1.5: Tratamiento primario
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Resultados de aprendizaje
- Describir diferentes métodos para medir el flujo de aguas residuales
- Examinar el propósito del tratamiento primario
- Comparar y contrastar el tratamiento primario convencional con el tratamiento primario mejorado químicamente
- Evaluar cómo la gravedad específica y la densidad se relacionan con la remoción de sólidos capaces de sedimentar
Medición de flujo
Después del tratamiento preliminar, y se eliminan todos los desechos grandes y sólidos inorgánicos, es vital medir la cantidad de aguas residuales que fluyen hacia la instalación de tratamiento. Este caudal será un número importante para el control de procesos. Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales tienen un patrón de flujo diurno típico ya que el flujo hacia la planta de tratamiento de aguas residuales no es constante. En un periodo de 24 horas, el flujo puede fluctuar significativamente. Por lo general, hay dos picos durante el día, típicamente a última hora de la mañana y por la noche. Por la mañana, la población a la que atiende la instalación de tratamiento se está despertando, tomando duchas, haciendo café, cocinando el desayuno y usando el baño. El flujo tiende a disminuir al final de la tarde y luego vuelve a aumentar por la noche. Por la noche, la mayoría de la población está cocinando la cena, lavando platos, lavando la ropa y tomando duchas. En medio de la noche, la mayoría de la gente duerme y no envía agua por el desagüe.
Hay varias formas en las que se puede medir el flujo. Una forma sencilla de medir el flujo es mediante el uso de un vertedero. Los vertederos pueden ser cuadrados o con muescas en V, pero el principio detrás de ellos es el mismo. A medida que el flujo de aguas residuales viaja a través de un canal, el vertedero se coloca en su camino. Luego, las aguas residuales se ven obligadas a moverse sobre la cresta del vertedero. Según la dimensión de la sección cuadrada o con muescas en V en el vertedero, el flujo puede ser determinado por la altura de las aguas residuales sobre la cresta del vertedero. Si hay una cantidad significativa de flujo, entonces la altura de las aguas residuales también será grande. Cuando el flujo disminuye, la altura de las aguas residuales sobre el vertedero se verá disminuida.
Un canal Parshall es otra forma de determinar el caudal que entra o sale de la instalación de tratamiento. Funciona de manera similar a un vertedero en que el agua es forzada a través de una restricción en el canal y la altura del agua antes y después de la restricción se usa para calcular un caudal. Todos los Flumes Parshall tienen una forma similar. Hay una sección convergente, una sección de garganta y una sección divergente. La sección convergente es donde se canaliza el flujo y se fuerza a través de una sección estrecha. La sección de garganta es donde el flujo de aguas residuales se restringe al viajar a través de un canal más delgado. Esta restricción aumentará la velocidad del agua residual a medida que pasa por la sección de garganta y hará que el nivel suba en la sección convergente. Al igual que en un vertedero, los caudales más altos harán que el nivel de aguas residuales aumente y los caudales más bajos mostrarán una disminución en el nivel de aguas residuales. Muchas plantas de tratamiento tienen marcas en la sección convergente para indicar el nivel de aguas residuales. Las modernas plantas de tratamiento contarán con transmisores ultrasónicos de nivel que registrarán el nivel con precisión. Estos datos se pueden transferir automáticamente a un sistema informático donde el caudal se calcula y registra instantáneamente. Un beneficio de usar el canal Parshall en lugar de un vertedero es que la restricción en el canal no causará que ningún sólido se asiente. En un vertedero, a medida que el agua se acumula detrás de ella, la velocidad se reduce y los sólidos pueden asentarse. Esos sólidos tendrán que ser removidos periódicamente o los olores pueden llegar a ser problemáticos.
El método más moderno para monitorear el flujo a lo largo de una instalación de tratamiento es un medidor de flujo magnético, o “medidor magnético” para abreviar. Los medidores MAG funcionan teniendo el flujo de aguas residuales a través de una tubería. El medidor mag se conecta a la tubería ya sea mediante flejado del dispositivo al exterior de la tubería o de manera más permanente, atornillándolo entre dos secciones de tubería. El dispositivo crea un campo magnético dentro de la tubería y a medida que el agua se mueve a través, crea una perturbación que es medida por el medidor. Los caudales más altos causan más perturbación. El medidor puede medir con mucha precisión el flujo de aguas residuales que se mueven a través de la tubería. El beneficio de los medidores magnéticos es que no hay partes móviles dentro de la tubería. Por lo tanto, las aguas residuales influentes con muchos sólidos y orgánicos no interferirán con la medición del flujo. Los medidores Mag también son muy confiables y requieren poco mantenimiento.
Algunas instalaciones de tratamiento pueden tener ecualización de flujo. Recordemos que las aguas residuales entrantes tienen un caudal inconsistente que fluctúa drásticamente a lo largo de un periodo de 24 horas. Este cambio en el flujo también dará como resultado cambios en los tiempos de detención de los que dependen muchos de los procesos de tratamiento. Una planta de tratamiento que utiliza ecualización de flujo intentará igualar el flujo para que sea consistente en toda la planta de tratamiento todo el tiempo. Al observar los datos históricos, los operadores de la planta tendrán una buena idea de cuál es el caudal promedio para la planta. Este caudal promedio es el objetivo de la igualación de flujo. Cuando el agua residual entrante es mayor que el flujo promedio, la cantidad sobrante se dirigirá hacia una cuenca de contención. Cuando el flujo es menor que el promedio, normalmente en mitad de la noche, las aguas residuales se bombean desde el tanque de retención a la instalación de tratamiento. Esto también puede reducir el costo de energía ya que se reducirá el bombeo diurno. Los costos de energía suelen ser más altos durante los períodos pico. Algunas instalaciones de tratamiento tienen ecualización de flujo al final del proceso de tratamiento. Pueden tener restricciones en su permiso de descarga que pueden limitar el caudal que sale de la instalación. Otras plantas de tratamiento no tienen ninguna igualación de flujo.
Sedimentación
Después de medir el caudal entrante, el siguiente paso en el proceso de tratamiento es la sedimentación primaria. El objetivo principal de la sedimentación es eliminar los sólidos sedimentables. Un tanque de sedimentación primaria bien operado puede eliminar alrededor del 90% - 95% de los sólidos sedimentables. También habrá una reducción en el total de sólidos suspendidos y una ligera reducción en DBO5. Recordemos que los sólidos sedimentables son los sólidos grandes en las aguas residuales y son medidos por un cono Imhoff en el laboratorio. El proceso de sedimentación funciona porque estos sólidos son más pesados, en relación con las aguas residuales, y por lo tanto, se asentarán en el fondo del tanque. Estos tanques se conocen como Clarificadores Primarios o Cuencas de Sedimentación Primaria. Un clarificador es un tanque o cuenca donde ocurrirá el proceso de sedimentación. La velocidad a la que se asentarán los sólidos está determinada por la Ley Stokes, que toma en cuenta el tamaño de la partícula sólida, la gravedad específica de la partícula y la gravedad específica del líquido. La gravedad específica es un número sin unidad y es una medida de densidad relativa a un líquido de referencia. Para este libro al hablar de gravedad específica, asumiremos que el agua es el líquido de referencia y tiene una gravedad específica de 1. Al determinar qué tan rápido se asentarán los sólidos en el tanque de sedimentación, la gravedad específica de los sólidos será un factor significativo. Si los sólidos tienen una gravedad específica menor a 1, no se asentarán en absoluto, de hecho, flotarán en el agua. Si la gravedad específica es solo ligeramente mayor que uno, los sólidos se asentarán pero a una velocidad mucho más lenta que otra partícula con una gravedad específica mayor. Esto es bastante intuitivo. Claramente, cuanto más pesados sean los sólidos, más rápido se asentarán.
Otro fenómeno que ocurre en el proceso de sedimentación es que a medida que los sólidos se acumulan en el fondo del tanque, el peso de los sólidos comienza a compactarse y comprimirse. Esto hace que los sólidos se espesen y tengan un contenido de agua ligeramente menor. El tiempo de detención, o el tiempo que las aguas residuales tardan en viajar a través del tanque, es un parámetro crítico de diseño de los tanques de sedimentación primaria. Se necesita tiempo suficiente para permitir que los sólidos se asienten pero no tanto tiempo para que los sólidos comiencen a descomponerse. La descomposición hará que se formen burbujas de gas que pueden dificultar la sedimentación de los sólidos y crear malos olores.
Los tanques de sedimentación primaria pueden ser circulares o rectangulares. Independientemente de la configuración, los tanques tendrán componentes similares. En la estructura de entrada donde las aguas residuales ingresan al tanque, la velocidad suele ser alta para evitar que los sólidos se depositen en la red de tuberías ya que las aguas residuales provienen del proceso unitario preliminar al tanque primario. Una vez en el tanque primario, la velocidad debe ser ralentizada. Para lograr esto habrá algún tipo de difusor en el extremo de entrada que redireccionará el flujo y evitará cortocircuitos. Las dimensiones del tanque de sedimentación primario deben ser capaces de acomodar el flujo de aguas residuales pero también deben reducir la velocidad.
Flotación
Como se discutió anteriormente, la gravedad específica del material en las aguas residuales determinará cómo interactúa con las aguas residuales en el tanque de sedimentación. Además de la sedimentación de sólidos, los tanques primarios también eliminarán los flotadores. Por lo general, estos flotadores se clasifican como grasas, aceites y grasas (FOG). La gravedad específica de estos materiales es menor a 1 por lo que subirán a la parte superior del tanque de sedimentación y serán retirados. Un tanque primario rectangular tendrá vuelos que abarcan el ancho del tanque. Están conectados por una cadena que es accionada por motor para moverse lentamente con el flujo de aguas residuales. Los vuelos proporcionan varias funciones. Evitan cortocircuitos de material en la superficie, transportan el FOG en la superficie a un canal de recolección al final del tanque, y transportan los sólidos sedimentados a una tolva al inicio del tanque. Los tanques circulares tienen un mecanismo similar llamado brazo oscilante que proporciona las mismas funciones.
Eliminación de Lodos
Una vez que los sólidos se han asentado al fondo del tanque, se transportan a una tolva en el tanque. Los tanques circulares suelen estar cónicos en la parte inferior, por lo que los sólidos se acumulan en el centro. Los tanques rectangulares tienen una tolva en la parte delantera del tanque y los vuelos transportan los sólidos allí. Los sólidos deben ser retirados del tanque periódicamente para que no causen condiciones adversas. Hay materia orgánica en los sólidos y si comienza a descomponerse, creará malos olores y burbujas de gas que impedirán que otros sólidos se asienten. Normalmente, las aguas residuales entrantes son alrededor de 1% de sólidos. Debido al proceso de sedimentación, la concentración de porcentaje de sólidos aumenta a alrededor de 4% a 8%. Debido a las altas cantidades de sólidos, no se puede usar una bomba estándar. En cambio, se usan comúnmente bombas especiales que incluyen una bomba de tipo cavidad progresiva o una bomba de estador/rotor.
La bomba estator/rotor tiene una parte estacionaria, el estator y un elemento giratorio, el rotor. Ambos tienen forma de sacacorchos y el rotor se mueve dentro del estator. A medida que gira, está pasando la mezcla de sólidos y agua progresivamente a través de la bomba. Estas bombas están diseñadas para poder manejar la naturaleza abrasiva de los sólidos y no obstruirse. Los sólidos se envían a un digestor anaeróbico donde se tratan y estabilizan posteriormente. Eventualmente, serán deshidratados y enviados a un relleno sanitario para su eliminación.
Adición Química
Para mejorar aún más el proceso de sedimentación, se pueden agregar productos químicos. Estos químicos se adherirán a los sólidos y aumentarán su gravedad específica. Con una mayor gravedad específica, los sólidos se asentarán más rápidamente. Esto se puede hacer para aumentar las cantidades de sólidos y BOD5 o se puede utilizar para lograr resultados promedio en una huella más pequeña. Este proceso se conoce como tratamiento primario químicamente mejorado (CEPT). Por lo general, se utiliza cloruro ferroso o férrico como auxiliar químico. También se pueden usar otros productos químicos tales como polímeros. Los polímeros hacen que los sólidos se agrupen, lo que posteriormente resulta en una sedimentación más rápida en el tanque de sedimentación.
Este proceso ya no se usa con tanta frecuencia debido a los crecientes requisitos regulatorios. Al principio de la industria de aguas residuales, una planta de tratamiento podría haber eliminado suficientes sólidos y DBO5 usando el proceso CEPT. Pero a medida que las regulaciones se volvieron más estrictas, muchas utilidades se actualizaron a sistemas de tratamiento secundario. Este proceso de tratamiento biológico secundario depende de la DBO5. Si se elimina demasiado en el proceso primario, afectará negativamente el tratamiento.