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Manual técnico sobre tecnologíasbiológicas aerobias aplicadas altratamiento de aguas residualesindustrialesEntregable D10LIPATA-UNAMGENOCOV-UABRed CYTED 316RT0508

ÍNDICE1. Fundamentos del tratamiento de las aguas residuales . 31.1. Introducción al tratamiento de las aguas residuales . 31.2. Caracterización de las aguas residuales. 41.2.1.Medida del contenido en sólidos . 41.2.2.Medida del contenido en materia orgánica. 72. Tratamiento biológico aerobio de aguas residuales. 92.1. Fundamentos del tratamiento biológico de aguas residuales . 92.2. Tratamiento de lodos activos o lodos activados . 102.2.1.Principales parámetros operacionales del proceso de lodos activos. 122.2.2.Estrategias de operación del sistema de lodos activos . 163. Problemas operacionales y situaciones adversas en un sistema de tratamientode aguas residuales . 183.1.3.2.3.3.3.4.3.5.3.6.Bulking . 18Formación de espumas . 19Déficit de alcalinidad en aguas residuales industriales . 20Déficit de material orgánica en aguas residuales industriales . 21Períodos de hambruna durante la operación. 22Alternancia secuencial de contaminantes en el agua residual . 234. Bibliografía . 24Manual técnico sobre tecnologías biológicas aerobias aplicadas al tratamiento de aguas residuales industriales2

1.Fundamentos del tratamiento de las aguas residuales1.1. Introducción al tratamiento de las aguas residualesLa industrialización, la cada vez mayor urbanización, los nuevos estándares de la vidamoderna y la agricultura extensiva han dado lugar a una ingente producción de aguaresidual en los países industrializados (Por ejemplo, en la Unión Europea se producen25–150 m3/persona/año [1]. El agua residual se define como el agua generada en laactividad humana tras haber sido contaminada por los diversos usos a los que ha sidosometida. Los componentes que configuran el agua residual que genera una comunidadincluyen:- Agua residual doméstica (o sanitaria): agua residual procedente de zonasresidenciales y de servicios como las instalaciones comerciales.- Agua residual industrial: agua residual procedente de cualquier actividadindustrial o comercial (que no sean aguas domésticas) en la cual predominanresiduos industriales.- Infiltración y conexiones incontroladas: agua que penetra de forma nocontrolada en la red de alcantarillado, como el agua procedente del subsuelo y elagua pluvial procedente de bajantes de edificios, drenajes de cimentaciones yalcantarillas pluviales.- Agua pluvial: agua resultante de la escorrentía superficial.La mayor parte de las aguas residuales contiene, en forma suspendida o disuelta,sustancias indeseables. Independientemente del origen que pueden tener estos residuos,constituyen una fuente potencial de contaminación y como tal deben recibir unaatención adecuada. Así, los objetivos del tratamiento de las aguas residuales son:- La eliminación de la materia en suspensión- El tratamiento de los compuestos orgánicos biodegradables- La eliminación de los microorganismos patógenos- La eliminación de nutrientes como el fósforo y el nitrógeno- La eliminación de compuestos tóxicos o recalcitrantesLos tratamientos más habituales se ocupan de la eliminación de materia orgánicabiodegradable, sólidos en suspensión y patógenos presentes en el agua residual, aunqueen los últimos años ya se han implementado en gran medida tratamientos másrestrictivos, que se ocupan también de la eliminación de nutrientes, metales pesados yManual técnico sobre tecnologías biológicas aerobias aplicadas al tratamiento de aguas residuales industriales3

otros contaminantes prioritarios. Cabe resaltar que, actualmente, se busca recuperaralgunos contaminantes del agua, como el nitrógeno y el fósforo, para su uso comofertilizantes.1.2. Caracterización de las aguas residualesLas principales propiedades físicas y constituyentes químicos y biológicos del aguaresidual y sus fuentes se encuentran listados en la Tabla 1. El conocimiento de lascaracterísticas del agua residual a tratar es fundamental para poder seleccionar y diseñarlas instalaciones de recogida, tratamiento y evacuación, así como para la gestión decalidad del medio ambiente. De este modo, se han desarrollado numerosos análisis,tanto cuantitativos como cualitativos, para la caracterización de las aguas residuales.Los más destacados se listan en esta sección:1.2.1. Medida del contenido en sólidosEl contenido en sólidos es la propiedad física más importante a tener en cuenta en lacaracterización de un agua residual y se puede definir según distintos criterios (en laFigura 1 se detalla la relación entre las distintas fracciones del contenido en sólidos). Ladeterminación de los sólidos en suspensión y los sólidos disueltos se realizaordinariamente en la caracterización de las aguas residuales. Los sólidos en suspensiónson aquellos que pueden ser visibles (aportan turbidez al agua) y se pueden retenermediante filtración (filtros con tamaño de poro entre 0.45–0.20 µm); mientras que lossólidos disueltos son aquellos que, por definición, quedan en el filtrado resultante deutilizar un filtro de 0.20 µm o menor (Figura 2). A menudo también se utiliza el términode sólidos coloidales, que son aquellos que pueden atravesar un filtro de papel, no sonsedimentables y su tamaño puede variar entre 0.001–1.000 µm. Los sólidos coloidalesno se suelen determinar rutinariamente en el tratamiento de aguas residuales. Unacaracterística importante del contenido en sólidos de un agua residual es lasedimentabilidad. Los sólidos sedimentables son aquellos que sedimentan en un períododefinido de tiempo en condiciones quiescentes (Figura 2). El test estándar para medir lasedimentabilidad de los sólidos de un agua residual es la determinación del ÍndiceVolumétrico de Lodos (IVL). La determinación del IVL se realiza en una probeta devidrio de 1 litro de volumen y consiste en medir el volumen de sólidos sedimentados (enmililitros) después de un tiempo determinado, típicamente en 30 minutos.Manual técnico sobre tecnologías biológicas aerobias aplicadas al tratamiento de aguas residuales industriales4

Tabla 1 Principales propiedades físico-químicas del agua residual y sus fuentes.CaracterísticasFuentesPropiedades físicasColorOlorSólidosTemperaturaAguas residuales industriales y domésticasAguas residuales en descomposición, residuos industrialesAguas residuales industriales y domésticas, erosión del sueloAguas as y aceitesPesticidasFenolesProteínasTóxicos prioritariosSurfactantesCOVsOtrosResiduos domésticos, comerciales e industrialesResiduos domésticos, comerciales e industrialesResiduos agrícolasResiduos domésticos, comerciales e industrialesResiduos domésticos, comerciales e industrialesResiduos domésticos, comerciales e industrialesResiduos domésticos, comerciales e industrialesResiduos domésticos, comerciales e industrialesDescomposición natural de la materia sMetales pesadosNitrógenoFósforopHTóxicos prioritariosAzufreGasesÁcido sulfhídricoMetanoOxígenoAguas domésticas, infiltración de aguas subterráneasAguas domésticas, infiltración de aguas subterráneasAguas industrialesResiduos domésticos y agrícolasAguas domésticas, comerciales e industriales, escurrimiento naturalResiduos domésticos, comerciales e industrialesResiduos domésticos, comerciales e industrialesDistribución de aguas domésticas, residuos domésticos, comercialese industrialesDescomposición de residuos domésticosDescomposición de residuos domésticosAbastecimiento de aguas domésticas, infiltración de aguasuperficialManual técnico sobre tecnologías biológicas aerobias aplicadas al tratamiento de aguas residuales industriales5

Figura 1. Relación entre las diferentes fracciones del contenido en sólidos en una muestra deagua residual.Figura 2. A) Montaje experimental para la filtración de sólidos suspendidos. B) Filtros con lossólidos suspendidos resultantes del proceso de filtración. C) Determinación de los sólidossedimentables.Manual técnico sobre tecnologías biológicas aerobias aplicadas al tratamiento de aguas residuales industriales6

La Ecuación 1 muestra el cálculo del IVL.(1)en donde, VMUESTRA SEDIMENTADA es el volumen de sólidos sedimentados en una muestrade un volumen total de un litro después de un tiempo determinado y TSMUESTRA es laconcentración de sólidos suspendidos en la muestra inicial.1.2.2. Medida del contenido en materia orgánicaEl contenido de materia orgánica en las aguas residuales engloba principalmenteproteínas (40–60%), carbohidratos (25–50%), y aceites y grasas (8–12%), además deurea y un largo número de moléculas orgánicas sintéticas más o menos complejas [2]. Alo largo de los años, se han desarrollado numerosas pruebas para determinar elcontenido en materia orgánica presente en un agua residual, entre las que se puedendestacar: la demanda biológica de oxígeno (DBO), la demanda química de oxígeno(DQO) y el carbono orgánico total (COT). Además, los compuestos traza se determinanutilizando métodos instrumentales como la cromatografía de gases y la espectrometríade masas.Demanda Biológica de Oxígeno (DBO)La Demanda Biológica de Oxígeno determinada a los 5 días (DBO5 o DBO) es unparámetro que mide la cantidad de oxígeno requerida por los microorganismos para laoxidación de la materia orgánica presente en el agua. Los microorganismos(principalmente bacterias) consumen oxígeno para metabolizar dicha materia orgánica.Cuanto mayor sea el contenido en materia orgánica a metabolizar, mayor será elrequerimiento de oxígeno y, por tanto, mayor la DBO. Los microorganismos presentesen el agua residual no solamente son capaces de metabolizar la materia orgánica sinotambién distintos componentes inorgánicos, como el amoníaco, y por lo tanto estetambién contribuye al requerimiento de oxígeno. Por consiguiente, la DBO total incluyela DBO asociada a la materia orgánica y la DBO asociada a la demanda biológica deoxígeno nitrogenada (DBON).La DBO fue uno de los primeros métodos utilizados en la determinación del contenidoen materia orgánica, pero continúa utilizándose en la actualidad no sólo para determinarla cantidad aproximada de oxígeno requerido biológicamente para estabilizar la materiaorgánica presente, sino también para determinar el tamaño de las instalaciones deManual técnico sobre tecnologías biológicas aerobias aplicadas al tratamiento de aguas residuales industriales7

tratamiento, medir la eficiencia de algún proceso de tratamiento o medir labiodegradabilidad de una muestra de agua residual. Sin embargo, este método tienenumerosas limitaciones, tales como la necesidad de que los microorganismos presentesen el agua estén aclimatados y activos, el hecho de que sólo es capaz de medir lamateria orgánica fácilmente biodegradable o el relativamente largo periodo de tiemponecesario para el análisis.Demanda Química de Oxígeno (DQO)La Demanda Química de Oxígeno (DQO) mide la cantidad de oxígeno necesaria paraoxidar químicamente la materia orgánica presente en un agua residual utilizando unoxidante fuerte (dicromato potásico) en medio ácido. La medida de la DQO es, engeneral, superior a la DBO, ya que se puede oxidar una mayor cantidad de compuestospor métodos químicos que por métodos biológicos. Desde el punto de vista operacional,la mayor ventaja de la medida de DQO con respecto a la de DBO es la rapidez con laque se obtiene el resultado. Mientras que las pruebas de DBO requieren de al menos 5días (DBO5), la medida de DQO solamente requiere de unas tres horas.Carbono Orgánico Total (COT)El análisis del COT se utiliza para determinar el contenido en carbono orgánico de unagua residual. Se utiliza un ambiente químicamente oxidante, oxígeno y calor, radiaciónultravioleta, o alguna combinación de estos métodos, de manera que el carbonoorgánico se oxida a dióxido de carbono y éste es cuantitativamente medido por mediode un analizador infrarrojo. En la mayoría de los casos se puede correlacionar elcontenido en COT con el contenido en DQO, y la gran ventaja del análisis del COTfrente a los análisis de DBO y DQO es la gran rapidez con la que se obtienen elresultado (minutos).Relación entre las medidas de materia orgánicaA la hora de decantarse por un método de determinación de materia orgánica u otro, nosólo hay que tener en cuenta la disponibilidad analítica (equipos necesarios, tiempo deanálisis, etc.) sino también el tipo de agua a considerar. Por ejemplo, si se pretendeanalizar un agua residual sospechosa de tener hidrocarburos aromáticos no seríaadecuado utilizar solamente la determinación de la DQO, ya que con este método dichosManual técnico sobre tecnologías biológicas aerobias aplicadas al tratamiento de aguas residuales industriales8

compuestos no se oxidan completamente. O si por ejemplo, el agua a analizar presentacompuestos tóxicos para los microorganismos, no tendría sentido utilizar el métod