RALCEA: Eje Calidad de Agua y Saneamiento

Curso Tecnologas de Tratamiento de Aguas Residuales para Reuso

Mdulo 1: Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales y Reuso

Tratamientos preliminares
Alvaro Mercado Guzman

Santa Cruz, agosto 2013

Tratamientos preliminares
Destinados a la preparacin de las aguas residuales
para su disposicin o tratamiento subsecuente.
Las unidades de tratamiento preliminar se pueden
constituir en:
a) Rejas.
b) Desarenadores.
c) Tanques desgrasadores.
d) Aireacin preliminar.
2

Tratamientos primarios

Los tratamientos primarios son complementarios

a los preliminares y pueden incluir:
a) Tanque sptico.
b) Tanque Imhoff.
c) Sedimentacin simple (primaria).
d) Precipitacin qumica y sedimentacin.
e) Digestin de lodos.
f) Lechos de secado.
g) Desinfeccin

Tratamiento preliminar

Concepto
El tratamiento preliminar es una de las etapas ms
importantes aunque casi siempre ignorado.
Esta destinado en general a evitar la capa flotante
y la saturacion de arena y sedimentos de los
procesos.
En los casos de Bolivia en general los
tratamientos preliminares se componen de rejillas
de barras y desarenadores

Cmaras de rejas
Son dispositivos formados por barras metlicas paralelas, del mismo
espesor e igualmente separadas. Se destinan a la remocion de
solidos gruesos en suspensin como cuerpos flotantes. Tienen la
finalidad de:
Proteger los dispositivos de transporte de aguas residuales contra la obstruccion
como ser bombas, cmaras de inspeccion, tuberias, piezas especiales, etc.
Proteccin de los equipos de tratamiento y aspecto estetico.

Dimensiones de las barras

BARRAS
TIPO DE REJILLAS
Rejas gruesas
Rejas medias
Rejas finas

ESPESOR
(Pulgadas)
1/2 - 3/8
5/16 3/8
1/4 - 5/16

ESPACIAMIENTO
(Centimetros)
4 10
24
1-2

Tipos de rejas

De acuerdo al tipo de limpieza pueden ser de limpieza manual y de

limpieza mecanizada.
Las rejillas de limpieza manual son usadas en instalaciones
pequeas, son de rejillas gruesas y de grandes espacios, pues no se
esperan grandes volumenes de slidos. Las rejillas de limpieza
mecanica se usan en grandes instalaciones con caudales del orden
de 250 l/s.
Inclinacin de las barras
Las barras de limpieza manual tienen una inclinacion general entre
45 y 60. Las rejillas se inclinan para evitar que el material
desprendido del rastrillo de limpieza se desprenda y retorne al canal.
Criterios de diseo de rejas de limpieza manual
Se dimensionan con el criterio de la velocidad adecuada en las rejas.
Con los caudales mximo horario.

Dimensionamiento de rejas de
limpieza manual
Area transversal
El area transversal total del canal (At) donde se ubicara la reja de barras, sera
determinado asumiendo la velocidad de flujo en el canal utilizando los criterios de
velocidades recomendados, posteriormente aplicando la ecuacion de continuidad.

At

Q max
V

El tirante en el canal de rejas sera

ha

At
b

Se recomienda un borde libre h0 entre 0,20 y 0.25 m

Pendiente del canal

La pendiente del canal debe de ser descendente en la direccin de circulacin a traves de la reja,,
asimismo es conveniente achaflanar las uniones de las paredes laterales. La pendiente del canal
ser determinada utilizando la ecuacin de Manning.
Vn

S
R 23
h

Rh

At
P

Longitud de las barras

La longitud de las barras depende del grado
ha
de inclinacin que tienen
Lb
sen
estas con la horizontal, y del tirante de
agua mximo del canal de reja de barras.
Clculo del nmero de barras
Siendo Nb el nmero de barras en la reja del canal y (Nb-1) el nmero de espacios, se puede
utilizar la siguiente ecuacin para determinar el nmero de barras:
Nb

b S1
e S1

Longitud del canal

El canal de acceso debe ser suficientemente largo para que se evite la turbulencia
junto a las barras. L=3.5 b
Prdidas de carga
Las perdidas de carga que se producen al circular el agua a traves de las rejas
dependen de la velocidad de aproximacion del agua (velocidad de flujo en el canal
donde se ubican las rejas) y de la velocidad de circulacion a traves del elemento, la
perdida de carga puede estimarse empleando la expresion conocida como la de
Metcalf & Eddy.
En general en sistemas manuales las prdidas no deben ser mayores a 15 cm.
2
1 Vc V 2

hf

0.7 2 g

Vc

Q max
Al

Al h a b N b e

Remocin y disposicion del material retirado

Debe ser retirado con rastrillos secado e incinerado.
Otros detalles
Se debe contar con un canal de derivacin para posibles
mantenimientos.
El ancho del canal es en general mayor que el canal de llegada
El largo del canal estara dado en general por la velocidad en el canal
multiplicada por un tiempo medio de 3s de retencin.
El fondo debe estar por lo menos 15 cm debajo del canal de llegada.

10

Desarenadores
Los desarenadores son unidades destinadas a
retener slidos inorgnicos como arena, cenizas
y grava, a los que se denomina generalmente
como arenas o partculas discretas, que por lo
general contienen las aguas residuales.

11

Tipos de desarenadores

12

Desarenador de flujo horizontal: Es el desrenador mas antiguo

empleado en el tratamiento de las aguas residuales con control de
velocidad. El agua circula a traves del elemento en direccion horizontal y
la velocidad de circulacion se controla por la propia geometria de la
unidad, con compuertas de distribucion especiales, y mediante la
adopcion de vertederos de secciones especiales a la salida del canal.
Desarenador aireado: Consiste en un tanque de aireacin de flujo
helicoidal en el que se induce una velocidad en espiral que se controla
por la propia geometria del tanque y por la cantidad de aire suministrada
a la unidad.
Desarenador de vortice: Consiste en un tanque cilindrico en el que el
agua entra siguiendo una direccion de flujo tangencial creando un flujo
en vortice: las fuerzas centrifugas y gravitatorias son las responsables
de la separacion de las arenas.

Desarenador de flujo horizontal

Los desarenadores de
flujo horizontal estan
compuestos por cuatro
partes, como se muestra
en la figura

13

Zona de entrada
La zona de transicion de entrada, la cual une el canal con el desarenador, tiene como funcion el
conseguir una distribucion uniforme de las lineas de flujo dentro de la unidad, uniformizando a su
vez la velocidad
Zona de desarenacion
Camara de sedimentacion, en la cual las particulas solidas caen al fondo por la accion de la
gravedad, debido a la disminucion de la velocidad producida por el aumento de la seccion.
Zona de salida
Conformado por un vertedero de rebose al final de la camara sobre el cual pasa el agua limpia
hacia el canal, las capas superiores son las que primero se limpian, es por esto que la salida del
agua desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible
debe trabajar con descarga libre. Diseado para mantener una velocidad que no altere el reposo
de la arena sedimentada, La velocidad lmite es 1 m/s., para evitar turbulencias.
Zona de depsito y eliminacion de la arena sedimentada
Constituida por una tolva con un gradiente del 2 al 6 % que permita el deslizamiento de la arena
hacia el canal de limpieza de los sedimentos, esta gradiente no se incluye en el tirante de
calculo, si no que el volumen adicional se lo toma como deposito para las arenas sedimentadas.

14

Criterios de diseo para

desarenadores de flujo horizontal
Nmero de unidades y "By-Pass"
Se deberian disear por lo menos dos desarenadores en paralelo cada uno
de ellos calculado para el caudal maximo horario. Una se mantiene en
operacin y la otra en stand by para realizar la limpieza de las arenas
removidas o su reparacion, los desarenadores son obligatorios en las
plantas que tienen sedimentadores y digestores (Tanques Imhoff, RAFA,
filtros biolgicos, etc.).
Velocidad de flujo en los desarenadores
En los canales de remocin de arena la velocidad recomendable es del
orden de 0.30 a 0.40 m/s, velocidades inferiores a 0.30 m/s causan la
deposicin simultnea de cantidades relativamente grandes de materia
orgnica, y velocidades mayores a 0.40 m/s causan el arrastre del material
sedimentado. Por esto se debe procurar controlar y mantener la velocidad
de flujo alrededor de 0,30 m/s.

15

Area de los desarenadores

Destinndose a la sedimentacin de partculas granulares discretas,
los desarenadores pueden ser dimensionados por la teora de
sedimentacin de Hazen. Como la experiencia indica que las
partculas de arena nocivas son las de tamao igual o superior a 0.2
mm, cuyo peso especfico es de 2.65 g/cm3 y velocidad de
sedimentacin del orden de 2.0 cm/s, se constata que los
desarenadores deben ser diseados con tasas de aplicacin de 600
a 1,200 m3/(m2.da). La norma nacional seala valores de tasas de
aplicacin de 700 a 1600 m3/(m2.da), estos valores permiten
determinar el rea necesaria para los desarenadores.

16

Profundidad de la lmina lquida

En los desarenadores de tipo "canal" la profundidad del agua para el
caudal mnimo, medio y mximo es determinada partindose de las
condiciones de funcionamiento del controlador de velocidad
(vertedero de salida). Cada vertedero tiene su ecuacin que
relaciona la altura del agua con el caudal.
Angulo de Transicion
El objetivo de estas obras, es reducir las perdidas de carga debidas
al cambio de seccin del canal o de la pendiente del mismos se
recomienda un ngulo de 1230en aquellas estructuras donde las
prdidas de carga deben reducirse al mnimo.

17

Diseo
Se debe considerar la velocidad de sedimentacin de la partcula, la
cual se supone que sigue la ley de stokes para partculas discretas

18

Tanque sptico

19

Uno de los principales objetivos del diseo del tanque sptico es crear
dentro de este una situacin de estabilidad hidrulica, que permita la
sedimentacin por gravedad de las
partculas pesadas. El material
sedimentado forma en la parte inferior del tanque sptico una capa de lodo,
que debe extraerse peridicamente. La eficiencia de la eliminacin de los
slidos por sedimentacin puede ser grande hasta 80%. Sin embargo, los
resultados dependen en gran medida del tiempo de retencin, los
dispositivos de entrada y salida y la frecuencia de extraccin de lodos
(perodo de limpieza del tanque sptico). Si llegan repentinamente al tanque
grandes cantidades de lquido, la concentracin de slidos en suspensin en
el efluente puede aumentar temporalmente, debido a la agitacin de los
slidos ya sedimentados.
La grasa, el aceite y tros materiales menos densos que flotan en la
superficie del agua formando una capa de espuma pueden llegar a
endurecerse considerablemente. El lquido pasa por el tanque sptico entre
dos capas constituidas por la espuma y los lodos.

La materia orgnica contenida en las capas de lodo y espuma es

descompuesta por bacterias anaerobias, y una parte considerable de ella se
convierte en agua y gases. Los lodos que ocupan la parte inferior del tanque
sptico se compactan debido al peso del
lquido y a los slidos que soportan. Por ello su volumen es mucho menor
que el de los slidos contenidos en las aguas servidas no tratadas que
llegan al tanque. Las burbujas de gas que suben a la superficie crean cierta
perturbacin en la corriente del lquido. La velocidad del proceso de
digestin aumenta con la temperatura, con el mximo alrededor de los 35C.
El empleo de desinfectantes en cantidades anormalmente grandes hace que
mueran las bacterias, inhibiendo as el proceso de digestin.
El lquido contenido en el tanque sptico experimenta transformaciones
bioqumicas, pero se tiene pocos datos sobre la destruccin de los agentes

20

patgenos.

21

Como el efluente de los tanques spticos es anaerobio y contiene

probablemente un elevado nmero de agentes patgenos, que son una fuente
potencial de infeccin, no debe usarse para regar cultivos ni descargarse
canales o aguas superficiales.
Ventajas
- Apropiado para comunidades rurales, edificaciones, condominios,
hospitales, etc.
- Su limpieza no es frecuente.
- Tiene un bajo costo de construccin y operacin.
-Mnimo grado de dificultad en operacin y mantenimiento si se cuenta con
infraestructura de remocin de lodos.
Desventajas
- De uso limitado para un mximo de 350 habitantes.
- Tambin de uso limitado a la capacidad de infiltracin del terreno que
permita disponer adecuadamente los efluentes en el suelo.
- Requiere facilidades para la remocin de lodos (bombas, camiones con
bombas de vacio, etc.).

Principios de diseo tanque

sptico

22

-Prever un tiempo de retencin de las aguas servidas, en el tanque sptico,

suficiente para la separacin de los slidos y la estabilizacin de los lquidos.
-Prever condiciones de estabilidad hidrulica para una eficiente
sedimentacin y flotacin de slidos.
- Asegurar que el tanque sea lo bastante grande para la acumulacin de los
lodos y espuma.
-Prevenir las obstrucciones y asegurar la adecuada ventilacin de los
gases.
Diseo de tanque sptico
a) Periodo de retencin hidrulica (PR, en das) VS=P*Q*PR (m3)
Donde:
P : Poblacin servida.
Q : Caudal de aporte unitario de aguas residuales, litros/(habitante * da).
El periodo de retencin mnimo es de 6 das.

23

b) Volumen requerido para la sedimentacin (Vs, en m3)

c) Volumen de digestin y almacenamiento de lodos (Vd, en m3)
Vd=70*P*N/1000
Donde:
N: Intrvalo deseado en aos, entre operaciones sucesivas de remocin de lodos.
d) Volumen de lodos producidos
La cantidad de lodos producidos por habitante y por ao, depende de la temperatura
ambiental y de la descarga de residuos de la cocina. Los valores a considerar son:
Clima calido
40 litros/habxao
Clima fri
50 litros/habxao
En caso de descargas de lavaderos u otros aparatos sanitarios instalados en
restaurantes y similares, donde exista el peligro de introducir cantidad suficiente de
grasa que afecte el buen funcionamiento del sistema de evacuacin de las aguas
residuales, a los valores anteriores se le adicionara el valor de 20 litros/habxao.
e) Volumen de natas
Como valor se considera un volumen mnimo de 0,7 m3

f) Profundidad mxima de espuma sumergida (He, en m)

He=0.7/A
Donde:
A: rea superficial del tanque sptico en m2
g) Profundidad libre de espuma sumergida
Distancia entre la superficie inferior de la capa de espuma y el nivel inferior
de la Tee de salida o cortina deflectora del dispositivo de salida del tanque
sptico, debe tener un valor mnimo de 0,10 m.
h) Profundidad libre de lodo (Ho, en m)
Ho=0.82-0.26*Ai) Profundidad mnima requerida para la sedimentacin (Hs,
en m)
Hs=Vs/A

24

j) Profundidad de espacio libre (Hl, en metros)

Comprende la superficie libre de espuma sumergida y la profundidad de
lodos.
Seleccionar el mayor valor, comparando la profundidad del espacio libre
mnimo total (0,1+Ho) con la profundidad mnima requerida para la
sedimentacin (Hs).
k) Profundidad neta del tanque sptico.
La suma de las profundidades de natas,
sedimentacin, almacenamiento de lodos
y la profundidad libre de natas sumergidas.

25

26

Dimensiones internas de un tanque

sptico

27

a) Entre el nivel superior de natas y la superficie inferior de la losa de

cubierta deber quedar un espacio libre de 300 mm, como mnimo.
b) El ancho del tanque deber ser de 0,60 m, por los menos, ya que ese es
el espacio ms pequeo en que puede trabajar una persona durante la
construccin o las operaciones de limpieza.
c) La profundidad neta no deber ser menor a 0,75 m.
d) La relacin entre el largo y ancho deber ser como mnimo de 2:1.
e) En general, la profundidad no deber ser superior a la longitud total.
f) El dimetro mnimo de las tuberas de entrada y salida del tanque sptico
ser de 100mm (4).
g) El nivel de la tubera de salida del tanque sptico deber estar situado a
0,05m por debajo de la tubera de entrada.
h) Los dispositivos de entrada y salida de agua residual al tanque sptico
estarn constituidos por Tees o pantallas.

28

i) Cuando se usen pantallas, stas debern estar distanciadas de las paredes del
tanque a no menos de 0,20 m ni mayor a 0,30 m.
j) La prolongacin de los ramales del fondo de las Tees o pantallas de entrada o
salida, sern calculadas por la frmula (0,47/A+0,10).
k) La parte superior de los dispositivos de entrada y salida debern dejar una luz libre
para ventilacin de no ms de 0,05 m por debajo de la losa de techo del tanque
sptico.
l) Cuando el tanque tenga ms de un compartimiento, las interconexiones entre
compartimiento consecutivos se proyectaran de tal manera que evite el paso de natas
y lodos.
m) Si el tanque sptico tiene un ancho W, la longitud del primer compartimiento debe
ser 2W y la del segundo W.
n) El fondo de los tanques tendr una pendiente de 2% orientada al punto de ingreso
de los lquidos.
o) El techo de los tanques spticos deber estar dotado de losas removibles y
registros de inspeccin de 150 mm de dimetro.

29

Consideraciones a un tanque spticos con compartimientos

a) El nmero de compartimientos no deber ser mayor a cuatro y cada uno
deber tener un largo de 0,60 m como mnimo.
b) El tanque sptico puede estar dividido por tabiques, si el volumen es
mayor a 5 m3.
c) Cuando el tanque sptico tenga dos o ms compartimientos, el primer
compartimiento deber tener un volumen entre 50% y 60% de
sedimentacin, asimismo las subsiguientes compartimientos entre 40% a
50% de volumen de sedimentacin.
d) En el primer compartimiento pueden tener lugar la mayor parte de los
procesos de sedimentacin y digestin, en cuyo caso slo pasaran al
segundo algunos materiales en suspensin. De este modo cuando llegan
repentinamente al tanque sptico grandes cantidades de aguas servidas, si
bien la eficiencia de sedimentacin se reduce, los efectos son menores en el
segundo compartimiento.

Tanque Imhoff
El tanque imhoff es una unidad de tratamiento primario cuya finalidad es la
remocin de slidos suspendidos.
Para comunidades de 5000 habitantes o menos, los tanques imhoff ofrecen
ventajas para el tratamiento de aguas residuales domsticas, ya que
integran la sedimentacin del agua y a digestin de los lodos sedimentados
en la misma unidad, por ese motivo tambin se les llama tanques de doble
cmara.
Los tanques imhoff tienen una operacin muy simple y no requieren de
partes mecnicas; sin embargo, para su uso concreto es necesario que las
aguas residuales pasen por los procesos de tratamiento preliminar de
cribado y remocin de arena.

30

El tanque imhoff tpico es de forma rectangular y se divide en tres

compartimentos:
- Cmara de sedimentacin.
- Cmara de digestin de lodos.
- rea de ventilacin y acumulacin de natas.

Durante la operacin, las aguas residuales fluyen a travs de la camara de

sedimentacin, donde se remueven gran parte de los slidos sedimentables,
estos resbalan por las paredes inclinadas del fondo de la cmara de
sedimentacin pasando a la cmara de digestin a travs de la ranura con
traslape existente en el fondo del sedimentador.
El traslape tiene la funcin de impedir que los gases o partculas
suspendidas de slidos, producto de la digestin, interfieran en el proceso
de la sedimentacin. Los gases y partculas ascendentes, que
inevitablemente se producen en el proceso de digestin, son desviados
hacia la cmara de natas o rea de ventilacin.

31

32

Ventajas
-Contribuye a la digestin de lodo, mejor que en un tanque sptico, produciendo
un lquido residual de mejores caractersticas.
- No descargan lodo en el lquido efluente, salvo en casos excepcionales.
- El lodo se seca y se evaca con ms facilidad que el procedente de los tanques
spticos, esto se debe a que contiene de 90 a 95% de humedad.
- Las aguas servidas que se introducen en los tanques imhoff, no necesitan
tratamiento preliminar, salvo el paso por una criba gruesa y la separacin de las
arenillas.
- El tiempo de retencin de estas unidades es menor en comparacin con las
lagunas.
- Tiene un bajo costo de construccin y operacin.
-Para su construccin se necesita poco terreno en comparacin con las lagunas
de estabilizacin.
Son adecuados para ciudades pequeas y para comunidades donde no se
necesite una atencin constante y cuidadosa, y el efluente satisfaga ciertos
requisitos para evitar la contaminacin de las corrientes.

Desventajas
- Son estructuras profundas (>6m).
-Es difcil su construccin en arena fluida o en roca y deben tomarse
precauciones cuando el nivel fretico sea alto, para evitar que el tanque
pueda flotar o ser desplazado cuando est vaci.
-El efluente que sale del tanque es de mala calidad orgnica y
microbiolgica.
-En ocasiones puede causar malos olores, aun cuando su funcionamiento
sea correcto

33

Cabe resaltar que esta alternativa resulta adecuada en caso no se cuente

con grandes reas de terreno para poder construir un sistema de tratamiento
de aguas residuales domsticas, como es el caso de las lagunas de
estabilizacin, adems de que el tanque imhoff deber esta instalado alejado
de la poblacin, debido a que produce malos olores.
El tanque imhoff elimina del 40 al 50% de slidos suspendidos y reduce la
DBO de 25 a 35%. Los lodos acumulados en el digestor del tanque imhoff se
extraen peridicamente y se conducen a lechos de secados.
Debido a esta baja remocin de la DBO y coliformes, lo que se
recomendara es enviar el efluente hacia una laguna facultativa para que
haya una buena remocin de microorganismos en el efluente.

34

El tanque imhoff tpico es de forma rectangular y se divide en tres

compartimientos:
a) Cmara de sedimentacin.
b) Cmara de digestin de lodos.
c) rea de ventilacin y cmara de natas.

35

Diseo del sedimentador

Caudal de diseo (m3/hora)
Qp= Poblacion *dotacion * %contribucion /1000
Dotacion l/h/d
Area del sedimentador As m2
As=Qp/Cs
Cs: carga superficial 1 m3/(m2*hora)
Volumen del sedimentador (Vs en m3)
Vs= Qp*R
R: Retencin hidraulica entre 1.5 y 2.5 horas

36

Diseo del digestor

Volumen de almacenamiento y digestin (Vd, en m3).
Para el compartimiento de almacenamiento y digestin de lodos (cmara inferior) se
tendr en cuenta la siguiente ecuacin:
Vd= 70*P*fcr/1000
Fcr: factor de capacidad relativa entre 0.5 y 2 dependiendo de la temperatura
P: poblacin
Tiempo requerido para digestin de lodos
El tiempo requerido para la digestin de lodos varia con la temperatura, para esto se
emplear la Tabla

37

Temperatura

Tiempo de
digestin en
das

110

10

76

15

55

20

40

>25

30

38

Frecuencia del retiro de lodos

Los lodos digeridos debern retirarse peridicamente, para estimar la
frecuencia de retiros de lodos se usarn los valores consignados en la tabla
anterior
La frecuencia de remocin de lodos deber calcularse en base a estos
tiempos referenciales, considerando que existir una mezcla de lodos
frescos y lodos digeridos; estos ltimos ubicados al fondo del digestor. De
este modo el intrvalo de tiempo entre extracciones de lodos sucesivas
deber ser por lo menos el tiempo de digestin a excepcin de la primera
extraccin en la que se deber esperar el doble de tiempo de digestin.
Extraccin de lodos
- El dimetro mnimo de la tubera para la remocin de lodos ser de 200
mm y deber estar ubicado 15 cm por encima del fondo del tanque.
Para la remocin se requerir de una carga hidrulica mnima de 1,80 m.

39

Dispositivos de medicin de
caudales

40

Tipos de dispositivos
Existen varios, sin embargo los ms usados son los
medidores del tipo Parshall, vertederos rectangulares y
triangulares
Los dispositivos son indispensables tanto a la salida
como a la entrada. En general el dispositivo de medicin
de caudal de entrada es el canal Parshall.
Los medidores rectangulares o triangulares se instalan
casi siempre en las salidas de las plantas de tratamiento
ya que en general no hay solidos que puedan interferir en
su funcionamiento.

Ventajas de los dispositivos

medidores de caudal
Son dispositivos con costo muy bajo en relacin al costo
total de la construccin pero proporcionan datos
importantes.
Determinan los caudales que pueden ayudar a
determinar cuando el sistema esta sobrecargado.
Es la nica manera de verificar si el sistema esta
perdiendo volumen por infiltracion y /o evaporacin.
Cuando las mediciones se relacionan al DBO y DQO,
indican la eficiencia del tratamiento.

41