para el periodo detiemposeleccionadopara elestudio. Q i Q XI xe VI vI!" vve Fig.3.40,Diagramaparaunestanquedehomogeneizacin (homogeneizacindela DBO delefluente). 162 Pretratamientosytratamientosprimarios I!OOI . .. ,. 1200 11001-I 1000 toO ....... el E 800 =896mg/I Paso2.xe =Xi=690mg/I(ejemplo3.10,paso1). Paso3.Seleccionar P(x)=0,95(95%deconfianza). Paso4.Para P(x)=0.95leerenelcuadro3.16: ~ 1,65 Paso5.Clculo deUe. ecuacin(3.101): Xe max- Xi896- 690 (5='=--- =125mg/I ey1,65 Paso6.Lavarianzadelefluentees: ;e=(5;=(125)2=15625mg2/U 5.5.4.Clculo detiempo de retencin para una balsa de homogeneizacin de DBO anivel constante En condicionesdecaudal constante, para una balsa dehomogeneizacin de mezcla completa y a nivel constante, Oanckwerts y Sellers [31han demostrado que la relacin en-170Pretratamientosytratamientosprimarios trela varianza delefluente (v.)yla varianza delafluente (vJpuederelacionarsecon el tiempoderetencin hidrulica (th)por medio dela relacin: Ve/Vi=(J;/(J;= ~ e-rrlhR(r)dr!th(3.103) donde r es el tiempo de respuesta, y R(r) es el coeficiente de autocorrelacin para los datos delafluente,quesedefinepor: (3.104) donde el numerador representa elvalor medio del producto de las desviaciones de la con-centracin media separadas por el tiempo de respuesta r.La ecuacin (3.103) puede resol-verse grfica o analticamente despus de hallar R(r). Hummenick [91ha desarrollado un mtodo para esteclculo y presentaprogramas deordenador con este objeto. Adams y Eckenfelder [ 11utilizan una versin simplificada de la ecuacin (3.103) para relacionarla razn entre la varianza del efluente (ve)a la varianza del afluente (vJ, y el tiem-po deretencin hidrulica (th).Esta relacin, queseutiliza en el ejemplo 3.13, escomo sigue: (3.105) donde Mpuede tomarse convenientemente como elintervalo detiempo entre dosmues-tras compuestas, cuando se han recogido un gran nmero de muestras durante el periodo de estudio.Resolviendolaecuacin (3.105)para eltiempoderetencinhidrulica (th): LItViLIt(J; th=__=_-2Ve2(J; (3.106) Ejemplo 3.13 [1].Para el agua residual del ejemplo 3.12 calcular el tiempo dereten-cin hidrulica thyel rea de la seccin horizontal dela balsa de estabilizacin (enm2) suponiendo una profundidad de 3,6 m. Basar los clculos en un 95% de probabilidad de quela DBOs delefluente homogeneizado seaigualo inferior a890mg/l. Solucin. Paso1. Calcular th apartir dela ecuacin (3.106): LItVi(4h)87025 t= - . - = --. --=11I h(0,464d) h2Ve215625' donde t::.tse toma como 4 horas (intervalo de muestreo). El valor de Viutilizado se obtuvo por el mtodo grfico (ejemplo3.11); Y eldev.es el obtenido en elejemplo3.12 por el mtodo deprobabilidades. Pretratamientosytratamientosprimarios171 Paso2.El volumendela balsa ser: v = Qth =18.000m3/d X0,464 d =8.352m3 Paso3.El rea dela seccin horizontal dela balsa ser: A=8 . : ~ 2 :3 =2.320 m2 5.6.Mtodos de control directo delpH:Neutralizacin de las aguas residuales cidaspormtodos decontroldirectodelpH Los siguientes mtodos de neutralizacin directa de las aguas residuales cidas son los empleados normalmente:1)lechos de caliza: 2)neutralizacin por cal: 3) neutralizacin con sosa custica (NaOH); 4) neutralizacin por carbonato de sodio, y 5) neutralizacin conamoniaco. Podemoshacer algunoscomentarioscon respectoaestos mtodos: La neutralizacin con cal esel mtodo ms comn yse discute en el apartado 5.8. El diseo deloslechosdecaliza sedescribeenel5.7. La sosa custica es ms cara que la caliza. Ofrece ventajas con respecto a la uniformi-dad del reactivo, facilidad de almacenaje yalimentacin, tiempo rpido de reaccin, yel hecho dequelosproductosfinalesdelareaccin (sales desodio)son solubles. El carbonato sdico (Na2COJ)no estan reactivocomo la sosa custica, ypresenta algunosproblemas debidosala emisin dedixido decarbono. El amoniaco (NH40H) presenta la desventaja de ser contaminante: como consecuen-ciasuusopuedeestar prohibido por lanormativa decontrol dela contaminacin. Losfactoresqueguanla seleccin de un reactivo de neutralizacin son:1)coste de compra: 2) capacidad de neutralizacin: 3) velocidad de reaccin, y 4) almacenamiento y vertidodelosproductosdela neutralizacin. 5.7.lechos decaliza 5.7.1.Tiposdeequipos Se dispone de lechos de caliza con flujo ascendente o descendente. Para aguas residua-lesconteniendoH2S04,loslechosdecalizanodebenutilizarsesila concentracin de H2 SO 4supera el 0,6%. La razn para esta limitacin es que la caliza se cubre con una capa insoluble de CaS04,hacindola inefectiva.Adems,la evolucin del CO2 puede causar problemas. 172 Pretratamientosytratamientos primarios Recirculacin Efluente Bomba de Afluente (cido) I --=- ---reciclado __---'==_--' Fig.3.42.Unidadtpica delecho decalizadecirculacinascendente. La disposicin de flujo ascendente es preferible a la contraria, ya que en esas unidades. el CaS04 tiende a ser arrastrado antes de precipitarse sobre la caliza. Adems, los escapes de CO2 generados en la reaccin deneutralizacin, son ms fciles de eliminar en dichas unidades.En lasunidades de flujodescendente teniendo en cuenta queel COl tieneten-dencia a escaparse en la direccin opuesta a la circulacin del lquido. es ms posible que ocurran ciertas condiciones deinundacin adversas.Por estas razones, la mxima carga para los sistemas de flujo descendente se limita a valores aproximados a 2 m3/m2h.Puede hacerse un reciclado del efluente. La fig.3.42 presenta un diagrama para un sistema de flu-jo ascendente, para el cual el movimiento hacia la parte superior de la corriente del lquido seconsiguesinbombeo. La presencia de iones metlicos (AP+, Fe3+) en las aguas residuales reducen la efectivi-dad dellecho de caliza debido aunrecubrimiento dela misma con hidrxidosprecipita-dos.Finalmente, sila dilucin del cido en el agua residual aumenta. se requieren tiempos deretencinmayoresparasuneutralizacin. 5.7.2.Procedimientodediseoparalechosdecaliza A continuacin se considera el procedimiento de laboratorio recomendado por Ecken-felder y Ford [61para la obtencin delosdatos bsicos de diseo.Seutilizaun ejemplo numrico para ilustrar el diseo de una columna de lecho calizo. El modelo de una colum-na,quepuedeutilizarseen ellaboratorio para ver laefectividad delaneutralizacin en lechos de caliza, se recoge en la fig.3.43. Las columnas de laboratorio operan con alturas de lecho calizo que oscilan entre 0,3 y 1,5 m, que es el intervalo de alturas que se maneja en lasinstalacionesaescala operativa.El dimetro delacolumna esaproximadamente de unos15cm, y las cargas expresadas en m3/m2h,son comparables a la utilizadas en ins-talacionesoperativas. Pretratamientosytratamientosprimarios Aguas residuales Fig.3.43.Modelo delaboratorio, decolumna,paracomprobacindeneutralizacinconcaliza. 173 Paso1.Rellenar las columnas de neutralizacin con caliza (despus de lavada y tami-zada) conalturas de 0,3;0,6;0,9;1,2Y 1,5m (5columnas), Paso2,Ajustar lacirculacinascendentedelasaguasresidualescidas.para cada columna.Lascargaspuedenvariar entre2y40m3/m2 .h, Paso 3.Comprobar elpH delefluente de cada columna, para cada carga, hasta que aqul sehaya estabilizado. Paso 4.Despus de cada periodo de funcionamiento reemplazar la caliza utilizada en lascolumnas. :c Q. 11 10 9 8 7 6 5 f'1IIiii , l\ \ -'S , "' ...... ...... "" \ ...... "-" '\ , r\.. , '\ f"\ 1\ , 1'\.\1\. " f"\ \ , 1'\. " l' '2" ',-" r____ _ _______________ J Considerandoseparadamentelasdosecuacionesqumicas: H2C03 ~ HCO;+ H+ HCO;~ C O ~ + W (3.110) (3.111) Para estas dos ecuaciones qumicas.las constantes de equilibrio termodinmicas pueden escribirsecomo: Parala ecuacin (3.110): Para laecuacin (3.111): K_[Coj-][w] 2- [HCO;] (3.112) (3.113) Pretratamientosytratamientosprimarios 181 donde los valores entre corchetes representan concentraciones en moles/litro. A partir de consideraciones termodinmicas, las constantes de equilibrio Ky K2 pueden expresarse en funcin dela temperaturacomo sigue[101: 10gK=-170S2jT-2IS)llogT+0,1267ST+S4S,S6(3.114) lag K2 =- 2902,39jT - 0,02379T + 6,498(3.IIS) dondeT est expresada enK.A25C(298,16k) losvalores delasconstantes deequili-brioson:K=4,313X10-1 Y K2 =4,682X10-11 El pH puede calcularseapartir dela definicin bsica: I PH=l o g ~[H+] (3.116) Sustituyendo en la ecuacin (3.116) [H+]por suvalor obtenido de la ecuacin (3.112) seobtiene: Haciendo lagl/K= pK: [W] =K[H1CO,J [HCO;J I[HCO;J pH=log-- + log ----K,[H1CO,J [HCO;] pH=pK,+ log-- ..-[H1C03J (3.117) (3.118) (3.119) Paraunatemperaturaestablecida(Kfijo)yunpHdeterminado.larelacin [HCO:;]/[H2C03] sepuede calcular a partir dela ecuacin (3.119) para elcaso de aguas residuales enlascuales elefectotampn esdebido alasreacciones delcarbonato. Para muchas aguasresidualescuyo potencial tampn est basado en la reaccin del carbonato, el pH est comprendido entre 6,Sy 8,S. Es importante para calcular el cambio del pH que resulta de la adicin de un cido (o de una base). Este es el problema que se pre-senta cuando un agua residual cida o bsica se descarga en la alcantarilla.Debido a que las aguas residuales domsticas, o aguas negras, contienen una solucin tampn, su pH es mucho menos sensible a la adicin del cido (o de la base) que lo que se podra esperar en una solucinno tamponada.Unacantidad f3denominada intensidad tampnsedefine como el nmero de moles de H+ (u OH-) que se requieren para cambiar el pH de un litro de la solucin en una unidad.La revisin de la curva de neutralizacin tpica (fig.3.47) nos indica que f3es funcin del pH. Realmente, para una determinada adicin de H+ (u OH-) hay un mayor cambio de pH en las cercanas del punto de neutralizacin (pH = 7,0). Por lo tanto,el valor de f3seescribegeneralmenteenformadiferencial: 182 Pretratamientosytratamientosprimarios p =- dA/d(pH)= dB/d(pH) (3.120) donde: P=intensidadtampn dA/d(pH) =moles de cido (moles de H+) que se necesitan para producir un cam-bio de d(pH). El signo negativo indica que el pH disminuye con la adi-cin delcido. dB/d(pH)=moles de base (moles de O H-) que se necesitan para producir un cam-bio de d(pH). El signo positivo indica que el pH aumenta con la adi-cin dela base. Para el caso dela adicin deuncido (o una base)aun agua residual tampn,y te-niendo en cuenta que existe una amortiguacin de los cambios de pH, la ecuacin (3.120) sepuedeescribir utilizando diferenciasfinitasenlugar de diferenciales: p =- LlA/Ll(pH)= LlB/Ll(pH)(3.121) o (3.122) Para elcaso delaadicin deuncido fuerteala solucin tamponada de carbonato, Weber yStumm (15)encontraron quepuedecalcularseapartir de: fJ=2,3.[]+[H'] +[OW] {11([AIc.J- [OW] +[W])([H'] + ~ ~ l +4Kl)} ( 2K2) (3.123) K,1 +---[W] donde: 11=------ (3.124) Enlasecuaciones (3.123)y(3.124): Intensidadtampn:equivalentes/unidad depH. Constantesdeequilibriodefinidasporlasecuaciones(3.112)Y (3.113).Elefectodela temperatura vienedado por lasecuaciones (3.114)y(3.115). concentracin de protones para la solucin tamponada con carbona-to,antesdelaadicindelcido,calculadaapartir delaecuacin (3.116)como: (3.125) Pretratamientosytratamientosprimarios183 concentracin de iones hidroxilo para la solucin tamponada con car-bonato, antes de la adicin del cido. Teniendo en cuenta que para una solucinacuosa: (3.126) tendremos: 10-14 10-14 [ W ] ~ ~[H +]lO-pH (3.127) [Alc1Alcalinidadtotal(equivalentes/litro),quesedefinecomolacapa-cidad de neutralizacin de cido de una muestra de agua a pH =4,3. Normalmente[Alc1seespecificaentrminosdemg/ldeCaC03 Puesto que el peso molecular del CaC03 es 100 Ysu peso equivalente es100/2 =50, [Alc1es: [Alc.] gil deCaCOJ 50 (3.128) El efecto tampn para lasaguas residuales tamponadas con carbonato, puede visuali-zarse calculando el cambio de pH que resulta de la adicin de un agua residual cida a una disolucin no tamponada y comparando ste con el caso de que el agua residual se aade a unagua residual tamponada con carbonato. Estos clculos se ilustran en el ejemplo 3.16. Ejemplo 3.16.U na planta industrial descarga una solucin cida a pH =3,0 en canti-dades de16 m3/h al alcantarillado municipal.Para las aguas residuales domsticas el cau-dal esde160 m3/h, y el pH =8.Tomar una temperatura de 20C para ambas aguas resi-les.La alcalinidaddelaguaresidualdomsticaesde250mg/l enCaCO,. l.Suponiendo quenoexiste efecto tampn,calcular elcambio depH delagua resi-dualdomsticadespusdelaadicindelcido. 2.Suponiendo que el agua residual domstica est tamponada, calcular el cambio de pHdespnsdelaadicindelvertidocido. Solucin.Partel.Clculosinelefectotampn. Para elvertidocido: pH=3. Para elagua residualdomstica: pH =8. [H+1=lO-pH = IO-J moles/litro [H+1=lO-pH =10-8 moles/litro 184Pretratamientosytratamientosprimarios Industria e s i ~ u o s cidos 16mIh,pH .. 3 Aguas residuales Efluentemezclado.. Planta Efluentefinar.., domsticas...r municipal de..--.. 160m3/h"pH=8 pH .. ? depuracin Fig. 3.49.Diagramapara elejemplo3.16. Para elafluentecombinado: [H+1= ,(160)(10-8)+ (16)(10-3)=9.092X10-5moles/litro 160 + 16. Por lotantoelefluentecombinadotieneunpH: II pH=log --- =log -_._-- = 4,04 [H+]9,092x10-5 En consecuencia, elpH descendera de8 a 4,04,o: L1(pH)=8,0- 4,04=3,96unidades Solucin.Parte2.Clculosconsiderando elefectotampn: Pasol. De lasecuaciones (3.114)y(3.115)calcular K,yK2 a20C(293.16K). Ecuacin (3.114): 17052 10gK=- --- 215,2110g293,16+ (0,12675)(293,16)+ 545,56 293,16 10gK=-6,3937,... K=4,039X10-7 Ecuacin (3.115): 2902,39. log K2=- ---- -- (O02379)(29316)+ 6 498 293,16",, 10gKz=- 10,3766, . '. Kz= 4,201XIO- Pretratamientosytratamientosprimarios 185 Paso2. Para la corrientedeaguasresidualesdomsticas,ecuacin (3.125): [H+] =lO-pH =10-8 moles/l Ecuacin (3.127): K10-14 [OH-] =[H:] =10-8 =10-6 moles/l Ecuacin (3.128): [Ale]=0,25/50 = 5x10-3 equivalentes/l Paso3.Calcular a, ecuacin (3.124): 4,039x10-7 O(= = ~ : : : _ _ _ _ _ _ : _ c : _ _ _ _ _ _ ; c _ =09719 (4,039 x10-7) + (l0-8) + (4,039 x107)(4,201x1011)/108' Paso4.Calcular (3,ecuacin (3.123): { { (4,039 x 10-7)(4,201x10-11)} (O,9719)[5xlO-3-1O-6+10-8]10-8+_10-8 +(4)(4,201X10-11) p=2,3[(2)(4,201X10-11)] (4,039 x 10-7)1 +8 10-(3=3,278X10-4 equivalentes/\. Paso5.Expresar (3en equivalentes/d,considerandoun caudal de160 m3/h. (33,278X10-4 equivalentes/l x1000 I/m3 x160m3/h x 24h/d fJ1 258,7equivalentes/d Paso 6.Expresar la adicin de [H+] de la planta inaustrial en equivalentes/d, conside-rando un caudal de16m3/h. [H+l= lO-pH =10-3 moles/l = 10-3 equivalentes/l 10-3 equivalentes/l X1000 I/m3 X16m3/m X24h/d =384 equivalentes/d Paso7.Apartir dela ecuacin (3.122): 186 Pretratamientosytratamientosprimarios f3= .' . L1(pH)= 384equivalentes/d ... L1(pH)=- -------1 258,7equivalentes/d Por lotanto,elpHdelafluentecombinadoser: pH =8,0- 0,305=7,695 - 0,305 Obsrvese que el~ p H ) calculado sin tener encuenta el efecto tampn era de 3,96unida-des, mientras que considerando el efecto tampn esnicamente de 0,305 unidades. La re-lacinentre ambos=3,95/0,305 = 13. PROBLEMAS 1.Enundesarenadordeseccinhorizontalrectangular,laalimentacinesde 2840 ml/da, ylasdimensionesson: Profundidad: Anchura: Longitud: 2,45m 6,10m 15.20m Determinar si las partculas de arena de dimetro O, Imm y peso especfico 2,5 sern arras-tradas.Tomar f= 0,03yf3=0,04. 11.La relacin entre el coeficiente de friccin, en, y elnmero deReynolds, NR(fig. 3.2) estrepresentadapor laecuacin: l.Utilizando esta ecuacin y la ley de Newton [ecuacin (3.3)1 calcular la velocidad desedimentacin,V,(cm/s),conseparacindel100%delaspartculasdearenade dimetro uniforme de 0,2 mm y peso especfico 2,65. La temperatura de operacin es 4C. Tomarlaviscosidadcinemtica delagua(vL =IlL/pdiguala1,57X10-2 cm2/s,yla aceleracin dela gravedadg =981cm/ S2.Sesugiereunclculoiterativo. 2.Calcular elfactor de carga (ml/m2 d),con separacin del100%. 3.Calcular la longitud de un desarenador con una profundidad de 1,5 m y una anchura de1,2mparalasedimentacindel100%deestaspartculas,siendoelcaudalde 27000 ml/da. Pretratamientosytratamientosprimarios 187 4.Verificarsihayarrastredepartculasen estascondiciones.El desarenador est construido dehormign if= 0,03) Y laspartculas dearena pueden ser consideradas de dimetrouniforme.Tomar f3=0,04. 111.Una partcula de arena, de dimetro 0,15 mm y peso especfico 2,65se sedimenta enaguaa4C.Laviscosidadcinemtica(vL =J.LL/pJaestatemperaturaesL57X X10-2 cm2/s. l.En quregin (Stokes,transicin oNewton)ocurrela sedimentacin? 2.Culeslavelocidaddesedimentacin en cm/s? 3.Para una separacin total de estas partculas en un desarenador. calcular el factor de carga mnimo (ml/m2 d). 4.Culseriaelfactordecarga (ml/m2 da),para unaseparacin del75%? IV.Partculas dearena de dimetro 0,05mm ypeso especfico1,65sedimentan en aguaa10C.Laviscosidadcinemtica delagua (vL =J.LL/PL)aesta-temperatura esde 0,0131cm2/s. l.Calcular elnmero deReynolds. 2.Utilizando la relacin apropiada de sedimentacin (Stokes, Newton o transicin), calcular la velocidad desedimentacin en cm/s. 3.Cul eselfactordecarga en ml/m2 da? 4.Comparar el valor de la velocidad de sedimentacin calculado en la parte (2) con el valor obtenidodirectamentedelafig.3.4. V.La velocidad de sedimentacin, Vs,para una partcula esfrica se calcula segn la ley de Newton, ecuacin(3.3). Sin embargo, el valor de Vs no puede ser calculado directa-mente, ya que la determinacin del coeficiente de friccin, CD,segn la fig.3.2, requiere el conocimiento de la abscisa (nmero de Reynolds: NR)que es precisamente una funcin de V,. Esta dificultad puede ser eliminada mediante un criterio (parmetro K), que permita de-terminar en qu regin de sedimentacin (Stokes, transicin o N ewton), la separacin con-siderada tiene lugar.Esto, en el caso de sedimentacin de una partcula de dimetro, peso especficoyviscosidadconocidos. Para encontrar laexpresin delparmetro Kdebenhacerselassiguienteshiptesis: (i)El coeficiente de friccin, CD,se calcula segn la ecuacin (3.5), con los valores de losparmetros by n presentados en elcuadro 3.1para cada una delasregiones de sedi-mentacin. (ii)Los valores lmites del nmero de Reynolds, NR,para la separacin entre estas tres regionesaparecen enlafig.3.2, siendoNR= 2 Y NR=500. l.Mostrar, haciendo las transformacionesalgebricas apropiadas, que el parmetro Kpuede ser calculado directamente para un problema especfico de sedimentacin, segn la expresin: 188 Pretratamientosytratamientosprimarios 2.Mostrar que el criterio para decidir a qu regin de sedimentacin corresponde un problema especfico,puede enunciarse dela manera siguiente: - Si: K.ara..elcaso de aguas.resi-duales, se usar la notacin Cs, para designar la concentracin de oxgen04isuelto en con- If3=Csr/Cs' II (4.1) Teoray prctica dela aireacin en tratamientos de aguas residuales201 puede determinarse experimentalmente para un agua residual determinada. Para la mayo-tia deloscasosest enelintervalo 0,92-0,98. Apresin elefecto dela temperatura y la presencia de slidos disueltos puede estimarse [41 segnlaecuacin: \ (esr)760= (475- 0,00265SD)/(33,5+ 1) \ (4.2) donde (esr)760es la concentracin desaturacin a la presin normal: SDes la concentr(l-ci n deslidos disueltosenmg/I, y T eslatemperatura enoc. El efecto dela presin sobre el valor esen la superficie del agua corriente, puede es-de Renry.Segn sta, la concentracin de oxgeno disuelto en la fase lquida es proporcional a la presin parcial del oxgeno en la fasegaseosa.La presin de aire en la fase gaseosa se obtiene restando de la presin baromtrica P, el valor de la pre-sin de vapor de agua, P', a la temperatura del sistema.La presin parcial de oxgeno es, consecuentemente, el producto de la fraccin molar de oxgeno en el aire (yo=0,21) por la diferencia (P - r), esdecir, 0,21X(P - r).' La relacin de la concentracin de oxgeno disuelto a la presin P (es decir, es), con la correspondiente a presin atmosfrica (C,)?60,viene dada por la ecuacin (4.3).Elfactor y02 = 0,21aparece tanto en el numerador como en el denominador, pudiendo eliminarse. Para aguacorriente:* esp_pv (esh60760- pv (4.3) enla cual P esla presin baromtrica (mm Hg), y resla presin de vapor de agua.Los valoresder serecogenen elcuadro 4.2. Para unaguaresidual,apartir delasecuaciones (4.1)Y (4.3): P- pv e=fJe=R(e) srf'sPs760760 _pv (4.4) en la superficie del agua, y pueden utilizar-sesin correccionesparaelcasodc_aiJ:eacin slIperficiaLPara elcaso deaireacin con El error de despreciar el tnninoP" en el numerador y en el denominador de (4.3) y( 4.4) es pequeo, porlo cual estasecuacionessesuelen escribir: (4.3a) y (4.4a) 202Teoray prctica delaaireacin entratamientos de aguas residuales CUADRO 4.2 Presindevapor deagua[61 TemperaturaTemperaturaP. Ce (OF) mmHg O32.04.579 541.06.543 1050.09.209 1559.012,788 2068.017,535 2577.023.756 3086.031.824 3595.042.175 40104.055,324 burblljeo (p. ej.: difusores y aireadores de turbina, que se considerarn en los apartados 13 y 141esintroducir otras correcciones de presin para tener en cuenta la columna delquidQ.$Qbreel Este aspecto sediscutir enelapartado 8.3. 2.FASESDELPROCESODETRANSFERENCIA DEOXGENO El proceso de transferencia de oxgeno de una fasegaseosa a otra lquida se realiza en dos pasos: Pasol.Saturacindelainterfaselquidaentrelasdosfases.Supongamos queCs (o Cs,) es la concentracin de saturacin de oxgeno para los casos en que la fase lquida es agua corriente (oagua residual). Lavelocidaddetransferencia deoxgenoesmuyrpida,ya quelaresistencia dela pelcula degasesdespreciabley,consecuentemente,esta fasenoeslalimitante. Paso 2.Paso de las molculas de oxgeno delainterfase lquida a la masa delquido. Aqu, e representar la concentracin de oxgeno eneltotal dela masa lquida [e 7 7VI // I A. V'-Faja estrecha 1I 10' CaudaJde aire G,.m' /h unidad (m' a P = 760 mm HgVI = ooe -.+ I I 1 CV"o sea Pd 1,0,seemplea de'masiadapotencia enlamezcladellquido. 14.4.Procedimiento de diseo para sistemas de aireacin por turbina Revisarlainformacinbsicadelospuntos1-5sobreunidadesdedifusin(sec cin13.4). Obtener datos bsicos de funcionamiento de las turbinas, contenidos en infOl macin delconstructor,obien,calculados utilizando losvaloresdelasconstantes de 1 ecuacin (4.52).Puedeutilizarseelprocedimiento siguiente: Paso l. Seleccionar una profundidad del tanque de aireacin H, normalmente entre 4, y 6m.En algunoscasos,puedenemplearseprofundidadesmayores. Paso2.Elrea delaseccin ser: A=V/H Paso 3.Seleccionar una relacin r =D/T, donde Des el dimetro de la turbina y T ( dimetro del tanque. Para tanques de seccin circular, esta relacin es directa: para tal 236Teoray prctica dela aireacin en tratamientos de aguas residuales ques rectangulares, se define el valor T segn la forma del tanque. La definicin de un valor Tpara un tanque rectangular se refleja en la figura 4.17 (Tequivale al dimetro de la zona de influencia del equipo de aireacin, definida como el crculo en el cual prevalecen con-diciones de mezcla total). En la implantacin final se prev una superposicin de los crcu-los correspondientes a las dos zonas de influencia para reducir o eliminar las zonas muer-tas de la disposicin previa (fig.4.17), en la cual no hay mezcla total. Las relaciones tpi-cas D/T son 0,1a 0,2. Paso4.Paratanquesdeseccincircular,calculareldimetrodeltanqueT,T= = (4Ahr) 1/2 ,en donde A es el rea de la seccin, (paso 2). Para tanques rectangulares, tomar una anchura T aproximadamente igual a dos veces la profundidad del tanque. O sea, di-metro deturbina D=TXr. Paso5.Seleccionar elmodelodeturbina deseadoconuncaudalespecficoG,por unidad(m3/h.unidad)[m3 aP=760mmHgyt=OC].Valorestpicosson350a 2500m3N/h. Paso 6. A partir de la figura 4.16 (datos del constructor). determinar el reparto ptmo pt. Paso7.Obtener el valor ec.. (a utilizar en la ecuacin 4.52), para la profundidad me-dia. Segn apartado 13.4, paso 5.Se supone un valor preliminar de f, que ser verificado en elpaso13. Paso 8.Estimacin de la capacidad de oxigenacin para cada unidad (N =kgde ~transferidolh . unidad) a partir de datos del constructor, o bien, calculado segnlaecua-cin (4.52). Paso9.De acuerdo con lasnecesidades deoxgeno (kg 02/h) calculadas en elcap-tulo 5, apartado 7.2.6, y el valor de Ncalculado en el paso 8, determinar el nmero de uni-dades de aireacin necesariaspara transferir eloxgenorequerido, ecuacin(4.42): Nm.deunidades=kgO2 requerido/hiN Debe haber una turbina por cada 85-230 m2. Variando el caudal de aire por unidad. o sea G" seajustanlosclculosdetalformaquesudistribucinseajusteaestosdatos. I II I--T-I Fig. 4.17.Relacin r =DIT para un tanque rec-tangular con dos turbinas (disposicin preliminar). Teoray prctica delaaireacin en tratamientos de aguas residuales237 Paso10.Calcular elcaudaltotal deaire(ecuacin 4.43). Caudal total =G,XNm.de unidades(m3/h) [m3 a P =760 mm Hg y t=OC] Paso 11. calcular la potencia de funcionamiento del compresor como se ha descrito en apartado13.4,paso11. Paso12.Calcular la potencia de la turbina a partir del reparto ptimo establecido en elpaso 6. CV, =(pt)(CVC> Paso 13.Calcular el rendimiento de la oxigenacin segn la ecuacin (4.38), en la cual elnumerador seobtiene en elpaso 8.Calcular el denominador segn la ecuacin (4.45). Comprese este valor det, as calculado, con elvalor preliminar supuesto en elpaso 7.Si estosdosvaloresno coinciden dentro deloslmitesdeuna toleranciapreestablecida (p. ej., del %), entonces serepite la iteracin regresando al paso 7, hasta que se obtenga la convergencia deseada. 15.EQUIPOS DE AIREACiN SUPERFICIAL 15.1Descripcindelaunidad Las unidades de aireacin de superficie se basan nicamente en el arrastre del oxgeno del aire atmosfrico. A diferencia de los aireado res de turbina o de difusin, no hay un flu-jo ocorriente deaireenestos sistemas. Lasmejorasintroducidas enlosaireado ressuperficialeshanpermitido optimizar la capacidad de transferencia de oxgeno, habiendo aumentado su uso en los ltimos aos. Se usanbastanteenplantas delodosactivosy lagunas aireadas. En la figura 4.18 serepresentan lasbases defuncionamiento de los aireadores super-ficiales: se succiona el lquido de la parte inferior de la unidad, siendo luego esparcido hacia elexterior yhaciaarribaporunrotor dentro deuntubovertical. Gran parte de los aireadores de superficie se fijan sobre vigas que se disponen a travs de los tanques de aireacin. Tambin pueden instalarse flotantes, estando soportada toda la unidad por un flotador de fibra de vidrio reforzada, relleno con espuma de plstico, que la haceinsumergible. La transferencia de oxgeno en los aireadores de superficie se consigue por dos mecanis-mos:1)Mecanismo de turbulencia:'transferencia en la superficie turbulenta del lquido, y 2) Mecanismo de dispersin: transferencia a las gotas esparcidas por las palas de la unidad. Debido a la evaporacin de las gotas de agua esparcidas, hay una disipacin considerable 238Teoray prctica dela aireacin entratamientos de aguas residuales ,$ Fig.4.18.Seccinverticaldeunaireador superficial. de calor. El descens de temperatura resultante puede dar lugar a congelaciones, que pue-dendar problemas defuncionamientode los aireadores, sobre todo enlosmesesdein-vierno. Por la razn anterior, en las zonas de climas fros se prefiere el uso de aireado res de burbuja (condifusores oturbina) alde aireadores desuperficie. 15.2.Correlacinentrerendimientodetransferenciayniveldeagitacin Se han desarrollado(1) entre el rendimiento de transferencia (expresado en kgO2 transferido/(CV Xhora), y nivel de agitacin del tanque (en trminos de CV1m3 detanque).Hayaproximadamenteunarelacinlinealentreestosdosparmetrostaly como indica la lnea recta de la figura4.19, quees un ejemplo tpico de esta correlacin para una unidad especfica de aireacin. La correlacin entre el dimetro de influencia y la potencia delaunidad que serepresenta en la figura 4.19, se discute tambin en esta sec-cin.En ordenadas, (RT)'cfc,cnm equivale a loskg de 0" transferidos alagua corriente, en condiciones dereferencia(20C ylatm.conOD cero, aliniciar elexperimento), por (CVXhora). La correccin para obtener el rendimiento de transferencia de oxgeno (RT)ceal' para un aguaresidual encondiciones defuncionamiento.puede obtenerse de la ecuacin (4.36) como: (RT- (T-20PCss - CL) ),eal- (RT),.fIlZOCx1,024x9,2 (4.59) siendo Cs., = PCs ... y en la cual Cs.s se ha corregido por las diferencias con respecto a la pre sinnormal,utilizandola ecuacin (4.27). Teoray prctica delaaireacin entratamientos de aguas residuales239 .r: > U "-c5 O> -"

!-Potencia de launidad.!CV) __::.r----. 1.4 t--t--t--t--t--I:;;i;;----ir----:!r-;-c::1.11----1---1--_/.----1---+---1---+--1---1----;1--20 lB 16E .; 142 " ::l 12" "O 10e Q; 8Ci 6 4 2 o OP30,040.050,060,fJ70,060.090.10 P,(CV/mJ) Fg.4.19.Caractersticas deaireadores desuperficie. La correlacin linealdelafigura4.19viene dada por la rdacin [11: (RT),.=SP,+ (RT)o(4.60)* en la cual (RT),. es la transferencia de oxgeno al agua corriente en condiciones de referen-cia (kg OA CV Xhora): P,es la potencia en CV por m3 de lquido en el tanque: Sesuna constante caracterstica del equipo de aireacin (en la figura 4.19, S corresponde a la pen-diente de la lnea recta): (RT)o es el oxgeno transferido al agua corriente en condiciones de referencia por(CV Xh) con turbulencia nula. En la figura 4.19 (RT)o es la ordenada de la lnearecta en elorigen. Paraunaireador determinado, (RT)o correspondealoxgenotransferidopor (CV Xhora) en condiciones de referencia, en un tanque de volumen infinito.En tal situa-cin, todo el oxgeno transferido lo es a travs del mecanismo de dispersin, ya que la tur-bulenciaesdespreciable,representandoelsubndice Delmecanismodedispersin. *Paraelaireador desuperficie, especficodelafigura4.19,larelacines(RT)"r.= =5,42p,+ 0,939. 240Teoray prctica delaaireacin en tratamientos deaguas residuales El funcionamiento de los aireadores de superficie depende de los siguientes factores:1) Inmersin delrotor:2) Dimetro y velocidad delrotor.Como valores de rendimiento de transferencia (RT).. alse pueden tomar 1 - 2 kg O/(CV Xhora) para la mayor parte de los aireadores de superficie, aunque se indican a veces valores tan altos como 3-3,5. Elrendi-mientodetransferenciapermanecebsicamenteconstanteconunniveldeinmersin ptimo,independientemente deltamaodelaunidad. Comovalorestpicosdepotencia especfica PvenCV1m3 detanqueseconsideran: l.Paraunidades delodo activo convencionales: 0,05< p, < 0,08. 2.Paraunidadesdeaireacin prolongada: 0,027< p, < 0,05.; 3.Para lagunajeaireado:0,001< p,< 0,007. 15.3.Procedimientoparadiseodesistemas de aireacin utilizandounidadesdesuperficie Lainformacinbsicaeslacontenidaenlospuntos1-5paraunidadesdedifusin (13.4).A continuacinhay que obtener lascaracteristicas delaireador,locualincluye: 1)Correlacin entre (RT).. r y P,.2)Correlacin entre potencia especfica y dimetro de influencia para slidos en suspensin (m).Para el diseo especfico del ejemplo4.6 estas doscorrelacionessonlasrecogidasenlafigura4.19. Las profundidades de los tanques de aireacin con unidades de superficie suelen ser in-feriores a las que se dispone con unidades de aireacin de difusin o con turbina, variando entre2,4y3,6m. Lospasospara eldiseoson: Paso1.De acuerdo con la ecuacin (4.59) calcular eltrmino entre parntesis para condicionesdeveranoeinvierno.DarsecuentaquepC"=C".yque[C,e1,."",,,< < [C"l"iemo' de tal forma que (C"- C) es mayor en condiciones invernales. mientras qe T,,,",,, > T.""mo' con lo que el trmino 1.02417-20)es mayoren condiciones de verano. Supon-gamosquelosresultadosdeeste clculoson: (RT)real=K\'cranoX(RT)referencJa(4.61 ) (RT)real=KIn\'iemoX(RT)referencla( 4.62) dondelasKson losvalores deltrmino entreparntesisdelaecuacin (4.59).El valor .menor de Knos dar las condiciones de control (menor transferencia de oxgeno) o lmi-tes. En general, la especificacin del aireador vendr controlada por las condiciones crticas deverano, Kvecano< Kinviemo' Paso 2. Teniendo en cuenta que no se conoce la potencia (abscisa de la figura 4.19) hay queemplear unclculo iterativo para determinar el (RTtr basado enla correlacin de (RTtfconla potencia especfica (CV/m3).osea con elniveldeagitacin. Teoray prctica delaaireacin en tratamientos de aguas residua(es241 l.Suponer unapotencia especfica P"enCV1m3 2.En la figura4.19leer (RT)referenca' 3.Calcular (RT)rea'con la ecuacin (4.61) o (4.62), segn cules sean las condiciones decontrol[normalmenteesla ecuacin (4.61)1.. 4.La potenciarequeridasecalcula para la potencia especfica supuesta .O2 requerido (kg/h) PotencIa =(RTta' [kgO/(CV Xh)] (enCV)(4.63) en la cual el oxgeno requerido se ha calculado previamente segn las necesidades del reac-torbiolgico.(Punto 2 de1 nformacinbsicarequerida ".13.4.) 5.Volveracalcular P,. P,=Potencia [CV,paso 2(4 )l/volumen deltanque siendo elvolumendeltanque deaireacin elclculo deacuerdo conlasexigencias del proceso. (Punto 1 de 13.4 Informacin fundamental requerida.) Si los valores obtenidos se acercan a los previstos, con errores inferiores a15% se consideran adecuados: sino, se rehaceelproceso declculoen formaiterativahasta llegar avaloresprximos. Paso 3. La distancia o separacin entre aireadores se determina de acuerdo con la corre-lacin de la figura4.19.El procedimiento a seguir para definir la implantacin o disposi-cin enplanta deaireado reseselque seexplica enelejemplo 4.6. Ejemplo 4.6