TRATAMIENTO DE EFLUENTES (Sección D)
� TEMA 10 PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS PRIMARIOS
Cátedra Ingeniería Sanitaria – DICProf. Asoc. Dr. Ing.Horacio CampañaCurso 2012
Tratamiento de Aguas Residuales
Es el tratamiento de la porción “sólida” (generalmente, más de 80% agua) removida del agua contaminada. La finalidad del proceso es de secarlo y tratarlo para reducir los patógenos.
Tratamiento de barros
Es el tratamiento adicional para remover patógenos.Desinfección
Tratamiento para cuerpos de agua receptores sensitivos o ciertos tipos de re-uso. Normalmente se trata de remover nutrientes (nitrógeno y fósforo) del agua.
Tratamiento Terciario
La finalidad de este es remover material orgánico en suspensión y disuelto, utilizando procesos biológicos. Dos grandes grupos son: aeróbicos (en presencia de aire) y anaeróbicos (en ausencia de aire).
Tratamiento Secundario
La finalidad de este es remover sólidos suspendidos removibles por medio de sedimentación, filtración, flotación y precipitación.
Tratamiento Primario
Unidades iniciales para eliminar materiales gruesos. Las principales unidades son las rejas y el desarenador.
Tratamiento Preliminar o
Pre-Tratamiento
DescripciónClasificación
Formas de homogeneización
• Homogeneización del flujo
• Homogeneización de la contaminación
• Homogeneización del flujo y la
contaminación
La operación puede llevarse a cabo
– En línea
– En derivación
Homogeneización
Permite minimizar o controlar las fluctuaciones en el caudal y características de las aguas residuales
Proporciona:� Absorción de las fluctuaciones, evitando sobrecargas
� Favorece el control de pH� Proporciona flujo continuo en sistemas biológicos
� Permite descargas controladas� Previene elevadas concentraciones de metales
Consideraciones de diseño
• Construcción (materiales, geometría,
limpieza,...)
• Necesidades de mezclado y aeración
– 4-20 W/m3 (para SS = 200 mg/L)
– Aire 10-15 L/min m3
• Sistemas de bombeo y control
Métodos de mezcla
• Distribución del flujo de entrada y placas
deflectoras
• Agitación con turbinas
• Aeración mecánica
• Agitación con difusores
Homogeneización del flujo
A partir de los datos de caudal frente a tiempo se
determina:
- Caudal medio
- Volumen acumulado
- Volumen homogeneizado (Qmedio x tiempo)
- Diferencia Vacum – Vhomg
-Valor máximo = Mínimo volumen homogeneización
- Introducir un factor de seguridad
• El tipo de sedimentación depende de:
– Concentración de la suspensión
– Características de las partículas
• Tipos
– Sedimentación de partículas discretas (I)
– Sedimentación floculenta(II)
– Sedimentación retardada (III)
– Compresión(IV)
• Sedimentación: separación de partículas de mayor
densidad que el agua.
• Tipos de sustancias que pueden sedimentar:
– Partículas discretas (sedimentación tipo I)
– Partículas floculentas (sedimentación tipo II)
• Sedimentación tipo I: las partículas sedimentan
individualmente sin que se produzca agregación.
• Se utiliza como proceso para eliminar sólidos suspendidos
• Existen tres tipos de sedimentación (dependiendo del tamaño de partículas)
• Tipo I – sedimentación discreta
Sigue la ley de Stoke
• Tipo II – sedimentación floculada (difusa)
Las partículas son coloidales , aumentan tamaño y decantan más rápido
• Tipo III – sedimentación en bloque (piston)
Las partículas asociadas (conglomerados) decantan en masa
• Fuerzas que intervienen en la sedimentación:
– Gravedad (FM)= (ρs-ρl)·g
– Resistencia debida a viscosidad e inercia
(F t) = C · ρl · v /2
– En condiciones de flujo laminar las partículas
sedimentan siguiendo la ley de Stokes:
2
180 )··( dV ls
g ρρµ −=
Sedimentación de partículas discretas
ρ
ρρ
D
pp
C
Dgv
3
)(4 −=
Para Re < 1 µ
ρρ
18
)( −=
ppgDv
Resuspensión: se produce cuando la velocidad del fluido > vc
f
gDv
pp
c
)1(8 −=
ρββ= cte, 0,04 (arena) y 0,06 (material pegajoso)
f =factor Weisbach-D´Arcy 0,03 (hormigón)
SISTEMAS DISPERSOSSISTEMAS DISPERSOS
COLOIDESCOLOIDESPartPartíículas grandes (1culas grandes (1--10nm a 110nm a 1--10 10 µµµµµµµµm)m)Interacciones atractivas fuertesInteracciones atractivas fuertes
De acuerdo a la afinidad entre la fase dispersante y la fase De acuerdo a la afinidad entre la fase dispersante y la fase dispersa dispersa (generalmente H(generalmente H22O) se clasifican en:O) se clasifican en:
LILIÓÓFOBOS/HIDRFOBOS/HIDRÓÓFOBOS: TermodinFOBOS: Termodináámicamente micamente inestablesinestables
LILIÓÓFILOS/HIDRFILOS/HIDRÓÓFILOS: TermodinFILOS: Termodináámicamente establemicamente estable
Fase dispersanteFase dispersa
ESTABILIDAD DE COLOIDES LIESTABILIDAD DE COLOIDES LIÓÓFOBOS/HIDRFOBOS/HIDRÓÓFOBOS FOBOS (1)(1)
EMULSIONEMULSION SUSPENSIONSUSPENSION
RelaciRelacióón Superficie/volumen grande ( A/V) Tendencia n Superficie/volumen grande ( A/V) Tendencia de las partde las partíículas a asociarse para reducir su culas a asociarse para reducir su áárea rea
superficial (G = A superficial (G = A γγγγγγγγ))
Flotación o
creamingSedimentación,
floculación, coalescencia
Espontáneo Estabilización
por formulación
ESTABILIDAD DE COLOIDES LIOFOBOS (2)ESTABILIDAD DE COLOIDES LIOFOBOS (2)
Movimiento de encuentros Movimiento de encuentros creamingcreaming oopartpartíículas culas
sedimentacisedimentacióónnVelocidad de Velocidad de creamingcreaming o sedimentacio sedimentacióón = vn = v
Ley de Ley de StokesStokes v = 2 g rv = 2 g r22 ((ρρρρρρρρ11111111 −−−−−−−− ρρρρρρρρ22222222))))))))
9 η9 η9 η9 η9 η9 η9 η9 η
r = radio de la partr = radio de la partíículacula
((ρρ11 −− ρρ22) = ) = diferencia de diferencia de
densidad entre las dos fasedensidad entre las dos fase
η = η = viscosidad de la fase viscosidad de la fase
dispersantedispersante
v se reduce v se reduce sisi
��PartPartíículas mculas máás peques pequeññasas��Incremento la viscosidad de la fase dispersanteIncremento la viscosidad de la fase dispersante��Disminuyo la diferencia de densidad entre las Disminuyo la diferencia de densidad entre las dos fases dos fases
• Estabilidad de partículas coloidales
– Efectos de carga
– Solvatación
• Desarrollo de la carga
– Adsorción preferente
– Ionización
• Mecanismos de desestabilización
– Compresión de la doble capa
– Adsorción para neutralizar la carga
– Inmersión dentro de un precipitado
– Adsorción y enlace de puente interpartícula
Coagulación
Agregado y mezclado rápido de un coagulante
con el agua (cruda o residual)
– Neutraliza cargas eléctricas
– colapsa la capa superficial de las partículas
– Promueve aglomeración
– Promueve formación de flóculos que decantan
más rápido
Floculacion• Velocidad de agregación de coloides depende de:
– Velocidad de colisiones entre partículas
– Eficacia de las colisiones
• Contactos debidos a:– Movimiento Browniano (Floculación pericinética) Jp
– Movimiento del fluido (Floculación ortocinética) J0
– Sedimentación de partículas
• Coagulantes
– Alúmina
– Hidróxido cálcico
– Sulfato ferroso (+ Hidróxido cálcico)
– Cloruro férrico
• Floculantes
– Sílice activada
– Polielectrolitos
• Aniónicos
• Catiónicos
• No iónicos
• Floculación: una vez desestabilizadas las partículas se facilita su agregación en partículas mayores que puedan separarse por otro medio (sedimentación, flotación...)
COAGULACIÓN
FLOCULACIÓN
•Reactivos: compensación
de cargas negativas
mediante la adición de
cationes (a mayor valencia,
mayor efectividad): sales
inorgánicas de Al3+ y Fe3+.
•Floculantes polímeros
inorgánicos u orgánicos
•Importancia del grado de
mezcla y tiempo de
contacto.(mezcla rápida+
mezcla lenta).
Rawwastewater
Rapid mix
tank
Mixer Flocculator
Flocculation
tank
CoagulantSedimentation
tank
Sludge
Clarifiedwastewater
• Al2(SO4)3 · 14 H2O + 3 Ca(HCO3)2 � 2 Al(OH)3 � + 3 CaSO4 +
14 H2O + 6 CO2
• Fe2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 � 2 Fe(OH)3 � + 3 CaSO4 + 6 CO2
Métodos de mezcla
� Distribución del flujo de entrada y placas deflectoras
� Agitación con turbinas� Aeración mecánica� Agitación con difusores
Mezclado� Mezcla rápida� Mezcla lenta
Mayor energía ⇒ Mayor turbulencia ⇒ Mayor mezclado
n
PVG
Q
1 td =
nV
PG =
G = Gradiente de velocidad (s-1)
P = Potencia necesaria (W)
V = volumen (m3)
n= viscosidad dinámica (N s m-2)
td = tiempo de retención (s)
Q = caudal (m3 s-1)
td G (s-1)
Mezclado rápido 5-20 s 250-1500
Floculación 10- 30 min 20-80
Mezcladores (hélice y turbina, paletas, Estáticos y neumáticos)
El transporte de masa es importante porque condiciona la velocidad de las reacciones
VELOCIDAD DE TRANSPORTE Vs. VELOCIDAD DE REACCION
FACTORES QUE AFECTAN EL TRANSPORTE DE MASA :
1-PRESENCIA DE DISTINTAS FASESLíquido — Sólido ( medio- Biomasa) Gas — liquido ( aire- liquido)
2- -SE TRABAJA CON MEDIOS DILUIDOS* Baja concentración de nutrientes y células ⇒ baja transferencia* Cambios en la concentración del catalizador y sustratos durante el
proceso
3- ALTA VISCOSIDAD(Polímeros, micelio, etc)
4- DISTANCIA
NeutralizaciNeutralizacióónn
Neutralización es un proceso en el cual un reactivo ácido se agrega a un líquido alcalino, o un reactivo alcalino se agrega a un líquido ácido, para ajustar el pH a un dado valor
–El valor deseado de pH, valor de ajuste , depende del tratamiento
–El rango de pH para descarga en colector cloacal es 7.0-10.0 (ó 6.5-10 otra condición)
Esquema Neutralización
NaOH reagent
Neutralized waste
stream
NaOH feed control
Mixer
pH sensor
Acidic waste
stream
• Pretende adecuar el pH a las condiciones
óptimas de operación
– Procesos biológicos (6,5 – 8,5)
– Procesos físico químicos
Empleo de efluentes residuales
Empleo de ácidos y bases de bajo costo
• Mezcla de corrientes ácidas y alcalinas
• Neutralización de aguas ácidas en lechos de
caliza
• Mezcla de aguas ácidas con lechada de cal.
• Neutralización de aguas alcalinas con
ácidos fuertes (clorhídrico)
• Resinas iónicas
Curva de titulación
ml NaOH
0 2 4 6 8 10 12 14 16
pH
0
2
4
6
8
10
12
pH = 7.0
Requireddosage
La cantidad de reactivo necesario se puede calcular mediante la curva de titulación
PrecipitaciónProceso unitario donde las especies
presentes solubilizadas, son separadas de la
solución mediante el agregado de un
compuesto químico, que convierte a la
especie soluble en insoluble. La separación
final es por sedimentación.
•Precipitación química: mediante la adición
de reactivos, contaminantes solubles se
transforman en formas insolubles o de
menor solubilidad.
•Principales aplicaciones:
•Ablandamiento de aguas: eliminación por
precipitación de sales de calcio y magnesio
que tienden a producir precipitados en
conductos (cañerías).
•Precipitación de sílice con hidróxidos de Al, Mg o Fe.
•Precipitación de metales pesados a través de la formación de sulfuros (difícilmente solubles): Na2S con hidróxidos que ayudan a la precipitación.
•Precipitación de sulfatos:
Ca2+ (como cal)+ SO42-�
CaSO4 ·2H2O
•Precipitación de fosfatos con cal, Fe3+ o Al3+:
• Conversión de una sustancia soluble en insoluble
• Eliminación de metales tóxicos
– Precipitación como hidróxido
– Precipitación como sulfuro
– Precipitación como carbonato
– Precipitación como metal elemental
CLASIFICACICLASIFICACIÓÓN DE EMULSIONESN DE EMULSIONES
EmulsiEmulsióón: o/wn: o/wFase dispersa: AceiteFase dispersa: AceiteFase dispersante: AguaFase dispersante: Agua
EmulsiEmulsióón: w/on: w/o
Fase dispersa: AguaFase dispersa: Agua
Fase dispersante: AceiteFase dispersante: Aceite
Emulsiones mEmulsiones múúltiples w/o/w o ltiples w/o/w o
o/w/oo/w/o
MicroemulsionesMicroemulsiones
Flotación
� Proceso inverso a la sedimentación� Las burbujas de aire adheridas a laspartículas las impulsan a subir a la superficie, de donde son extraídas porespumado
� Muy utilizado en separación de aceites y grasas del agua� API separadores
• Separación de partículas sólidas y líquidas o concentración y separación de fangos
• Depende de :– Afinidad del aire a la partícula
– Densidad de la partícula
– Diámetro de la partícula
– Concentración de sólidos, geometría,..
• Fundamento similar al de la sedimentación
• Tipos de flotación– Por dispersión de aire
– Electrolítica
– Por aire disuelto (presurización)
• Flotación: aplicado a aquellas partículas de
menor densidad que el agua. Tipos:
– Natural (puede ser ayudada mediante algún
método externo).
– Inducida: cuando la densidad inicial de las
partículas es mayor y es reducida
artificialmente.
• Flotación natural: empleada normalmente
para la separación de aceites y grasa del
agua.
• En el caso de grasas la flotación a veces se
ayuda mediante la introducción de burbujas
de aire
• El agua residual se presuriza en presencia de aire. La mezcla se expansiona liberándose pequeñas burbujas de aire que se adhieren a las partículas.
• Criterios de diseño– Concentración en materia en suspensión del efluente
– Velocidad ascensional de la materia flotante
– Espesamiento de la materia flotante
• Diseño basado en datos de laboratorio
• Parámetro fundamental A/S (aire/sólidos)
• Existen dos formas de operar:– Flotación directa
– Flotación con recirculación
• Flotación inducida: la técnica más usada es la
producción de microburbujas mediante la
presurización (DAF).
– Disolución de aire a presiones de 3-6 bares. La
despresurización produce burbujas de 40-70 µm que
producen la flotación de Sólidos.
– Aplicaciones:
• Separación y concentración de sólidos y fangos.
• Separación de aceites de refinerías.
• Separación de fibra de papel en papeleras.
Sedimentación� El tipo de sedimentación depende de:
� Concentración de la suspensión� Características de las partículas
� Tipos� Sedimentación de partículas discretas� Sedimentación floculante� Sedimentación en bloque� Compresión
Sedimentación� Se utiliza como proceso para eliminar sólidos
suspendidos � Existen tres tipos de sedimentación (dependiendo del
tamaño de partículas)� Tipo 1 – sedimentación discreta
Sigue la ley de Stoke� Tipo 2 – sedimentación floculada (difusa)
Las partículas son coloidales , aumentan tamaño y decantan más rápido
� Tipo 3 – sedimentación en bloque (piston)Las partículas asociadas (conglomerados) decantan en masa