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CASO PRACTICO DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL EMPLEANDO: TRATAMIENTO ANAEROBIO (UASB) TRATAMIENTO AEROBIO (LODOS ACTIVADOS) JULIO CESAR TORRES SALAZAR WAGNER COLMENARES MAYANGA http://www.ingenieriaquimica.org/usuario/wagner JESUS ROBERTO MARCOS _ IBÁÑEZ BARRAZA Este trabajo fue descargado del siguiente sitio: http://www.ingenieriaquimica.org/articulos/diseno-planta-aguas-residuales Para conseguir una copia actualizada de este trabajo, por favor visite esa dirección. El contenido de esta obra es propiedad intelectual de sus autores y se distribuye bajo una Licencia Creative Commons Reconocimiento – Compartir Igual. Ello implica que en la utilización o distribución de la obra usted debe: – reconocer los créditos de la obra, citando a los autores y la fuente en la que se obtuvo originalmente (mencionada arriba) – compartir la obra derivada bajo la misma licencia www.ingenieriaquimica.org 1 Se tiene la localidad XXX, en el Dpto. de San Martín con 88,000 habitantes, con un crecimiento poblacional anual del 1.5%. Un plano de la zona es presentado abajo. Se ha realizado el levantamiento de información considerando los siguientes datos: • A: Zona donde ubican los restaurantes turísticos y hoteles • B: Zona donde se ubica el comercio: los bancos, tiendas y mercados • C: Zona en que se ubican las viviendas residenciales de clase media • D: Zona donde se ubican los asentamientos humanos e industria ligera (30 has) • AE: Zona donde se ubica el aeropuerto. El clima de la región es tropical con lluvias torrenciales en épocas de invierno. El problema de las lluvias provoca inundaciones en la parte baja de la ciudad, lo que ocasiona una elevada incidencia de malaria. Las inundaciones causan daño a la comunidad y a la propiedad privada. El uso del lago es para recreación. Antiguamente existían peces pero estos han ido despareciendo con el tiempo. El abastecimiento de agua para la localidad es realizada partir del río Beta. Actualmente existen varias descargas de las aguas residuales al lago (de las zonas A y B) y del sector comercial, lo cual crea serios problemas de contaminación en el lago con elevadas concentraciones de Coliformes Fecales y Totales y florecimiento de algas. Un resumen de la situación actual se presenta en el siguiente cuadro: Zona Población Área (ha) A 8000 40 B 15000 100 C 15000 80 D 50000 500 Tipo de abastecimiento de agua Conexión domiciliaria Conexión domiciliaria Piletas publicas Conexiones domiciliarias Piletas publicas Saneamiento Cobertura de saneamiento Colectores 90% Colectores 90% Letrinas Tanques sépticos Letrinas 20% 40% 60% En base a la información se pide contestar las siguientes interrogantes: www.ingenieriaquimica.org 2 1. Presentar una estimación del caudal de desagüe proyectada en el horizonte del proyecto (20 años). 2. La caracterización de los colectores de la ciudad han dado los valores medios que se muestran en el Cuadro 1. En su opinión que sustancias podrían causar problemas en una planta de tratamiento. 3. PRE-diseñar una planta de tratamiento basada en dos etapas un tratamiento anaerobio seguido de un tratamiento aerobio. Considerar un diseño de al menos dos etapas 2015 y 2025. Verificar si es posible utilizar lagunas de estabilización y proponer algún sistema anaerobio/aerobio (p.e, UASB + Lodos Activados). Para el tratamiento anaerobio seleccionado, Indicar los valores de: a. Caudal de diseño y principales características de diseño como volumen, altura, área. b. ¿Usted recomendaría el uso del biogás? Dar sus consideraciones si esto es factible o no. c. Carga orgánica de diseño (Kg DBO/día) 4. Indicar posibles ubicaciones para las unidades de una futura planta de tratamiento 5. Una vez establecida la ubicación de la planta, ubicar todas las instalaciones en el plano a una escala apropiada, incluir todos los edificios, salas de maquinas, accesos, jardines, etc. 6. Considerando el tema de reuso, indicar el tipo de reuso que UD daría al efluente tratado?. Si ambas márgenes del río Beta hay desarrollos agrícolas precarios. www.ingenieriaquimica.org 3 NORMAS AMBIENTALES PARA AGUAS RECEPTORAS Las normas peruanas sobre la calidad del agua para las aguas receptoras se indican en la Tabla 2. Estas normas clasifican a las corrientes por su uso en seis categorías:1 I. Abastecimiento de agua sin tratamiento para el consumo doméstico. II. Fuentes de abastecimiento de agua tratada. III. Agua de riego para cultivos alimenticios que generalmente se comen crudos. IV. Aguas usadas para recreación donde hay contacto corporal con el agua. V. Aguas usadas para el cultivo de mariscos. VI.Aguas usadas para la recreación sin contacto corporal y protección general del ambiente. En general las normas peruanas son consistentes con otras normas internacionales. Sin embargo, las normas peruanas no hacen una distinción explícita entre agua marina y agua fresca. Las Clases I, II y III se aplican claramente a aguas frescas. 1 Ley No. 17752, “Ley General de Aguas”, Decretos Supremos No. 26169AP y No. 00783SA www.ingenieriaquimica.org 4 Cuadro 1 Parámetro Bacteriológicos (B) Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales Unidad Ciudad XX NMP/100 ml NMP/100 ml NMP/100 ml Carga Orgánica DBO5 mg/l DQO mg/l Aceites y grasas mg/l Nutrientes (N) Nitrógeno total mg/l Amoniacal mg/l Orgánico mg/l Nitritos mg/l Nitratos mg/l Fósforo total mg/l Metales (M) Arsénico (Ar) mg/l Cadmio (Cd) mg/l Zinc (Zn) mg/l Cobre (Cu mg/l Cromo total (Cr mg/l Hierro (Fe) mg/l Manganeso (Mn) mg/l Mercurio (Hg) mg/l Níquel (Ni) mg/l Plata (Ag) mg/l Plomo (Pb) mg/l Otros Inorgán. (I) Alcalinidad total mg/l Dureza total mg/l Bicarbonatos mg/l Cloruros mg/l Fluoruros mg/l Sulfatos mg/l Sólidos totales mg/l Sólidos suspendidos mg/l Sólidos solubles mg/l Sólidos volátiles mg/l Sólidos sedimentables ml/l•hora Hidrocarburos en agua mg/l www.ingenieriaquimica.org 5.75*107 2.98*107 1.82*107 341 981 77 54.2 43.2 12 0.016 0.38 10.6 0.044 0.018 0.43 0.13 0.84 2.11 0.058 0.0003 0.020 0.033 0.19 286 370 286 199 0.15 254 1460 417 1043 558 8.1 3.6 5 Tabla 2 Resumen de las Normas Peruanas para Aguas Receptoras Parámetros y Otras Necesidades Clase I Clase II Clase III Clase IV Fuentes de Abastecimiento sin Tratar Fuentes de Abastecimiento Tratadas Riego de Cultivos Alimenticios que se comen crudos Agua para recreación de contacto directo Clase V Clase VI Maricultura Recreación General y Protección Ambiental Coliformes fecales, NMP/100 ml (80% de muestras mensuales) 0 4,000 1,000 1,000 200 4,000 Coliformes totales, NMP/100 ml (80% de muestras mensuales) 8.8 20,000 5,000 5,000 1,000 20,000 Oxígeno disuelto, mg/l 3 3 3 3 5 4 DBO, total, mg/l 5 5 15 10 10 10 Cromo (+6) 0.05 0.05 n/a 0.05 0.05 Mercurio 0.002 0.002 1.0 n/a 0.0001 0.0002 Cobre 1.0 1.0 0.01 n/a 0.01 Plomo 0.05 0.05 0.5 n/a 0.01 0.03 Cadmio 0.01 0.01 0.1 n/a 0.0002 0.004 Níquel 0.002 0.002 0.05 n/a 0.002 Cianuro (CN) 0.2 0.2 0.005 0.005 Fenoles 0.0005 0.001 0.001 0.10 Metales, mg/l 96 h LC50 x0.01 96 h LC50 x0.02 Bifenilos Policlorinados (PCB) www.ingenieriaquimica.org 6 Tabla 3 Directrices de calidad microbiológica y parasitológica recomendadas para el uso de aguas residuales en la agricultura (OMS, 1989)1 www.ingenieriaquimica.org 7 UBICACIÓN DE LA PTAR DE LA LOCALIDAD XXX – SAN MARTIN T. P. PT A Agua N 800msnm 815msn m Zona cultivo Esc. 1 km Descarga actual de aguas residuales R Beta Aeropuerto 800msnm 1000msnm 810msnm Zona de cultivo Embarcaderos del Lago D 810msnm Zona con potencial agricola FUTURA PTAR C A Zona de Cultivo Inundable Cota 790msnm B R. Alfa Lago www.ingenieriaquimica.org 8 RESPUESTA DE LAS PREGUNTAS I. CAUDAL DE DESAGUE PROYECTADA EN EL HORIZONTE DEL PROYECTO (20 AÑOS) LOCALIDAD XXX - DPTO. SAN MARTIN Calido<> tropical 1. DATOS Població Tipo de Abast. Zona Descripción Area(Ha) n Agua A Rest. turísticos y 8000 40 C. Dom hoteles B Comercio: bancos, 15000 100 C. Dom tiendas, mercados C viviendas residenciales 15000 80 Piletas de clase media Públicas C, Dom. D Asent. Humanos, 50000 500 Piletas industria ligera Públicas AE Aeropuerto 30 Población 88000 Crecimiento Poblacional 1,50% Saneamiento Colectores Cobertura Dotación coeficiente de Saneamiento l/habxdía escorrentía(Ce) 90% 220 0,9 Colectores 90% 220 0,8 Letrinas tanques sépticos Letrinas 20% 40% 220 0,82 60% 220 0,18 2. CALCULO DE CAUDAL DE AGUA RESIDUAL Se va ha calcular el caudal de agua residual considerando el aporte por crecimimiento poblacional. Concepto Pob. Total(1) Cons. Percapita (L/hab/día)(2) Evacuación per. cápita L/hab/día(3) Criterio calculo Pt=Po(1+r)t (2)*80% Años 0 88000 220 176 www.ingenieriaquimica.org 10 102128 220 176 20 118523 220 176 9 Cobertura(4) población servida(5) caudal promedio( l/s) M Caudal max. diario(l/s) Caudal min diario(l/s) 3.CAUDAL DE LLUVIA Intensidad promedio lluvia( i) mm/año Área de drenaje(Ha) Caudal Zona A(l/s) Caudal Zona B(l/s) Caudal Zona C(l/s) Caudal Zona D(l/s) Caudal zona de crecimiento(l/s) Caudal zona de crecimiento(l/s) Caudal de lluvia(l/s) Caudal promedio total l/s Caudal Máximo diario total l/s Caudal Mínimo diario total l/s año0=∑ pobzona∗cob/Pob23,52% .Total 1*4 M=1+14/(4+P1/2) Qmxh=M*Qprom. Qminh=Qprom/M 20700 42 2,64 111 16 50% 51064 104 2,26 235 46 95% 112597 229 1,96 448 117 795,35 882,79 2460 Q=167*Ce*i*A 720 28 63 51 70 48 91 133 202 107 260 364 495 306 104 364 593 812 481 No se ha considerado el aporte de agua de lluvia, en el calculo de las unidades de tratamiento, con la finalidad de no sobredimensionarlas. Se ha considerado solamente los aportes del agua de uso domestico www.ingenieriaquimica.org 10 II. SUSTANCIAS QUE PODRÍAN CAUSAR PROBLEMAS EN UNA PLANTA DE TRATAMIENTO La concentración umbral del plomo de efecto inhibitorio en organismos heterotróficos es de 0.1 mg/l y el reportado al caracterizar el agua residual es de 0.19 mg/l, por lo tanto esta sustancia ó elemento pueden causar problemas en la planta de tratamiento. Aceite y grasas 77mg/l y los Hidrocarburos 3.6 mg/l no afectan al proceso aeróbico o anaerobio de tratamiento. Todos los demás elementos están por debajo del valor umbral que inhib III. DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL (ANAEROBIO- AEROBIO) TRATAMIENTO ANAEROBIO (UASB) DATOS Qp(m3/h) Qmax(m3/h) Qmin(m3/h) DBO5(Kg/m3) DQO(Kg/m3) Y (Kg SST/Kg DQO apl.) Yobs (Kg DQO Lodo/Kg DQO apl.) P (Atm) K (gr DQO/mol R (Atm*L/mol*ºk) Año 0 Año 10 Año 20 151,2 399,6 57,6 0,341 0,981 0,18 0,11 - 0,23 1 64 0,08206 374,4 846 165,6 824,4 1612,8 421,2 CONSIDERANDO Temp. Aire del mes más frío Temp. agua del mes más frío temp. retención hidráulica altura zona sedimentación Veloc. ascensional(lodo floculento, desagüe domestico) Area de influencia de cada distribuidor CALCULOS Dimensionamiento del reactor Volumen de reactor (m3) altura del manto de lodos(m) altura de reactor(m) altura de fondo(m) altura borde libre(m) TRH Hse Vo Ad Vr=Qp*TRHmi n Hs=Vo*TRH H=Hs+Hse Hf Hbl °C °C horas m m/h 18 23,35 7 fuente: Lettinga 1,2 0,7 fuente: Lettinga Ingreso/ m2 3 10 años 20 años m3 2620,8 5770,8 m m m m 4,9 6,1 0,4 0,3 www.ingenieriaquimica.org 11 Nº módulos(Por facilidades constructivas y operacionales los volúmenes no pasen de 1500m3 Volumen de cada modulo Considerando 1000 m3. Área de cada modulo A=Vr/Hs Adoptar reactores a rectangulares 3 6 m3 1000 1000 m2 m 204 11,66 Consider amos 12 m 17,49 Consider amos 18 m L=1.5a Verificando: Área de cada modulo Área total Volumen TRH Cargas Orgánica Volumétrica Cargas Hidráulica Volumétrica Velocidades superficiales: Para Qp para Qmax Au=L*a A=Nº módulos*Au m2 m3 horas KgDQO/m3 COV=Qp*So/V *d Año 10 Año 20 216 648 1296 3175, 2 6350,4 8,48 7,70 CHV=Q/V m3/m3*d 2,83 3,06 ( 3.5 m3/m3.dia) (2.5 -3.5KgDQO 3,12 /m3*día) v=Qp/A v=Qmax/A m/h m/h 0,58 1,31 0,64 (0.5 - 0.7 m/h) 1,24 (0.9 - 1.1 m/h) Und. m m2 12,00 1,50 2,25 Und. Und. Und. Und. 96,0 12 8,00 96 Area de influencia de cada punto de distribución N° ingresos de afluente a lo largo de cada reactor a lo ancho de cada reactor Nº puntos distribución - reactor Eficiencia Eficiencia de remoción de DQO para 20 - 25ºC. Eficiencia de remoción de DBO para 20 - 25ºC. DBO5final(Kg/m3) m2 V=A*Hs TRH=V/Q Distribución de afluente Puntos de distribución DQOfinal(Kg/m3) m asumiendo L Ad=(L/puntos de distribución)2 N°=A/Ad (18m) (12m) 2,78 EDQO=100*(1-0,68*TRH0,35 ) EDBO=100*(1-0,70*TRH0,50 ) DQOf=DQOo(E*DQOo)/100 DBOf=DBOo(E*DBOo)/100 www.ingenieriaquimica.org (2 - 3 m2) 67,82 66,72 75,96 74,78 0,316 0,326 0,082 0,086 12 Producción de metano. DQO Convertida en metano DQOCH4=Q(SoS)-Yobs*Q*So K(t)=P*K/R(273+T ) Producción volumétrica de QCH4=DQOCH4/ metano K(t) Producción de biogás Q biogás=QCH4/0,7 5 Dimensionamiento de colectores de gases: Dimensionamiento de colectores de gases: Numero colectores de 7 por cada reactor gases Longitud de cada colector a lo ancho del reactor Longitud total de colector de gases Ancho de cada colector de adoptado gas Área total colectores de Ag gases Verificación tasa de Vg=Q biogás/Ag liberación biogás Dimensionamiento aberturas de decantadores Adoptando 6 separadores trifásicos N°de aberturas simples por reactor N°de aberturas dobles por reactor N° equivalente de aberturas simples largo de cada abertura Largo equivalente de aberturas simples Ancho de cada abertura adoptada Area total de aberturas Verificación velocidades en aberturas: Para Qp Para Qmax Aberturas simples largo=12m Aberturas dobles largo=12m KgDQO/d Kg DQO/m3 m3 CH4/d m3/d Año 10 Año 20 4127,32 8874,2 0 2,63 1568,28 2091,04 3371,9 9 4495,9 8 N° 21,00 42,00 m 12,00 12,00 m 252,00 504,00 m 0,25 0,25 m2 63,00 126,00 m3/m2*h 1,38 1,49 mínima: 1.0 m3/m2*h Año 10 Año 20 2 5 6,00 15,00 36,00 12,00 30,00 72,00 m 12,00 432,00 12,00 864,00 m m2 0,45 194,40 0,45 388,80 m/h 1,87 m/h 2,55 1,53 (2.0 - 2.3 m/h) 2,09 (4.0 - 4.2 m/h) ancho=0.45 m ancho=0.90 m www.ingenieriaquimica.org 13 Dimensionamiento: compartimiento de decantador N° de compartimientos decantador por decantador ancho de cada decantador a lo ancho del reactor ancho total total ancho de cada colector de gas (0.25+0.05) ancho cada compartimiento decantador ancho util de cada decantador Area total de decantador verificando tasas aplicación superficial: para Qp para Qmax Año 10 Año 20 6 18,00 36,00 m 12,00 12,00 m m m 216,00 0,30 3,00 432,00 0,30 3,00 m m2 2,70 583,20 Vd m/h 0,64 Vd m/h 1,45 Evaluación de la producción de lodo Producción de lodo P Kg SST/día lodo=Y*DQOapli Volumen de lodo Vlodo=Plodo/d*C m3/día 1166,4 0 0,71 (0.6 - 0.8 m/h) 1,38 (<1.2 m/h) Año 10 1586,68 Año 20 3493,74 38,89 85,63 a.- Caudal de Diseño : Caudal Año 0 Año 10 Año 20 Qprom (lps) Qmax (lps) Qmin (lps) 42 111 16 104 235 46 229 448 117 b.- Uso de Bio_Gas: La producción de bogas (Metano), al año 10 es de 2091 m3/dia y al año 20 de 4496 m3/dia, el cual se puede usar para la generación de energía electrica de uso en la misma planta y de uso en la comunidad. Es posible además su uso en el secado térmico de los lodos, quitándole su agresividad bacteriológica y parasitaria. c.- Carga Organica de Diseño: Carga organica DBO(kg/dia) DQO(kg/dia) Año 10 3064 8815 Año 20 6747 19410 TRATAMIENTO AEROBIO (LODOS ACTIVADOS) www.ingenieriaquimica.org 14 I.- Información General Nombre Ubicación Area disponible Cota topográfica Temperatura Máxima Temperatura mínima agua Método de tratamiento del afluente Año meta de diseño San Martín 800 23 Lodo activado Convencional Año 10 Año 20 II.- Características del Afluente y calidad del Efluente Esperado Año 10 Caudales l/s m3/h Promedio 104 374 Caudal Maximo diario 235 846 Caudal Minimo diario 46 166 m3/dia 8986 20304 3974 Año 20 Promedio Caudal Maximo diario Caudal Minimo diario 19786 38707 36374 229 448 117 824 1613 421 Afluente Efluente mgr/l Kgr/m3 Kgr/día mgr/l Kgr/m3 86 0.086 772.80 15 0.015 326 0.326 2929.44 Parametro DBO5 DQO Remoción % 82.56 SS= f´´b (relación SSb/SSV) fracción biodegradable = 0.8 www.ingenieriaquimica.org 15 III. PARAMETROS Y COEFICIENTES Parametros cineticos: Sintesis(Y) 0,5<Y<0,73(A/R domestico) Decaimiento endogeno(0,04<Kd<0,075) Kd (23ºc) K20=1.020 Corrección de temperatura(θ) Relación(O2/SSb) mgSSV/mgDBO 0.65 d1 0.05 (20ºC) Kd(23)=K20*θ ^t20 d1 grO2/gr SSVbiodegradables 0.0530604 1.07 1.42 Kd(23ºC) Relación(DBOu/DBO5) 1.46 Relación entre sólidos:Desague crudo: SSb/SSV SSV/SS Solidos biologicos que seran generados: SSb/SS SSV/SS Carga de DBO 5 removida en la etapa biologica (Sr) Kg/Hora 10 años Carga de DBO 5 removida en la etapa biologica (Sr) Kg/Hora 20 años Coeficientes relativos a la aereación Θ(para corrección de Kla, por temp.) Masa especifica del aire fracción de O2en el aire( por peso) 0.6 0.8 0.8 0.9 Qmedio*(DBO Total -DBO salida) 638.006 Qmedio*(DBO Total -DBO salida) 1404.806 a 20ºC y a 0 msnmm 1.024 1.2 Kgr/m3 grO2/gr aire www.ingenieriaquimica.org JJJHJ 16 Parametros de Proyecto A) REACTOR. totalmente aerobio sin zonas anoxicas ó anaerobias θc SSVTA B) SISTEMA DE AEREACIÓN ODmin(con Qmax)(Cl) ODmax(con Qmin)(Cl) Aeración mecanica(baja rotación) CALCULOS 1. Volumen de Reactor para 10 años Fracción Biodegradable fb fb=f´b/(1+ (1fb´)kd*θc 0.75211121 Volumen del Reactor (m3) V= Y * θc *Sr / Xv* (1+fb*Kd*θc) 669.177346 asumiendo una altura 4 IV.SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL días Kv (mgr/lt) mgr/lt mgr/lt Kgr O2/Kw h Altura ( m) 6 3000 1 2 1.8 Area (m2) m2 167.294336 Ancho (m) A=(Area/2)^0.5 9.14588258 Largo (m) L=2A PRH 20 2.13903743 Nota:Ancho (m)= A=(Area/2)^0.5=9.14588258=Tomando 10 m PRH=2.13903743=(*) TRH bajo ya que la demanda de DBO5 es muy baja 86 mg/l 1.- Volumen de Reactor para 20 años Volumen del Reactor (m3) Altura( m) Area (m2) Considerando Ancho Largo PRH V= Y * θc *Sr / Xv* (1+fb*Kd*θc) 1473.44124 4 368.360309 184.180155 10 20 1.78815684 2 unidades A L PRH=V/Q Nota:Considerando=2 unidades=184.180155=asumimos 200 m2 PRH=PRH=V/Q=1.78815684=(*) TRH bajo ya que la demanda de DBO5 es muy baja 86 mg/l www.ingenieriaquimica.org 17 2.- Demanda de Oxigeno por el Reactor a´=(DBOu / DBO5)-(DBOu/Xb)*Y=1.46-1.42*Y = 0.537 = Kg O2/KgDBO5 b´=(DBOu-Xb)*fb*Kd = 0.0566684 = Kg O2/CGSB Demanda para Sintesis Demanda de Oxigeno Para respiración Endogena Demanda Total (Qpromedio) Romedio Demanda de Oxigeno Total (QMax) a´*Sr 754 KgO2/Dia b´*Xv*V xxxxxxxxxxxxxx (Qmax / Qpromedio)*ROmedio 272 KgO2/Dia 1026 KgO2/Dia 2008 KgO2/Dia 3 Dimensionamiento de los Aereadores Superficiales Csw(agua limpia, 20ºC) 9.02 Saturación de la concentración de O2 en aguas residuales / Saturacion de la concentración de O2 en el agua pura α β No CL Cst T ºC PA(800nmm) p a (23ºC) Csw C´sw C´sw=Csw(PA-p/760-p) Tasa de Tranferencia del Oxigeno por el Aereador en el N=No[α(β*C´swCampo CL)/Cst)*1.024^(T-20)] 0.85 0.9 1.8 2 9.17 23 721.6 21 8.7 8.24792963 Kg O/KWH mg/l mg/l ºC mmhg mmhg mg/l mg/l 0.97156646 Kg O/KWH 23.3175951 Kg O/Kwdia Potencia Total de los Arreadores = 86.1112304 = Kh = verificar en catalogos Según la Distribucion se necesita 2 Aereadores Verticales por cada unidad 100Kw/4 www.ingenieriaquimica.org 18