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PORTADA Universidad de Guayaquil FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL SANITARIA EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS DEL CANTÓN BABAHOYO - PROVINCIA DE LOS RÍOS AUTORES: KALEB ISSAC RODRIGUEZ SEVERINO ZULEMA MARIUXI TAMAYO COSTABALO TUTOR: ING. ANDRES VILLAMAR CARDENAS, MS.c. GUAYAQUIL, SEPTIEMBRE 2021 ii Agradecimiento Agradecido con mi Padre Celestial, por permitirme llegar hasta este punto de mi vida, por la salud, por sus bendiciones y por todas las cosas buenas que ha puesto en mi vida, y también por las cosas malas, ya que no son más que retos y pruebas que hay que superar. Agradezco a mis padres que siempre han estado apoyándome cuando más lo necesito, por hacer que nunca me falta nada, y por ser mis pilares en toda mi carrera de estudiante. Agradezco a todos los docentes que han formado parte en todo ciclo estudiantil, por estar siempre dispuesto a resolver incógnitas, y ser guías en la adquisición de conocimientos. KALEB ISSAC RODRÍGUEZ SEVERINO iii Agradecimiento Agradezco primero a Dios, mi Padre Celestial, a mi amado Jesús y a mi amigo incondicional, mi Precioso Espíritu Santo, por haberme permitido llegar hasta esta etapa de mi vida, habiendo sido ellos mi sustento, mi guía, mi dirección, pero sobre todo mi ancla en este camino que empecé a seguir por su gracia, su amor y su misericordia. Gracias a Él hoy estoy donde estoy porque sin su ayuda y sin su protección no hubiera podido llegar. A ÉL sea toda la gloria, la honra, la alabanza y la pleitesía por los siglos de los siglos. En segundo lugar, agradezco a mi familia. A mi esposo e hijos que estuvieron conmigo siempre, ayudándome y apoyándome, aunque muchas veces tuve que sacrificar mi tiempo con ellos, siempre estuvieron ahí conmigo sin dudarlo y hoy por hoy veo el fruto de eso, a mis padres y hermanos que con sus consejos y motivación me inculcaron a seguir adelante a no dejarme vencer por las adversidades, sino a luchar hasta llegar al objetivo principal que hoy está plasmado en estas pequeñas letras. A mis amigos, compañeros y docentes que con su ayuda, amistad, compañerismo y enseñanzas me brindaron la oportunidad de avanzar cada día más y poder culminar con éxito mi carrera universitaria. Gracias a todos y cada uno de los que formaron parte de mi vida en este caminar que un día empecé con muchas dudas e inseguridades, pero con el tiempo me di cuenta que los planes de Dios son perfectos y estoy donde Él me quería y me permitió llegar, gracias a todos y sobre todo gracias a mi DIOS. ZULEMA MARIUXI TAMAYO COSTABALO iv Dedicatoria Dedico este proyecto a mi padre, quien me animo a seguir la carrera de ingeniería civil, y que me ayudo con todas las herramientas para poder superar cada reto que se me ponía en el camino. Dedico también a mi madre, que con su amor infinito supo alentarme en los momentos de desesperos, y alentarme a no rendirme nunca. KALEB ISSAC RODRÍGUEZ SEVERINO v Dedicatoria Este trabajo de titulación se lo dedico primero a Dios, mi Padre Celestial, quien ha sido mi guía, mi sustento y mi dirección para hoy poder estar en esta etapa de mi vida, luego se lo dedico a mi familia; a mi esposo, a mis hijos, a mis padres y a mis hermanos, ellos han sido mi apoyo incondicional en quienes he podido confiar y recurrir cuando quería dejar todo botado. Hoy por hoy puedo decir EBENEZER. Hasta ahí me ha ayudado Jehová. También se lo dedico a mis amigos y docentes que estuvieron conmigo en este caminar diario, con sus consejos y amistad, aportaron mucho a mi vida personal y ahora profesional. Gracias a todos y a cada uno de ellos por haber sido parte de esta etapa de mi vida que hoy culmino con mucha alegría y agradecimiento sobre todo a mi Dios. Para todos ustedes es este trabajo de titulación, a ustedes está dedicado, gracias por todo. ZULEMA MARIUXI TAMAYO COSTABALO vi Declaración Expresa Artículo XI.- del Reglamento Interno de Graduación de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil. La responsabilidad de los hechos, ideas y doctrinas expuestas en este trabajo de titulación corresponden exclusivamente al autor y al Patrimonio Intelectual de la Universidad de Guayaquil. _________________________________ Kaleb Issac Rodríguez Severino C.I. 0959097247 _________________________________ Zulema Mariuxi Tamayo Costabalo C.I. 0926571076 vii Tribunal de Graduación viii CERTIFICADO DEL DOCENTE - TUTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN FACULTAD: CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS CARRERA: INGENIERIA CIVIL ix CERTIFICADO PORCENTAJE DE SIMILITUD 10 INFORME DEL DOCENTE REVISOR 11 DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y DE AUTORIZACIÓN DE LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO EXCLUSIVA PARA EL USO NO COMERCIAL DE LA OBRA CON FINES NO ACADÉMICOS FACULTAD: CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS CARRERA: INGENIERIA CIVIL LICENCIA GRATUITA INTRANSFERIBLE Y NO COMERCIAL DE LA OBRA CON FINES NO ACADÉMICOS Yo / Nosotros, Kaleb Issac Rodríguez Severino y Zulema Mariuxi Tamayo Costabalo, con C.I. No. 0959097247 y 0926571076 respectivamente, certifico/amos que los contenidos desarrollados en este trabajo de titulación, cuyo título es “EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS DEL CANTÓN BABAHOYO - PROVINCIA DE LOS RÍOS” son de mi/nuestra absoluta propiedad y responsabilidad, en conformidad al Artículo 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN*, autorizo/amos la utilización de una licencia gratuita intransferible, para el uso no comercial de la presente obra a favor de la Universidad de Guayaquil. __________________________________ ___________________________________ Kaleb Issac Rodríguez Severino Zulema Mariuxi Tamayo Costabalo C.I. 0959097247 C.I. 0926571076 1 ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO I Generalidades 1.1. Introducción........................................................................................... 8 1.2. Situación problemática .......................................................................... 9 1.3. Objetivos ............................................................................................. 10 1.3.1. Objetivo general. .......................................................................... 10 1.3.2. Objetivos específicos .................................................................... 10 1.4. Delimitación del tema .......................................................................... 11 1.5. Justificación......................................................................................... 12 1.6. Ubicación de proyecto ......................................................................... 13 CAPÍTULO II Marco Teórico 2.1. Antecedentes ......................................................................................... 15 2.2. Bases teórico-científicas ........................................................................ 15 2.2.1 Definición de Ingeniería Sanitaria .....................................................15 2.2.2 Los objetivos de la Ingeniería Sanitaria ............................................ 16 2.2.3 Aguas residuales .............................................................................. 19 2.2.4 Componentes de las aguas residuales ............................................. 21 2.2.5 Clasificación de las aguas residuales ............................................... 22 2.2.6 Característica de las aguas residuales domésticas .......................... 24 2.2.7 Parámetros de las aguas residuales ................................................. 24 2.2.8 Muestreo de las aguas residuales .................................................... 32 2.2.9 Tratamiento de las aguas residuales ............................................ 34 2.2.10. Tratamiento anaerobio ................................................................... 38 2.2.11. Lagunas de estabilización ......................................................... 41 2 Ventajas y desventajas .............................................................................. 41 2.2.11.1. Tipos y generalidades de las lagunas ....................................... 42 2.2.11.2. Consideraciones de diseño ....................................................... 44 2.2.11.3. Operación y mantenimiento ...................................................... 45 2.3. Definición de términos básicos .............................................................. 46 CAPÍTULO III Marco Metodológico 3.1. Tipo de estudio ...................................................................................... 49 3.2. Población, muestra y muestreo ........................................................... 49 3.3. Métodos, técnicas e instrumentos ....................................................... 50 3.4. Plan de procesamiento y análisis ........................................................ 50 3.5. Predimensionamiento de lagunas de estabilización ............................ 51 3.5.1. Cálculo de la Población Futura ..................................................... 51 3.5.2. Cálculo de Caudales de Diseño ................................................... 52 3.5.3. Determinación del porcentaje de eficiencia de remoción. ............ 54 3.5.4. Evaluación de las lagunas facultativas. ........................................ 55 3.5.5. Evaluación de las lagunas de maduración. .................................. 58 3.6. Análisis de los resultados. ................................................................... 58 3.7. Descripción del sistema de tratamiento .............................................. 59 CAPÍTULO IV Desarrollo del tema 4.1. Descripción de las etapas que corresponde a la planta de tratamiento60 4.2. Componentes de la planta de tratamiento .......................................... 60 4.2.1. Estación de bombeo principal (EBP) ............................................... 61 4.2.2. Cámara de rejillas (CR) ................................................................... 61 4.2.3. Desarenador .................................................................................... 62 4.2.4. Caja de distribución principal ........................................................... 62 3 4.2.5. Reactor anaeróbico de flujo ascendente con manto de lodos ......... 63 4.2.6. Tanque de flotación ......................................................................... 63 4.2.7. Lagunas de estabilización ................................................................ 64 4.2.8. Caja de Reunificación de caudales .................................................. 64 4.2.9. Estación de bombeo auxiliar ............................................................ 65 4.2.10. Lechos de secado ........................................................................ 65 4.2.11. Descarga al Río ............................................................................ 65 4.3. Análisis e interpretación de resultados ................................................ 66 4.3.1. Resultados de ensayos de laboratorio ......................................... 66 4.4. Interpretación de resultados ................................................................ 70 4.5. Porcentaje de eficiencia de cada etapa. ............................................. 71 4.6. Comparación de parámetros con los límites permisibles de descarga 72 4.7. Propuesta de diseño de las lagunas de estabilización ........................ 73 4.7.1. Población futura ............................................................................ 73 4.7. Cálculos .............................................................................................. 76 4.8.1. Caudal de diseño .......................................................................... 76 4.8.2. Diseño Lagunas Facultativas ........................................................ 76 4.8.3. Diseño Lagunas Maduración ........................................................ 80 CAPÍTULO V Conclusiones y Recomendaciones 5.1. Conclusiones ....................................................................................... 83 5.2. Recomendaciones .............................................................................. 84 Bibliografía Anexos 4 Índice de Ilustraciones Ilustración 1: Delimitación de la investigación ................................................ 11 Ilustración 2: Ubicación de Proyecto .............................................................. 13 Ilustración 3: Distancia de la PTARD hasta en ingreso a Babahoyo .............. 14 Ilustración 4: Fuente de las aguas residuales ................................................ 20 Ilustración 5: Resultado de muestra # 1 (Agua cruda) ................................... 66 Ilustración 6: Resultado de muestra # 2 (Salida del agua del desarenador) .. 67 Ilustración 7: Resultado de muestra # 3 (Salida del agua del reactor) ........... 68 Ilustración 8: Resultado de muestra # 4 (Salida del agua de las lagunas) ..... 69 Ilustración 9: Comparación de resultados (DBO) ........................................... 70 Ilustración 10: Comparación de resultados (DQO) ......................................... 70 Ilustración 11: Comparación de resultados (COLIFORMES TOTALES) ........ 71 Ilustración 12: Límites máximos permisibles de descarga DBO - DQO ......... 87 Ilustración 13: Límites máximos permisibles de descarga Coliformes Totales ............................................................................................................. 88 5 Índice de Tablas Tabla 1: Composición Típica del Agua Residual Urbana ................................. 22 Tabla 2: Color y descripción de las aguas residuales ...................................... 27 Tabla 3: Características físicas, químicas, biológicas...................................... 32 Tabla 4: Tipos de tratamientos de aguas residuales ....................................... 34 Tabla 5: Ventajas y Desventajas de las Lagunas de Estabilización ................ 41 Tabla 6: Niveles de servicio potencialmente apropiados según la población .. 53 Tabla 7: Dotaciones recomendadas ................................................................ 53 Tabla 8: % de Eficiencia (Agua cruda & Desarenador).................................... 71 Tabla 9: % de Eficiencia (Desarenador & Reactor) ......................................... 72 Tabla 10: % de Eficiencia (Reactor & Lagunas) .............................................. 72 Tabla 11: Comparación de parámetros de descarga ....................................... 73 Tabla 12: Método Aritmético ............................................................................ 73 Tabla 13: Método Geométrico .........................................................................74 Tabla 14: Método Logarítmico ......................................................................... 74 Tabla 15: Proyección de Métodos ................................................................... 75 Tabla 16: Promedio de Métodos ...................................................................... 75 Tabla 17: Caudal de diseño ............................................................................. 76 Tabla 18: Diseño de lagunas ........................................................................... 79 6 RESUMEN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN (ESPAÑOL) FACULTAD: CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS CARRERA: INGENIERÍA CIVIL Título Del Trabajo De Titulación: EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS DEL CANTÓN BABAHOYO - PROVINCIA DE LOS RÍOS Autores: RODRIGUEZ SEVERINO KALEB ISSAC TAMAYO COSTABALO ZULEMA MARIUXI Tutor: ING. ANDRES VILLAMAR CARDENAS, MS.c. RESUMEN El siguiente trabajo de tesis se realiza para determinar el estado actual de la planta de tratamiento EMSABA, en lo que corresponde a su eficiencia en la remoción de los parámetros físicos, químicos y biológicos. Para una mayor compresión de las etapas se realizó una visita técnica en la que se pudo recolectar la suficiente información necesaria con el fin de evitar confusiones e interrogantes. Se explica de forma teórica y general de los tipos de tratamientos, conceptos básicos. Con los ensayos realizados se pudo determinar que los parámetros se encuentran bajo el límite permisible, pero no significa que este funcionado de manera óptima. Con respecto al distanciamiento de la planta de tratamiento con la ciudad se puede visualizar que no es el adecuado, por lo que se optó por plantear un nuevo diseño de lagunas de estabilización con una nueva ubicación, para así poder dar una posible solución adecuada. PALABRAS CLAVES: EVALUACIÓN, SISTEMA, TRATAMIENTO, AGUAS RESIDUALES, LAGUNAS. 7 RESUMEN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN (INGLÉS) FACULTAD: CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS CARRERA: INGENIERÍA CIVIL Title Of The Degree Project: EVALUATION OF THE DOMESTIC WASTE WATER TREATMENT SYSTEM OF THE CANTON BABAHOYO - PROVINCE OF LOS RÍOS Authors: RODRIGUEZ SEVERINO KALEB ISSAC TAMAYO COSTABALO ZULEMA MARIUXI Advisor: ING. ANDRES VILLAMAR CARDENAS, MS.c. ABSTRACT The following thesis work is carried out to determine the current state of the EMSABA treatment plant, in what corresponds to its efficiency in the elimination of physical, chemical and biological parameters. For a better understanding of the stages, a technical visit was carried out in which the necessary information could be collected in order to avoid confusion and questions. It is explained in a theoretical and general way of the types of treatments, basic concepts. With the tests carried out, it was possible to determine that the parameters are below the permissible limit, but it does not mean that it worked optimally. Regarding the distance between the treatment plant and the city, it can be seen that it is not adequate, so it was decided to propose a new design of stabilization ponds with a new location, in order to provide a possible suitable solution. KEY WORDS: ASSESSMENT, SYSTEM, TREATMENT, WASTEWATER, LAGOONS. 8 CAPÍTULO I Generalidades 1.1. Introducción En la actualidad, la ciudad de Babahoyo tiene una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas (PTARD) la cual cuenta con un sistema de pretratamiento y uno combinado. El sistema de pretratamiento es encargado de separar los sólidos más voluminosos para no dañar los demás sistemas; de allí pasa al Reactor Anaeróbico de Flujo Ascendente con Manto de Lodos (UASB), en donde se separa los sólidos sedimentables y de material flotante. En todo este proceso la carga orgánica es transformada en un biogás y un fertilizante estabilizado. El siguiente sistema son las Lagunas de Estabilización, la cual consta de 6 lagunas, en las que se dividen en 4 lagunas facultativas y 2 lagunas de maduración, este último sistema remueve materia orgánica residual y a su vez elimina patógenos que representan un peligro para la salud, dejando el agua con niveles que cumplen las normas de descarga del Ecuador. En esta planta de tratamiento sólo son tratadas aguas residuales domésticas de las parroquias desde 4 de mayo hasta las peñas, la cual representa el 100 % de la población de la ciudad de Babahoyo, despreciando las provenientes de las industrias, para determinar el estado en que se encuentra se va a evaluar dicha planta. Se realizará una visita técnica con el fin de observar y evaluar el estado de la planta de tratamiento y así determinar mediante ensayos pertinentes si se está cumpliendo las normas del Ecuador. 9 1.2. Situación Problemática Las aguas residuales domésticas resultante de la actividad humana llevan en su composición una gran cantidad de desechos que pueden ser tantos sólidos suspendidos y sólidos disueltos, que de no ser tratados estos contaminaría los cuerpos acuíferos, agotando el oxígeno presente y por ende la vida marina. A diario la ciudad de Babahoyo genera alrededor de 27 millones de litros de aguas residual con desechos sólidos en su totalidad y una carga contaminante alta con respecto a los límites permisibles de descarga y esto se debe a la presencia de solidos de gran tamaño (basura), grandes cantidades de materia orgánica, detergentes, nitrógeno, fosforo, y gérmenes patógenos la cual una gran parte son producidos por el aparato digestivo, que de no disminuirlo se verá reflejado en aguas con malos olores, proliferación de bacterias, y por ende problemas de salud para habitantes que residen en las zonas costeras. La Planta de tratamiento EMSABA EP recepta gran porcentaje de esas aguas residuales por lo cual su funcionamiento, mantenimiento y monitoreo debe ser el adecuado y eficiente, es por eso que periódicamente se debe realizar estas evaluaciones con el fin de asegurar su funcionamiento y evaluar que él agua que desemboca al Río Babahoyo cumple con todos los parámetros para su descarga. Con el pasar de los años el crecimiento de la población es directamente proporcional a la cantidad de agua residual domestica generada, aumentando los caudales de las aguas residuales, sin embargo, no resta la capacidad de las aguas en la planta de tratamiento por lo que sigue siendo la misma, lo que genera es que la demanda del caudal a tratar sea superior a la oferta del servicio en el sistema de tratamiento. 10 1.3. Objetivos 1.3.1. Objetivo General. Evaluar el sistema de tratamiento de aguas residuales domésticas del cantón Babahoyo - provincia de los ríos para poder determinar la optimización del agua antes de su descarga. 1.3.2. Objetivos Específicos. ● Caracterizar las aguas residuales domésticas a partir de ensayos de Demanda Bioquímica de Oxígeno, Demanda Química de Oxígeno, Coliformes Totales. ● Evaluar la eficiencia mediante los ensayos realizados y verificar el porcentaje de las mismas en cada una de las etapas de la planta de tratamiento. ● Plantear posibles soluciones en función de los resultados obtenidos en la investigación y que cumplan con las normas de descargas. 11 1.4. Delimitación del Tema Ilustración 1: Delimitación de la investigación Fuente: (Google Maps, 2021) Elaborado por: Zulema Tamayo y Kaleb Rodríguez Delimitador Espacial: El trabajo de investigación se realizará dentro del cantón Babahoyo. La Universidad: Universidad de Guayaquil La Facultad: Ciencias Matemáticas y Físicas La Carrera: Ingeniería Civil Área: Sanitaria Delimitadortemporal: Esta investigación se la realizó en el año 2021 Delimitador demográfico: Habitantes de la ciudad de Babahoyo 12 1.5. Justificación La evaluación independiente de una planta de tratamiento certifica que está trabajando de forma óptima, y en caso de no serlo permite evaluar en qué fase está fallando y corregir errores. Se busca analizar de forma exacta los parámetros de las aguas residuales para poder compararla con las normas vigentes, y en caso de no cumplir, mostrar una propuesta que permita equiparar dichos valores. Consistirá en evaluar la calidad del agua del sistema de tratamiento de aguas residuales desde su ingreso a la planta hasta su descarga en el río Babahoyo, evaluar en forma independiente cada una de las etapas para determinar su grado de eficiencia correspondiente y formular si es el caso recomendaciones para mejorar su efectividad. Los parámetros a ser evaluados serán: DBO, DQO y Coliformes Totales. Las enfermedades que se dan por temas de contaminación, así como la conservación de la flora y la fauna son temas que en años anteriores no se trataban, por lo que hoy en día se le da prioridad, ya que, de no considerarlo, agotaremos nuestros recursos naturales. Las consecuencias de la descarga de las aguas residuales fuera de los límites máximos permisibles es que empobrece los ecosistemas acuáticos y facilita la proliferación de algas, contaminación de la cadena alimenticia, escasez del agua potable, enfermedades bacteriológicas y mortalidad infantil. 13 1.6. Ubicación de proyecto La Planta de tratamiento de aguas residuales se encuentra ubicada a la entrada del Cantón Babahoyo – Provincia de los Ríos, consta de 17 hectáreas y limita con el Río Babahoyo, con la Escuela de Formación de Policías "Cbos. Sócrates Arboleda Sanabria" Las Peñas'' y con el Camal Municipal De Babahoyo. Ilustración 2: Ubicación de Proyecto Fuente: (Google Maps, 2021) Elaborado por: Zulema Tamayo y Kaleb Rodríguez 14 Ilustración 3: Distancia de la PTARD hasta en ingreso a Babahoyo Fuente: (Google Maps, 2021) Elaborado por: Zulema Tamayo y Kaleb Rodríguez 15 CAPÍTULO II Marco Teórico 2.1. Antecedentes La ciudad de Babahoyo representa la segunda urbe más grande y poblada de la provincia de los Ríos, ubicada al centro de la región litoral del Ecuador, en una extensa llanura, en donde se unen los ríos Catarama y San Pablo formando el río Babahoyo. La ciudad es el núcleo del área metropolitana de Babahoyo, que a su vez constituye ciudades y parroquias rurales cercanas. A mediados del siglo XIX esta presenta un crecimiento demográfico debido a la producción agrícola, y la generación de aguas residuales comenzó a tomar fuerza. La planta de tratamiento lleva en funcionamiento 33 años, en esta planta de tratamiento no se usan agentes químicos, y todos los sistemas funcionan a gravedad, cuenta con un tratamiento primario, desarenador, reactores anaeróbicos, y lagunas. Los mantenimientos rutinarios se realizan dos veces al mes, esta planta está controlada por el ministerio del ambiente y las lagunas ocupan un aproximado de 10 Ha. 2.2. Bases Teórico-Científicas 2.2.1 Definición de Ingeniería Sanitaria. Actualmente, la ingeniería sanitaria se encuentra en un franco proceso de desarrollo, en el que antiguas ideas vuelven a valorarse y se formulan nuevos conceptos. La implementación de sistemas de abastecimiento de agua y de saneamiento, son factores importantes en la conservación del bienestar de los pueblos y que en mayor grado disfrutan los países desarrollados. (Franco, 2002) 16 En lo que compete al saneamiento y específicamente al tratamiento de aguas residuales, el agua recolectada de los pueblos y ciudades, debe devolverse al medio ambiente en condiciones tales que no la deteriore. Durante las últimas décadas de este siglo, el mundo ha venido observando con inquietud una serie de problemas relacionados con la disposición de desechos líquidos provenientes del uso doméstico, comercial e industrial. (Franco, 2002) Muchas veces las masas receptoras de estos desechos líquidos son incapaces de absorber y neutralizar la carga contaminante. Por este motivo, las aguas residuales antes de su descarga a los cursos y cuerpos receptores, deben recibir algún tipo de tratamiento que modifique sus condiciones iniciales. (Franco, 2002) 2.2.2 Los Objetivos de la Ingeniería Sanitaria. Formar los criterios profesionales con un amplio conocimiento del desarrollo actual de la sociedad y de los problemas ambientales relacionados con el manejo de los recursos naturales, agua, aire y suelo, con entendimientos de su compromiso profesional y ético en su solución, tomando parte de los conocimientos matemáticos, sociales, naturales e ingenieriles que se orientan a desarrollar gestión tales como: (Amaya, 2010) Conocer y entender, principios y teorías esenciales relacionadas con las ciencias básicas y sus aplicaciones a situaciones relacionadas con el medio ambiente y la salud humana. (Amaya, 2010) Formular y desarrollar planes, programas y proyectos, de evaluación, prevención y control de los factores de riesgo que influyen en la salud de las personas. (Amaya, 2010) 17 La planeación, diseño, construcción, operación, mantenimiento, administración y gestión de sistemas para la prevención y el control de la contaminación, de los recursos naturales agua, aire y suelo. (Amaya, 2010) Buscar acciones comunitarias que busquen la sostenibilidad de planes, programas y proyectos, en base a la realidad social, cultural y política del país, todo ello encaminado al bien común. (Amaya, 2010) Además, la ingeniería sanitaria centraliza sus objetivos en 5 grandes áreas a las cuales están divididas en: (Amaya, 2010) a) Saneamiento Ambiental b) Agua potable y Alcantarillado c) Disposición de Desechos Sólidos d) Instalaciones Sanitarias Interiores e) Contaminación Ambiental a) Saneamiento ambiental Operación de servicio de salud pública; de las municipalidades (abarcando sus áreas urbanas y rurales), de las firmas constructoras y consultoras que dan servicio a este sector. (Amaya, 2010) b) Agua potable y alcantarillado Organización, normalización, tarifación, diseño, construcción, operación y control de servicios de empresas de agua potable y desagüe, sea directamente o por intermedio de las firmas consultoras o constructoras que corresponden a este sector. (Amaya, 2010) 18 c) Disposición de desechos sólidos Normalización, diseño, operación y control de los servicios del sector recolección de desechos sólidos y de disposición final. (Amaya, 2010) d) Instalaciones sanitarias interiores Diseño, normalización, control y eventual operación de las instalaciones en las edificaciones, principalmente servicios de los entes públicos y de las personas jurídicas o naturales del sector privado que tengan a su cargo tales edificaciones en sus etapas de diseño, construcción y operación. (Amaya, 2010) e) Contaminación ambiental Desarrolla actividades en otros sectores, en el control de cuencas hidrográficas, contaminación ambiental, residuos radiactivos, higiene de los alimentos, planeamiento ambiental regional, urbano, auditorías ambientales, estudios de impacto ambiental, energías renovables y la concepción ambiental de los productos. Las actividades de la ingeniería sanitaria tendientes a sanear el medio tienen que cortar el eslabón de la cadena de transmisión de muchas enfermedades y preservar el medio para agrado y bienestar de la sociedad. Esta acción está ligada de modo íntimo a otras disciplinasde la salubridad como: (Amaya, 2010) ● Epidemiología ● Parasitología ● Microbiología Estadística ● Administración Sanitaria ● Higiene Industrial 19 ● Otras En resumen, estas son varias de las actividades en las que participa la Ingeniería Sanitaria: (Amaya, 2010) ● Abastecimiento, tratamiento y distribución de aguas ● Sistemas de alcantarillado, tratamiento y control de las aguas negras (o cloacales) y de los desechos industriales ● Control de la contaminación del agua ● Servicios municipales y rurales de eliminación de basura ● Control de roedores e insectos ● Higiene de los alimentos ● Saneamiento de las escuelas, lugares públicos, lugares de veraneo, piscinas, etc. ● Construcción de viviendas higiénicas ● Control de las emanaciones, polvos, gases ● Higiene y saneamiento industrial 2.2.3 Aguas Residuales. Son procedentes de las bañeras, duchas, lavabos, lavadoras y lavaplatos, con escasa contaminación y que con tratamientos simples pueden reutilizarse fácilmente. (Trapote, 2002) Estas aguas pueden conducirse por un solo conducto (sistema unitario) o por conductos separados (sistema separativo). (Trapote, 2002) Las aguas residuales producidas por la actividad diaria del hombre, son recolectadas por el sistema de alcantarillado que conduce a la planta de tratamiento de aguas residuales o al punto de disposición final. El caudal de agua residual no 20 siempre tiene un régimen regular durante el día. En el caso de sistemas separativos de alcantarillado, el caudal de agua residual desciende significativamente durante la noche y dependiendo del tamaño de la población servida, el caudal máximo puede alcanzar hasta tres veces el caudal medio diario. (Franco, 2002) Así mismo, cuando el sistema de alcantarillado se diseña para recolectar conjuntamente aguas residuales y aguas de lluvia, se le conoce como combinado. En estos casos el aporte del agua de lluvia puede sobrepasar con amplitud el caudal promedio de agua residual conduciendo a un alto grado de disolución de esta agua residual y las consiguientes dificultades de tratamiento. (Franco, 2002) Ilustración 4: Fuente de las aguas residuales Fuente: (Rojas I. R., 2002) 21 2.2.4 Componentes de las Aguas Residuales. La composición de las aguas residuales es muy variable en razón de los diversos factores que lo afectan. Entre estos se tiene el consumo promedio de agua por habitante y por día que afecta su concentración (cantidad) y los hábitos alimenticios de la población que caracteriza su composición química (calidad). (Franco, 2002) En general, las aguas residuales contienen aproximadamente un 99.9% de agua y el resto está constituido por materia sólida. Los residuos sólidos están conformados por materia mineral y materia orgánica. La materia mineral proviene de los subproductos desechados durante la vida cotidiana y de la calidad de las aguas de abastecimiento. La materia orgánica proviene exclusivamente de la actividad humana y está compuesta por materia carbonácea, proteínas y grasas. (Franco, 2002) Las proteínas constituyen del 40 al 50% de la materia orgánica y están representadas por los complejos de aminoácidos y proporcionan la mayor parte de los nutrientes bacterianos. Aproximadamente un 50-60% de las proteínas se encuentran disueltas en las aguas residuales y un 20-30% en la fracción sedimentable. La materia carbonácea está representada por los hidratos de carbono y que a su vez están constituidos por los almidones, los azúcares y la celulosa, de esta materia carbonácea, los dos primeros son fácilmente degradables. Los porcentajes de hidratos de carbono que se encuentran en forma disuelta y sedimentable son semejantes a las proteínas. Las grasas incluidas en los ácidos grasos no suelen ser solubles y se degradan más lentamente. (Franco, 2002) Las aguas residuales se componen, básicamente, de un 99,9% de agua en su estado conocido como de agua potable y de un 0,1% por peso de sólidos, sean éstos disueltos o suspendidos. Este 0,1% referido es el que requiere ser removido para que el agua pueda ser reutilizada. El agua sirve o actúa como medio de transporte de 22 estos sólidos, los que pueden estar disueltos, en suspensión o flotando en la superficie del líquido. (Franco, 2002) Tabla 1: Composición Típica del Agua Residual Urbana Composición Típica del Agua Residual Urbana Parámetro Concentración (mg/l) Fuerte Media Débil Sólidos totales (ST) 1200 720 350 Sólidos en suspensión (SS) 350 220 100 Sólidos disueltos (SD) 850 500 250 DBO (5dias) 400 220 110 DQO 1000 500 250 Carbono orgánico total 290 160 80 Nitrógeno Total 85 40 20 Fósforo Total 15 8 4 Cloruros 100 50 30 Alcalinidad 200 100 50 Grasas 150 100 50 Fuente: (Franco, 2002) Elaborado por: Kaleb Rodríguez, Zulema Tamayo 2.2.5 Clasificación de las Aguas Residuales. Según su procedencia, las aguas residuales se dividen en agrícolas, domésticas, de escorrentía e industriales. La clasificación se hace con respecto a su origen, ya que este origen es el que va a determinar su composición. (Trapote, 2002) • Aguas residuales de origen doméstico Son sustancias orgánicas e inorgánicas y microorganismos, procedentes de los 23 residuos de la actividad humana (alimentos, deyecciones, limpiezas, etc.). Se caracterizan por ser inodoras si son recientes y por su color gris amarillento o blanco. Al sufrir procesos de fermentación huelen a sulfhídrico pasando su color a gris negruzco. (Trapote, 2002) Entre los productos orgánicos pueden señalarse: residuos de origen animal y vegetal, deyecciones humanas, grasas etc. Las inyecciones humanas pueden considerarse con un contenido del 30% de N, 3% de ácido fosfórico y 6% de K. Vestido por habitante de orina puede estimarse entre 1,2 a 2,4 litros por día. Como productos inorgánicos pueden citarse sustancias disueltas como sales y elementos inertes como restos de materiales, tierras, arena, papel etc. (Trapote, 2002) • Aguas residuales de origen industrial Sustancias procedentes de las actividades industriales (materias primas utilizadas, productos de transformación y acabados, así como intercambios térmicos). (Trapote, 2002) Además del posible contenido en sustancias similares a los vertidos de origen domésticos pueden aparecer elementos propios de cada tipo de industria, como tóxicos, iones metálicos, productos químicos, hidrocarburos, detergentes, pesticidas, productos radioactivos, etc. (Trapote, 2002) • Aguas residuales de origen agrícola. Se trata de sustancias procedentes de las actividades agrícolas y ganaderas (pesticidas, fungicidas, herbicidas, estiércol, etc.). Sus residuos perjudican notablemente las características de las aguas de cauce receptor. (Trapote, 2002) 24 Otras sustancias son los fertilizantes, que antes eran de origen orgánico y hoy en día se han sustituido por abonos inorgánicos, tales como sulfatos, nitratos, fosfatos, etc. (Trapote, 2002) • Aguas residuales de escorrentía. Cuando llueve, el agua arrastra toda clase de suciedad. Esta agua es, en términos generales, más sucia que la que proviene del consumo doméstico. Algunos ayuntamientos las agrupan para tratarlas conjuntamente. En otros, las aguas de lluvia disponen de una red de cloacas diferente y son vertidas directamente sin ser tratadas. Su alta carga unida a la enorme variabilidad que presentan, hace que el tratamiento de las aguas residuales industriales sea complicado, siendo preciso un estudio específico para cada caso. (Trapote, 2002) 2.2.6 Característica de las Aguas Residuales Domésticas. Las aguas residuales presentan características físicas, químicas y biológicas especiales sobre las demás aguas que es necesario comprender para optimizar su manejo: recolección,transporte, tratamiento y disposición final y minimizar los efectos adversos de su descarga a aguas naturales o al suelo, obteniendo así un mejor manejo ambiental de los desechos y la calidad del agua. (Trapote, 2002) 2.2.7 Parámetros de las Aguas Residuales. En los que podemos destacar tenemos: 2.2.7.1. Parámetros físicos. Las características más importantes del agua residual son la temperatura, color, 25 olor, turbiedad y el contenido total de sólidos, término que engloba la materia en suspensión, la materia sedimentable y la materia disuelta. (Trapote, 2002) • Temperatura La temperatura del agua residual es por lo general mayor que la temperatura del agua de abastecimiento como consecuencia de la incorporación de agua caliente proveniente del uso doméstico e industrial. Afecta directamente a las reacciones químicas y las velocidades de reacción, la vida acuática y la adecuación del agua para otros fines. Por ejemplo, el oxígeno es menos soluble en el agua caliente que en la fría. Además, un cambio repentino de temperaturas puede dar como resultado un alto porcentaje de mortalidad de la vida acuática. Finalmente, las temperaturas anormalmente elevadas pueden dar lugar a un crecimiento indeseable de plantas acuáticas y hongos. (Trapote, 2002) • Sólidos Son aquellos que son visibles y flotan en las aguas residuales entre superficie y fondo. Pueden ser removidos por medios físicos o mecánicos a través de proceso de filtración o de sedimentación. Se incluyen en esta clasificación las grandes partículas que flotan, tales como arcilla, sólidos fecales, restos de papel, madera en descomposición, partículas de comida y basura, de los cuales un 70% son orgánicos y un 30% inorgánicos. (Trapote, 2002) Sedimentables: Son los que por tamaño y peso pueden sedimentar al lapso de una hora en el cono Imhoff, siendo en un promedio un 75% orgánicos y un 25% inorgánicos. (Trapote, 2002) 26 Coloidales: Tienen un diámetro aproximado 10-3-1mm. Este tipo no puede eliminarse por sedimentación. (Trapote, 2002) Disueltos: Es la denominación que reciben todos los sólidos que quedan retenidos en un proceso de filtración fina. En general, los sólidos disueltos son en un 40% orgánicos y un 60% inorgánicos. (Trapote, 2002) Los constituyentes inorgánicos tales como el calcio, sodio y los sulfatos se añaden al agua de suministro como resultado del uso del agua y puede que deban eliminarse si se va a reutilizar el agua residual. (Trapote, 2002) Totales: Se incluyen todos los sólidos existentes en las aguas residuales y que en promedio son un 50% orgánicos. Es precisamente esta unidad orgánica de los sólidos presentes en las aguas residuales la que es sujeto de degradación y se constituye como requisito para una planta de tratamiento de aguas residuales. La razón del interés de este constituyente es la formación depósitos de lodos y condiciones anaeróbicas. (Trapote, 2002) ● Turbiedad Es una medida de las propiedades de dispersión de la luz de las aguas. Sirve principalmente para conocer la cantidad de luz que es absorbida por el material suspendido en el agua. (Trapote, 2002) La turbiedad del agua es debida a la desintegración y la erosión de materiales arcillosos, limos, o rocas, pero también por los restos de plantas y microorganismos. La presencia de detergentes y jabones en las aguas residuales domésticas e 27 industriales causan, de igual forma, un aumento de la turbidez del agua. (Trapote, 2002) La medición de turbidez se realiza por comparación entre la intensidad de luz dispersa en una muestra y la luz dispersa por una suspensión de referencia bajo las mismas condiciones. Los resultados de las mediciones de turbidez se dan en unidades nefelométricas de turbidez (NTU o UNT) (Trapote, 2002) ● Color El color de las aguas residuales es causado por sólidos suspendidos, material coloidal y sustancias en solución. Si es causado por sólidos suspendidos se denomina color aparente, mientras que el causado por sustancias disueltas y coloidales se denomina color verdadero, el cual se obtiene por una muestra filtrada. El color de las aguas residuales se debe a la infiltración en sistemas de recolección, descargas industriales y la descomposición de compuestos orgánicos. La infiltración en sistemas de recolección contendrá una concentración variada de sustancias húmicas (táninos, ácidos húmicos y humatos). (Trapote, 2002) Las sustancias húmicas generalmente imparten un color amarillo al agua. Por su parte, las descargas industriales pueden contener tintes orgánicos y compuestos metálicos, lo que puede dar una variedad de colores al agua residual. Existen valores cuantitativos para estimar la condición general del agua residual, vienen en la tabla siguiente: Tabla 2: Color y descripción de las aguas residuales color descripción Café Claro El agua lleva 6 horas después de la descarga 28 Fuente: (Trapote, 2002) Elaborado: Kaleb Rodríguez, Zulema Tamayo ● Olor Normalmente, los olores son debidos a los gases producidos por la descomposición de la materia orgánica. El agua residual reciente tiene un olor peculiar algo desagradable, pero más tolerable que el del agua residual séptica. El olor más característico del agua residual séptica es el del sulfuro de hidrógeno producido por los microorganismos anaerobios que reducen los sulfatos a sulfitos. Las aguas residuales industriales contienen a veces compuestos olorosos. Se ha estimado que los olores constituyen el principal motivo de rechazo del público en relación con la implantación de instalaciones de tratamiento de aguas residuales. A la vista de la importancia de los olores en el campo de la gestión de las aguas residuales, resulta apropiado considerar los efectos que producen, cómo detectarlos, caracterizarlos y medirlos. (Trapote, 2002) 2.2.7.2. Parámetros Químicos. ● Materia orgánica En un agua residual de concentración media, un 75% de los sólidos suspendidos y un 40% de los sólidos filtrables son de naturaleza orgánica procedente de los reinos Gris Claro Aguas que han sufrido algún grado de descomposición o que han permanecido un tiempo corto en recolección Gris oscuro o negro Aguas sépticas que han sufrido una fuerte descomposición bacterial bajo condiciones anaerobias 29 animal y vegetal y de las actividades humanas relacionadas con la síntesis de compuestos orgánicos Los compuestos orgánicos están formados generalmente por una combinación de carbono, hidrógeno y oxígeno y, en algunos casos, nitrógeno. Además, otros elementos importantes que pueden estar presentes son el azufre, el fósforo y el hierro. (Trapote, 2002) ● DBO Es la cantidad de oxígeno que utiliza los microorganismos para llevar a cabo la reducción de la materia orgánica. En la prueba estándar de la DBO se vierte una pequeña muestra de agua residual en una botella (300 ml de volumen). Dicha botella se completa a volumen, usando agua saturada con oxígeno y con nutrientes requeridos para el crecimiento biológico. Cuando la muestra contiene una gran población de microorganismos (agua residual cruda, por ejemplo) no es necesario efectuar la inoculación. (Trapote, 2002) ● DQO Parte de los materiales orgánicos no pueden ser degradar biológicamente porque resultan ser tóxicos para los microorganismos o porque su reducción llega a ser tan lenta que son considerados como no biodegradables. Estos materiales son los pesticidas, insecticidas y herbicidas. Para conocer la cantidad de este tipo de materiales orgánicos no biodegradables se hace la prueba de la demanda de oxígeno (DQO). Junto con la DBO se puede calcular la cantidad de orgánicos biodegradables presentes en el agua. Esto se puede lograr restando el valor de la DBO al valor de la DQO. (Trapote, 2002) 30● Materia inorgánica Las aguas residuales y naturales contienen varios componentes inorgánicos de gran importancia para el establecimiento y control de la calidad del agua. (Trapote, 2002) Puesto que las concentraciones de los distintos constituyentes inorgánicos pueden afectar mucho a los usos del agua, conviene examinar su naturaleza. (Trapote, 2002) Como parámetros a tener en cuenta destacan el pH, los cloruros, la alcalinidad, el nitrógeno, el fósforo, el azufre, los compuestos tóxicos y los metales pesados. (Trapote, 2002) ● Potencial de hidrógeno Es un importante parámetro de calidad tanto de las aguas naturales como de las residuales. (Trapote, 2002) El intervalo de concentración ideal para la existencia de la mayoría de vida biológica es muy estrecho y crítico. (Trapote, 2002) El pH de los sistemas acuosos puede medirse con un peachímetro o con distintas soluciones indicadoras que cambian de color a determinados valores de pH para su comparación con el color de discos o tubos normalizados. (Trapote, 2002) ● Cloruros Los cloruros que se encuentran en el agua natural proceden de la disolución de suelos y rocas que los contienen y están en contacto con el agua y, en las regiones costeras, por la intrusión del agua salada. Otra fuente de cloruros es la descarga de aguas residuales domésticas, agrícolas e industriales en las aguas superficiales. (Trapote, 2002) ● Alcalinidad Su presencia en el agua residual se debe a la presencia de hidróxidos, carbonatos 31 y bicarbonatos de elementos tales como calcio*, magnesio*, sodio, potasio o amoniaco. (Trapote, 2002) El agua residual es normalmente alcalina, porque recibe esta alcalinidad del agua de suministro, del agua subterránea y de las materias añadidas durante el uso doméstico. (Trapote, 2002) La concentración de la alcalinidad en el agua residual es especialmente importante cuando debe efectuarse un tratamiento químico y cuando haya que eliminar el amoniaco mediante arrastre por aire. (Trapote, 2002) 2.2.7.3. Parámetros Biológicos. Las aguas residuales dependiendo de su composición y concentración pueden llevar en su seno gran cantidad de organismos. También influyen en su presencia la temperatura y el pH, puesto que cada organismo requiere unos valores determinados de estos dos parámetros para desarrollarse. (Trapote, 2002) ● Coliformes Fecales El indicador razonablemente fiable de los agentes patógenos bacterianos, ya que por lo general sus características de supervivencia en el medio ambiente y su índice de eliminación instantánea o paulatina en los procesos de tratamiento son similares. La presencia en el agua residual de coliformes fecales, indica que el agua presenta contaminación fecal y las bacterias patógenas son representativos de lo que indique los niveles de coliformes y su reducción a lo largo del tratamiento por lagunaje indica la calidad general del agua desde el punto de vista bacteriológico. (Trapote, 2002) ● Coliformes Totales El grupo de coliformes totales es menos fiable como indicador, pues no todos los coliformes son exclusivamente de origen fecal y a menudo, la proporción de coliformes no fecales es muy elevada en los climas cálidos. (Trapote, 2002) 32 Tabla 3: Características físicas, químicas, biológicas. Características físicas Sólidos Temperatura Color Olor Suministro de agua, residuos industriales y domésticos Residuos industriales y domésticos Residuos industriales y domésticos Descomposición de residuos líquidos Características químicas Orgánicos Proteínas Carbohidratos Aceites y grasas Tensoactivos Fenoles Pesticidas Inorgánicos pH Cloruros Nitrógeno Fósforo Azufre Tóxicos Metales pesados Gases Oxígeno Hidrógeno sulfurado Metano Residuos comerciales y domésticos Residuos comerciales y domésticos Residuos comerciales, industriales y domésticos Residuos industriales y domésticos Residuos industriales Residuos agrícolas Residuos industriales Suministro de agua, residuos industriales e infiltraciones Residuos agrícolas y domésticos Residuos agrícolas, industriales y domésticos Suministro de agua y residuos industriales Residuos industriales Residuos industriales Suministro de agua e infiltraciones Residuos domésticos Residuos domésticos Características biológicas Virus Bacterias Protozoarios Nematodos Residuos domésticos Residuos domésticos Residuos domésticos Residuos domésticos Fuente: (Trapote, 2002) Elaborado: Kaleb Rodríguez, Zulema Tamayo 2.2.8 Muestreo de las Aguas Residuales. Los muestreos deben alcanzar las metas del programa para lo cual los datos recolectados deben ser: Representativos: los datos deben representar el agua residual o el ambiente muestreado. (INSTITUTO DE TOXICOLOGÍA DE LA DEFENSA, 2016) 33 Reproducibles: los datos obtenidos pueden ser reproducidos por otros siguiendo el mismo procedimiento de muestreo y protocolos analíticos. (INSTITUTO DE TOXICOLOGÍA DE LA DEFENSA, 2016) Sustentados: la documentación debe estar disponible para validar el plan de muestreo, con un grado conocido de exactitud y precisión. (INSTITUTO DE TOXICOLOGÍA DE LA DEFENSA, 2016) Dependiendo el tipo de industria y la investigación a realizar se realiza el muestreo, se puede tomar muestras simples o instantáneas y muestras compuestas. (INSTITUTO DE TOXICOLOGÍA DE LA DEFENSA, 2016) 2.2.8.1 Muestras Simples. Es la que se realiza una toma de muestra durante un determinado tiempo y se toma un volumen aproximado de 1 a 2 litros dependiendo los análisis que se realicen. (INSTITUTO DE TOXICOLOGÍA DE LA DEFENSA, 2016) 2.2.8.2. Muestras Compuestas. Es la que se realiza durante 8 horas de trabajo y se toma aproximadamente 2 litros por cada hora dependiendo los análisis que se requieran. En una toma de muestras compuestas hay que realizar un registro de todas las muestras e identificar cada envase con etiqueta con los datos como fecha, hora, temperatura, pH, S TD y el nombre del muestreador. (INSTITUTO DE TOXICOLOGÍA DE LA DEFENSA, 2016). Objetivos de la preparación de una muestra compuesta: • Realizar las caracterizaciones dependiendo de la actividad industrial. • Diseñar un tratamiento al efluente industrial Observaciones. Consideraciones: 34 a) Para análisis se prepara 1 galón b) Para realizar estudio de tratabilidad test de jarrar se prepara una caneca de 20 litros. (INSTITUTO DE TOXICOLOGÍA DE LA DEFENSA, 2016) 2.2.9 Tratamiento de las Aguas Residuales. El grado de tratamiento requerido para un agua residual depende fundamentalmente de los límites de vertido para el efluente. El tratamiento primario se emplea para la eliminación de los sólidos en suspensión y los materiales flotantes, impuestas por los límites, tanto de descarga al medio receptor como para poder llevar los efluentes a un tratamiento secundario, bien directamente o pasando por una neutralización u homogeneización. El tratamiento secundario comprende tratamientos biológicos convencionales, En el tratamiento terciario su objetivo es la eliminación de los contaminantes que no se han podido eliminar en el tratamiento secundario. (Rmalho, 2003) Tabla 4: Tipos de tratamientos de aguas residuales Tratamiento Primario Cribado o desbrozo Sedimentación Flotación Separación de aceites Homogeneización Neutralización Tratamiento Secundario Lodos activos 35 Aireación Prolongada (proceso de oxidación total) Estabilización por contacto Otras modificaciones del sistema convencional de lodos activos: aireación por fases, mezcla completa, aireación descendente, alta carga, aireación con oxígeno puro. Lagunaje con aireación Estabilización por lagunaje Filtros biológicos (Percoladores) Discos biológicos Tratamientos anaerobios: Procesos de contacto, filtros (sumergidos)Tratamiento Terciario o avanzado Microtamizado Filtración (lecho y arena, antracita, diatomeas…) Precipitación y coagulación Adsorción (carbón activado) Intercambio iónico Ósmosis inversa Electrodiálisis Cloración y ozonización Procesos de reducción de nutrientes Otros Fuente: (Rmalho, 2003) Elaborado: Kaleb Rodríguez, Zulema Tamayo Las normas de calidad de las aguas están corrientemente basadas en uno o dos criterios: calidades de aguas superficiales o normas de limitación de vertidos. Las normas de calidad de aguas superficiales incluyen el establecimiento de localidad 36 de aguas de los receptores, aguas abajo del punto de descarga, mientras que las normas de limitación de vertidos establecen la calidad de las aguas residuales en su punto de vertido mismo. (Rmalho, 2003) Una desventaja de las normas de limitación de vertidos es que no establece controles sobre el total de cargas contaminantes vertidas en los receptores. (Rmalho, 2003) La norma de calidad seleccionadas depende de los usos del agua: algunas de estas incluyen. Concentración de oxígeno disuelto, DBO, DQO, pH, color, turbidez, dureza, solidos disueltos totales, sólidos en suspensión, concentración de productos tóxicos, olor, temperatura. (Rmalho, 2003) 2.2.9.1. Tratamiento Primario. El principal objetivo es la eliminación de sólidos gruesos por medios físicos o mecánicos de una parte sustancial del material sedimentable o flotante. El tratamiento primario es capaz de remover no solamente la materia que incomoda, sino también una fracción importante de la carga orgánica y que puede representar entre el 25% y el 40% de la DBO y entre el 50% y el 65% de los sólidos suspendidos, entre los tipos de tratamiento primario son: Sedimentación primaria, Flotación, Precipitación química, Filtros gruesos, Oxidación química, Coagulación, floculación, sedimentación y filtración. (Rojas, 2002) 2.2.9.2. Tratamiento Secundario. Su finalidad es la reducción de la materia orgánica presente en las aguas residuales una vez superadas las fases de pre-tratamiento y tratamiento primario, disminuir su contenido en nutrientes, eliminar los patógenos y parásitos. (Concepto 37 de Agua Residual, s.f.). 36 Según (Rojas, 2002), menciona que: Este proceso reduce o convierte la materia orgánica finamente dividida o disuelta en sólidos sedimentables floculentos que puedan ser separados por sedimentación en tanques de decantación; los procesos biológicos más utilizados son los lodos activados y filtros percoladores, son muchas las modificaciones de estos procesos que se utilizan para hacer frente a los requerimientos específicos de cada tratamiento, dentro de este grupo se incluyen a las lagunas de estabilización, así como el tratamiento anaeróbico. Los tratamientos biológicos aerobios tienen una eficiencia remocional de la DBO entre el 85% al 95%, y están compuestos por (Residual, s.f.): a) Filtración biológica b) Lodos activados c) Lagunas de Estabilización: Aerobia, Facultativa, Maduración. 2.2.9.2. Tratamiento Terciario. Tiene como objetivo la sustracción de algunas sustancias en particular que aún permanezca en las aguas que han salido del tratamiento secundario, las sustancias o compuestos comúnmente removidos son (Rojas, 2002): • Fósforo, nitrógeno, metales y minerales. • Huevos y quistes de parásitos. • Sustancias tenso activas. • Algas, bacterias y virus (desinfección). • Radionúclidos. • Sólidos totales y disueltos. • Temperatura 38 2.2.10. Tratamiento Anaerobio. El reactor de flujo ascensional y manto de lodos anaerobio concebido en inglés como UASB y en español como RAFA o PAMLA, es un proceso en el cual el agua residual se introduce por el fondo del reactor y fluye a través de un manto de lodos conformado por grano biológico o partículas de microorganismos. (Rmalho, 2003) El tratamiento anaerobio se utiliza tanto para las aguas residuales como para la digestión de lodos, dando un producto final de gases, principalmente metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y pequeñas cantidades de sulfuro de hidrógeno (H2S), mercaptano (RSH) e hidrógeno (H2), (Rmalho, 2003) El proceso comprende dos etapas: fermentación ácida y fermentación metánica. En la etapa de fermentación ácida, los compuestos orgánicos complejos del agua residual (proteínas, grasas e hidratos de carbono) se hidroliza para producir unidades moleculares menores, las cuales son sometidas a biooxidación, convirtiéndose en ácidos orgánicos de cadena corta, tales como acético (CH3 - COOH), propiónico (CH3CH2COOH) y butílico (CH3-CH2-CH2-COOH), efecto producido gracias a una población heterogénea de la bacterias facultativas y anaerobias. Además, no se produce una reducción importante de la DQO, ya que principalmente lo que ocurre es la conversión de las moléculas orgánicas complejas en ácidos orgánicos de cadena corta que ejercen también una demanda de oxígeno. (Ramalho, 1996, pág. 503) En la etapa de fermentación metánica, “microorganismos metagénicos” que son anaerobios, convierten los ácidos de cadenas más largas a metano, dióxido de carbono y ácidos orgánicos de cadenas más cortas. Las moléculas ácidas se rompen 39 repetidamente dando lugar al ácido acético que convierte en CO2 y CH4. (Ramalho, 1996, pág. 503) El grupo de bacterias facultativas y anaerobias responsable de la etapa de fermentación ácida tiene una velocidad de crecimiento más elevada que las bacterias metanogénicas responsables de la etapa de fermentación metánica. Como resultado, la etapa de fermentación ácida es relativamente rápida por lo que la etapa de fermentación metánica es la que controla la velocidad en los procesos anaeróbicos. (Ramalho, 1996, pág. 503) Ya que la fermentación metánica controla la velocidad del proceso, es importante mantener las condiciones de una fermentación metánica eficaz. El tiempo de residencia para los microorganismos metánicos deben ser el adecuado o si no son eliminados del sistema. (Ramalho, 1996, pág. 503) • Ventajas Las ventajas de un tratamiento anaerobio según (Ramalho, 1996, pág. 504) son las siguientes: 1. Ya que no se emplea equipo de aireación, se produce ahorro de coste de inmovilizado, así como de consumo energético en el tratamiento anaerobio. 2. El coeficiente de producción de biomasa Y para los procesos anaerobios es mucho menor que para los sistemas aerobios. 3. Esto significa que se produce menos biomasa por unidad de reducción de sustrato y en consecuencia se presentan ahorros considerables en los procesos de manejo y evacuación del exceso de lodo (purga). Esto significa también un menor requisito de nutrientes (nitrógeno y fósforo). 4. En los procesos anaerobios es posible operar a cargas orgánicas del afluente superior que para el caso de los procesos aerobios. Este hecho 40 resulta de la limitación de velocidad de la transferencia de oxígeno de los procesos aerobios. 5. La producción de metano en los procesos anaerobios es una ventaja debido a su valor como combustible. Una parte sustancial de la necesidad energética de los procesos anaerobios puede obtenerse de los gases emitidos. • Desventajas Las desventajas de un tratamiento anaeróbico según (Ramalho, 1996, pág. 504), son las siguientes: 1. Se necesitan mayores tiempos de residencia. En consecuencia, los costes de inversión en volumen de vasija son superiores en el tratamiento anaerobio. (Ramalho, 1996) 2. Los malos olores asociados a los procesos anaerobios, debido principalmente a la producción de H2S y mercaptanos, fundamentalmente en zonas urbanas. (Ramalho, 1996) 3. Se necesitan mayores temperaturas para asegurar que los procesos anaerobios se producen a velocidades razonables. Normalmente, la temperatura de los procesos anaerobios está alrededor de los 35ºC, loque significa que puede necesitarse el precalentamiento de la alimentación o el calentamiento del reactor anaerobio. Sin embargo, este requisito energético puede no ser una desventaja seria, si una parte sustancial puede suministrarse a partir del gas metano producido. (Ramalho, 1996) 4. La sedimentación de la biomasa anaerobia en el clarificador sario es más difícil que la decantación de la biomasa en el proceso de lodos activos. Esto significa que los costes de inversión para la clarificación 41 son superiores. Sin embargo, si el agua residual a tratar en el proceso anaerobio contiene una concentración elevada de sólidos en suspensión a los que pueda adherirse la biomasa, pueden conseguirse buenas condiciones de sedimentación en el clarificador secundario. Este es el caso de algunas aguas residuales industriales como las de las industrias de conservas de carne, mataderos, cerveza y conservas de pescado, a las que normalmente se aplica el tratamiento anaerobio. (Ramalho, 1996) 5. La operación de las unidades anaeróbicas es más difícil que las aerobias, siendo el proceso más sensible a las cargas de choque. (Ramalho, 1996) 2.2.11. Lagunas de Estabilización. Las lagunas de estabilización son cuerpos de agua creados artificialmente por el hombre. Las lagunas pueden utilizarse individualmente o vincularse en serie para mejorar el tratamiento. (Agua C. N., 2007) Aunque su operación es muy sencilla en comparación con otras tecnologías de tratamiento, varios sistemas de lagunas presentan problemas debido a deficiencias de diseño, la falta de mantenimiento y de operadores adecuadamente capacitados. (Agua C. N., 2007) Ventajas y desventajas Tabla 5: Ventajas y Desventajas de las Lagunas de Estabilización Ventajas Desventajas Resistente a variaciones en el caudal y carga orgánica aplicada Requiere de un terreno grande Alta reducción de sólidos, DBO y patógenos El costo de inversión puede ser muy alto, dependiendo del precio del terreno 42 Alta remoción de nutrientes si se combina con acuicultura Requiere experiencia en diseño y construcción Bajo costo de operación El lodo requiere adecuada remoción y tratamiento No requiere energía eléctrica Puede generar malos olores Fuente: (Agua C. N., 2007) Elaborado por: Kaleb Rodríguez 2.2.11.1. Tipos y Generalidades de las Lagunas. Hay tres tipos de lagunas: 1) anaerobias, 2) facultativas y 3) aerobias (maduración), cada una con características de diseño y tratamiento diferentes. Para dar un tratamiento más eficaz a las aguas residuales, las lagunas deben vincularse, en una serie de tres o más, con el efluente que sale de la laguna anaerobia a la laguna facultativa y, por último, a la laguna aerobia. La laguna anaerobia es la primera etapa del tratamiento y reduce la carga orgánica en las aguas residuales. La remoción de sólidos y DBO se produce por sedimentación y a través de la subsecuente digestión anaerobia dentro del lodo. Las bacterias anaerobias convierten el carbono orgánico en metano y, a través de este proceso, remueven hasta 60% de la DBO. (Agua C. N., 2007) En una serie de lagunas, el efluente de la laguna anaerobia se transfiere a la laguna facultativa, donde se remueve más DBO. La capa superior de la laguna recibe oxígeno, mientras que la capa más baja se priva de oxígeno y se vuelve anaerobia. Los sólidos sedimentables se acumulan y son digeridos en el fondo de la laguna. Los organismos anaerobios y aerobios trabajan juntos para lograr reducciones de DBO hasta de 75%. (Agua C. N., 2007) 43 A diferencia de las lagunas anaerobias y facultativas que están diseñadas para la remoción de la DBO, las lagunas aerobias están diseñadas para remover patógenos. Este tipo de laguna es menos profunda para permitir que la luz del sol penetre hasta el fondo para que se dé la fotosíntesis. Las algas fotosintéticas liberan oxígeno en el agua y, al mismo tiempo, consumen el dióxido de carbono producido por la respiración de bacterias. (Agua C. N., 2007) 1. Lagunas anaeróbicas Son las que reciben y degradan mayor cantidad de materia orgánica por acción de bacterias anaeróbicas, sin la presencia de oxígeno disuelto en el agua. El proceso de transformación de la materia puede generar olores. (Agua C. N., 2007) 2. Laguna aeróbica o de maduración La descomposición de materia orgánica se produce en un medio aeróbico, el oxígeno disuelto favorece el desarrollo y multiplicación de algas y bacterias necesarias para el proceso. Por este motivo el líquido de esta laguna es de color verde y sin olores. (Agua C. N., 2007) 3. Lagunas facultativas En estas lagunas se reúnen los dos procesos (aeróbicos y anaeróbicos). La zona superior, aeróbica, cubre a una zona inferior, anaeróbica. En la zona media se encuentran organismos facultativos que se adaptan a ambas situaciones. Se observa en su superficie abundante producción de oxígeno. (Agua C. N., 2007) 44 2.2.11.2. Consideraciones de Diseño. Una laguna anaerobia se construye a una profundidad de 2 a 5 m y tiene un tiempo de retención relativamente corto, de 1 a 7 días. Las lagunas facultativas deben construirse a una profundidad de entre 1 y 2.5 m y tener un tiempo de retención de 5 a 30 días. Las lagunas aeróbicas (de maduración) suelen tener entre 0.5 y 1.5 m de profundidad y un tiempo de retención de 5 a 20 días. Idealmente, se pueden construir varias lagunas aeróbicas en serie para proveer un alto nivel de eliminación de patógenos. Si se usa en combinación con algas o acuicultura, este tipo de laguna es eficaz para remover la mayoría de nitrógeno y fósforo del efluente. (Agua C. N., 2007) Para el diseño del sistema de tratamiento, se debe conocer el caudal a tratar, la temperatura del mes más frío, las concentraciones de contaminantes en el afluente, así como el objetivo de tratamiento (norma a cumplir). Esto permite determinar el volumen y área superficial de la laguna, así como el tiempo de retención hidráulica necesario. (Agua C. N., 2007) El pretratamiento es esencial para prevenir la formación de espuma e impedir que el exceso de sólidos y basura entre en las lagunas. Para remover sólidos flotantes grandes y arena se pueden colocar rejillas y/o desarenadores antes de que las aguas residuales lleguen a la laguna. (Agua C. N., 2007) Para proteger la laguna de la escorrentía y la erosión, debe construirse un bordo de protección alrededor de la laguna. Se puede construir con el material excavado si éste es de buena calidad. El bordo no debe tener un ancho menor a 3 metros para permitir el tránsito para la operación de la laguna. Puede ser necesario incorporar un filtro dentro del bordo para evitar que el agua infiltrada alcance a salir por el talud seco 45 del bordo. Además, las lagunas de estabilización deben cercarse para evitar la presencia de personas ajenas o animales. En las proximidades de la laguna deben estar disponibles embarcación, cuerdas y salvavidas para tomas de muestras y respuesta a emergencias. (Agua C. N., 2007) 2.2.11.3. Operación y Mantenimiento. La espuma que se acumula en la superficie de la laguna debe ser removida periódicamente. Las plantas acuáticas (macrófita) que crecen en la laguna y su litoral también deben sacarse, ya que pueden proporcionar un hábitat de cría para mosquitos, atraer roedores que pueden debilitar los bordos de la laguna e impedir que la luz penetre en la columna de agua. (Agua C. N., 2007) Las lagunas de estabilización producen efluentes y también lodos. La acumulación de lodo se debe a la materia orgánica digerida y a la arena que no es retirada por los desarenadores durante el pre-tratamiento. (Agua C. N., 2007) La laguna anaerobia debe ser desenlodada cuando los sólidos acumulados alcancen un tercio del volumen de la laguna, en general en un periodo entre2 a 5 años en las lagunas facultativas la remoción de lodo es menos frecuente; las lagunas de maduración casi nunca necesitan desenlodarse. (Agua C. N., 2007) La remoción de lodo puede hacerse por vía húmeda, utilizando una bomba de lodo montado en balsa, o por vía seca, pasando el efluente a otra unidad y dejando que el lodo que quede expuesto al aire se deje secar por evaporación. (Agua C. N., 2007) El primer método tiene el inconveniente de que los lodos todavía no son utilizables, por lo que solamente resulta conveniente cuando no se dispone de ninguna otra 46 unidad que reemplace a la laguna anaerobia durante la operación de limpieza. (Agua C. N., 2007) 2.3. Definición de Términos Básicos ● DQO (Demanda Química de Oxígeno) Cantidad de oxígeno (medido en mg/L) que es consumido en la oxidación de materia orgánica y materia inorgánica oxidable, bajo condiciones de prueba. Es usado para medir la cantidad total de contaminantes orgánicos presentes en aguas residuales. En contraposición al BOD, con el DQO prácticamente todos los compuestos son oxidados. (LennTech) ● DBO 5 La cantidad de oxígeno disuelto es consumida en cinco días por las bacterias que realizan la degradación biológica de la materia orgánica. (LennTech) ● DBO (Demanda Biológica de Oxígeno) La cantidad de oxígeno (medido en el mg/l) que es requerido para la descomposición de la materia orgánica por los organismos unicelulares, bajo condiciones de prueba. Se utiliza para medir la cantidad de contaminación orgánica en aguas residuales. Más información sobre DBO y el tratamiento de aguas residuales. (LennTech) ● Acuífero Una capa en el suelo que es capaz de transportar un volumen significativo de agua subterránea. (LennTech) ● Aerobio Un proceso que ocurre en presencia del oxígeno, tal como la digestión de la materia orgánica por las bacterias en una charca de oxidación. (LennTech) 47 ● Anaerobio Un proceso que ocurre en ausencia de oxígeno, tal como la digestión de la materia orgánica por las bacterias en un UASB reactor. (LennTech) ● Bacteria coliforme Bacteria que sirve como indicador de contaminantes y patógenos cuando son encontradas en las aguas. Estas son usualmente encontradas en el tracto intestinal de los seres humanos y otros animales de sangre caliente. (LennTech) ● Coloides Material de muy pequeño tamaño, en el rango de 10-5 a 10-7 de diámetro. (LennTech) ● Efluente La salida o flujos salientes de cualquier sistema que despacha flujos de agua, a un tanque de oxidación, a un tanque para un proceso de depuración biológica del agua, etc. Este es el agua producto dada por el sistema. (LennTech) ● Eutrofización Enriquecimiento del agua, la cual causa un crecimiento excesivo de plantas acuáticas e incrementa la actividad de microorganismos anaeróbicos. Como resultado los niveles de oxígenos disminuyen rápidamente y el agua se asfixia, haciendo la vida imposible para los organismos acuáticos aeróbicos. (LennTech) ● Flotación Proceso de separación sólido-líquido o líquido-líquido, el cual es aplicado para partículas cuya densidad es más pequeña que la densidad del líquido que las contiene. Hay tres tipos: flotación natural, ayudada e inducida. (LennTech) 48 ● Laguna Charca poco profunda donde los rayos del sol, ayudan a la acción de las bacterias, y el oxígeno trabaja para purificar el agua residual. (LennTech) ● Laguna aireada Un depósito para el tratamiento de aguas que acelera la descomposición biológica de la materia orgánica estimulando el crecimiento y la actividad de las bacterias, que son responsables de la degradación. (LennTech) ● Lodo activado Proceso biológico dependiente del oxígeno que sirve para convertir la materia orgánica soluble en biomasa sólida, que es eliminada por gravedad o filtración. (LennTech) ● Materia orgánica Sustancias de material de plantas y animales muertos, con estructura de carbono e hidrógeno. (LennTech) ● Microorganismos Organismos que son tan pequeños que sólo pueden ser observado a través del microscopio, por ejemplo, bacterias, fungi, levaduras, etc. (LennTech) ● pH El valor que determina si una sustancia es ácida, neutra o básica, calculado por el número de iones de hidrógeno presente. Es medido en una escala desde 0 a 14, en la cual 7 significa que la sustancia es neutra. Valores de pH por debajo de 7 indica que la sustancia es ácida y valores por encima de 7 indican que la sustancia es básica. (LennTech) 49 CAPÍTULO III Marco Metodológico 3.1. Tipo de Estudio El proyecto presenta un enfoque mixto: Cuantitativo: Se obtendrá datos medibles de los parámetros del agua residual, con el que se interpretará el estado inicial del agua con el que llega a la planta, y estado final con el que sale, así también en cada una de las etapas del tratamiento. Tendremos un proceso secuencial a lo largo del proyecto, que inicia en la observación de cada etapa, y culmina con el análisis de los datos obtenidos en laboratorio. Cualitativo: Con cada parámetro obtenido se plantea de forma analítica el estado de la planta de tratamiento, permitiendo formular en cada fase posibles hipótesis por la cual no funcione como debería de funcionar. Con cada hipótesis se plantea un plan de mejoramiento en caso de necesitarlo que permita a la planta de tratamiento trabajar de manera óptima. 3.2. Población, Muestra y Muestreo Población: Todas las aguas residuales domesticas de la ciudad de Babahoyo – Provincia de los Ríos Toda la población de la ciudad de Babahoyo – Provincia de los Ríos 50 Muestra: Todas las aguas residuales domésticas de la ciudad de Babahoyo – Provincia de los Ríos Muestreo: Planta de tratamiento EMSABA 3.3. Métodos, Técnicas e Instrumentos Se procedió a realizar varias visitas a la planta de tratamiento, y a través de la observación de cada una de las etapas, se planteó un criterio a primera vista del estado actual. Por medio de entrevistas al personal a cargo de la planta se pudo conocer datos importantes tal como la población servida, años de funcionamiento, hectáreas que ocupa, procesos de tratamientos, etc. Se concluyo extraer las muestras necesarias para realizar los ensayos pertinentes en una de las visitas que se realizó. 3.4. Plan de Procesamiento y Análisis Con los resultados de los ensayos se procede analizar cada uno de los parámetros con sus respectivas unidades; mg/L para el DBO y DQO, y NMP/100ml para los coliformes totales, Con graficas comparativas se analiza el porcentaje de remoción en cada etapa de la planta de tratamiento, y se procede a concluir su eficiencia en la actualidad. 51 3.5. Predimensionamiento de Lagunas de Estabilización 3.5.1. Cálculo de la Población Futura. Para determinar la población futura la norma vigente de SENAGUA, establece que se deben de utilizar al menos tres métodos reconocidos del cálculo de la población futura y sacar el promedio. Primordialmente se deben de contar con los datos de los censos de población y vivienda elaborados por el INEC en los últimos años. 3.5.1.1. Método Aritmético. Este método supone que el crecimiento poblacional es constante y por lo cual se debe obtener el promedio anual en años anteriores y aplicarlo para obtener la población futura (Terán, 2013), se utilizan las ecuaciones 2.1 y 2.2. 2.1 f = Pa + K (Tf − Ta) 2.2 K = Puc−Pci Tuc−Tci • Dónde: Tuc = Año del último censo Puc = P. del último censo Tci = Año del censo inicial Pci = P. del censo inicial K= Pendiente Pf = P. futura 3.5.1.2. Método Geométrico. Este método supone un incremento constante pero no en forma absoluta sino en porcentajes, por lo cual
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