Tratamiento biológico de aguas residuales: Principios, modelación y diseño

En las últimas decadas, el conocimiento y entendimiento del tratamiento de aguas residuales ha avanzado extensamente evolucionando de enfoques basados en procedimientos meramente empíricos a enfoques con principios básicos que abarcan la química, microbiología, física, ingeniería de procesos y matemáticas. La gran mayoría de estos avances han madurado a tal grado que han sido codificados en modelos matemáticos para su simulación en computadoras. Para una nueva generación de jóvenes científicos e ingenieros que ingresan al área del tratamiento de aguas residuales, la cantidad, complejidad y diversidad de estos nuevos desarrollos puede ser abrumador, particularmente en países en vías de desarrollo donde no existe un fácil acceso a cursos avanzados de postgrado en tratamientos de aguas residuales. Este libro tiene como objetivo resolver esta deficiencia ya que compila e integra el material de diversos cursos de postgrado de más de una docena de grupos de investigación de todo el mundo que han hecho contribuciones significativas para el desarrollo del tratamiento de aguas residuales. Cabe resaltar que la edición en inglés del presente libro, forma parte de un plan de estudios en tratamiento biológico de aguas residuales que incluye: Resúmenes de las presentaciones y clases de los temas cubiertos en el libro Videos de las clases de los profesores autores de los capítulos del libro Ejercicios de auto-aprendizaje para los participantes en los cursos Al término del plan de estudios antes mencionado, los últimos avances en modelación y simulación de la operación y diseño de los sistemas de tratamiento de aguas residuales (ya sean lodos activados, procesos de remoción biológica de nitrógeno y fósforo, clarificadores secundarios o sistemas de biopelículas) pueden ser abordados con mayor profundidad, conocimientos más avanzados y mayor confianza. Cubrir Tabla de Contenido 1. Desarrollo del Tratamiento de Aguas Residuales 1.1 FACTORES MUNDIALES PARA EL SANEAMIENTO 1.2 HISTORIA DEL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES REFERENCIAS AGRADECIMIENTOS 2. Metabolismo Microbiano 2.1 INTRODUCCIÓN 2.2 ELEMENTOS DE MICROBIOLOGIA 2.2.1 Clasificación de los Microrganismos 2.2.2 Estructura de la célula y componentes 2.2.3 Funciones de las bacterias 2.2.4 Caracterización de las bacterias 2.2.4.1 Hibridación fluorescente in situ 2.2.4.2 Reacción de polimerasa en cadena y la electroforesis en gel con gradiente desnaturalizante 2.2.5 Bionergética bacteriana 2.2.6 Requerimientos nutricionales para el crecimiento microbiano 2.2.7 Fuentes de carbono y energía y la diversidad microbiana 2.2.8 Condiciones ambientales (oxígeno, temperatura, toxicidad) 2.2.8.1 Oxígeno 2.2.8.2 Temperatura 2.3 ESTEQUIOMETRÍA Y ENERGÉTICA 2.3.1 Demanda Química de Oxígeno Teórica (DQOt) y los equivalentes de electrones 2.3.2 Crecimiento celular 2.3.3 Rendimiento y energía 2.3.3.1 Energía del catabolismo 2.3.3.2 Fracción de síntesis y rendimiento de biomasa 2.3.3.3 Rendimiento observado de la estequiometría 2.3.3.4 Estimación del rendimiento verdadero a partir de la bioenergética A. Reacción que proporciona energía (catabolismo) B. Energía requerida para síntesis de células (anabolismo) C. Energía total para la reacción de crecimiento (metabolismo) D. Rendimiento verdadero (Y) 2.3.3.5 Ejemplo: Estimar el rendimiento verdadero a partir de la bioenergética para la oxidación aerobia de glucosa con amoníaco como fuente de nitrógeno A. Reacción que proporciona energía (catabolismo) B. Energía requerida para síntesis de células (anabolismo) C. Energía total para la reacción de crecimiento (metabolismo) D. Rendimiento verdadero en unidades de masa 2.4 CINÉTICA 2.4.1 Tasa de utilización de sustrato 2.4.1.1 Función de saturación 2.4.1.2 Función de inhibición 2.4.2 Tasa de crecimiento 2.4.3 Valores de parámetros estequiométricos y cinéticos REFERENCIAS NOMENCLATURA ABREVIACIONES SÍMBOLOS 3. Caracterización de las Aguas Residuales 3.1 EL ORIGEN DE LAS AGUAS RESIDUALES 3.2 CONTAMINANTES EN AGUAS RESIDUALES 3.3 DBO Y DQO 3.4 PERSONA EQUIVALENTE Y CARGA POR HABITANTE 3.5 COMPONENTES PRINCIPALES 3.6 COMPONENTES ESPECIALES 3.7 MICROORGANISMOS 3.8 AGUAS RESIDUALES ESPECIALES Y CORRIENTES INTERNAS RECICLABLES DE LAS PLANTAS 3.9 RELACIÓN ENTRE CONTAMINANTES 3.10 VARIACIONES 3.11 CAUDALES DE AGUAS RESIDUALES 3.12 RESIDUOS GENERADAS EN LOS HOGARES 3.13 DISEÑO DE AGUAS RESIDUALES APLICADO A LOS HOGARES 3.14 AGUAS RESIDUALES Y LAS FRACCIONES DE BIOMASA 3.15 LISTA DE SÍMBOLOS DE LAS VARIABLES PARA LOS MODELOS 3.16 PROTOCOLOS DE CARACTERIZACIÓN 3.17 EJEMPLO DE COMPOSICIÓN DE UN AFLUENTE, BIOREACTOR Y EFLUENTE 3.18 LA HUELLA DE LAS AGUAS RESIDUALES REFERENCIAS 4. Remoción de Materia Orgánica 4.1 INTRODUCCIÓN 4.1.1 Transformaciones en un reactor biológico 4.1.2 Modelos de estado estacionario y modelos de simulación dinámica 4.2 CONDICIONES OPERATIVAS DE UN SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS 4.2.1 Regímenes de mezclado 4.2.2 Tiempo de retención de sólidos (TRS) 4.2.3 Tiempo de retención hidráulico nominal (TRHn) 4.2.4 Relación entre la edad de lodos y el tiempo de retención hidráulico 4.3 SIMPLIFICACIONES DEL MODELO 4.3.1 Utilización completa de la materia orgánica biodegradable 4.4 ECUACIONES DEL SISTEMA EN ESTADO ESTACIONARIO 4.4.1 Para el afluente 4.4.2 Para el sistema 4.4.2.1 Masa de sólidos suspendidos volátiles (SSV) en el reactor 4.4.2.2 Masa de sólidos suspendidos inorgánicos (SSI) en el Reactor 4.4.2.3 Masa de SST en el reactor 4.4.2.4 Demanda carbonácea de oxígeno 4.4.3 Volumen del reactor y tiempo de retención 4.4.4 Irrelevancia del TRH 4.4.5 Concentración de DQO en el efluente 4.4.6 Balance de masa de la DQO (o balance de electrones) 4.4.7 Fracción activa de lodos 4.4.8 Diseño en estado estacionario 4.4.9 Procedimiento de diseño en estado estacionario 4.5 EJEMPLO DE DISEÑO 4.5.1 Efectos de la temperatura 4.5.2 Cálculos para la degradación de materia orgánica 4.5.3 Balance de masa de la DQO 4.6 REQUERIMIENTOS DE VOLUMEN DEL REACTOR 4.7 DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES (SST) 4.7.1 Costo del reactor biológico 4.7.2 Costo del clarificador secundario 4.7.3 Costo total 4.8 DEMANDA CARBONACEA DE OXÍGENO 4.8.1 Condiciones de estado estacionario (promedios diarios) 4.8.2 Condiciones cíclicas (dinámicas) diarias 4.9 PRODUCCIÓN DIARIA DE LODOS 4.10 DISEÑO Y CONTROL DEL SISTEMA 4.10.1 Sistema controlado por la masa de lodos 4.10.2 Sistema controlado por la edad de lodos (Control Hidráulico) 4.11 SELECCIÓN DE LA EDAD DE LODOS 4.11.1 Edad de lodos baja (1 a 5 días) 4.11.1.1 Plantas convencionales 4.11.1.2 Lagunas aireadas 4.11.2 Edad de lodos intermedia (10 a 15 días) 4.11.3 Edad de lodos alta (20 días o más) 4.11.3.1 Plantas aerobias 4.11.3.2 Plantas aerobias-anóxicas 4.11.3.3 Plantas anaerobias-anóxicas-aerobias 4.11.4 Factores predominantes aplicados al dimensionamiento de un sistema de lodos activados 4.11.5 Comentarios generales REFERENCIAS NOMENCLATURA ABREVIACIONES 5. Remoción Biológica de Nitrógeno 5.1 INTRODUCCIÓN A LA NITRIFICACIÓN 5.2 CINÉTICA DE LA NITRIFICACIÓN 5.2.1 Crecimiento 5.2.2 Cinética del crecimiento 5.2.3 Respiración endógena 5.3 CINÉTICA DEL PROCESO 5.3.1 Concentración de amonio en el efluente 5.4 FACTORES QUE AFECTAN EL PROCESO DE NITRIFICACIÓN 5.4.1 Características del afluente 5.4.2 Temperatura 5.4.3 Zonas no aireadas 5.4.3.1 Fracción máxima permisible de masa no aireada 5.4.4 Concentración de oxígeno disuelto (OD) 5.4.5 Caudales y cargas cíclicas 5.4.6 pH y alcalinidad 5.5 REQUERIMIENTOS DE NUTRIENTES PARA LA PRODUCCIÓN DE LODOS 5.5.1 Requerimientos de nitrógeno 5.5.2 Remoción de N (y P) por medio de la producción de lodos 5.6 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 5.6.1 Concentración de NTK en el efluente 5.6.2 Capacidad de nitrificación 5.7 EJEMPLO DE DISEÑO DE UN SISTEMA CON NITRIFICACIÓN 5.7.1 Efecto de la nitrificación en el pH del licor mezclado 5.7.2 Edad de lodos mínima requerida para nitrificación 5.7.3 Concentración de N en el agua residual cruda 5.7.4 Concentración de N en el agua residual clarificada 5.7.5 Comportamiento del proceso de nitrificación 5.8 REMOCIÓN BIOLÓGICA DE NITRÓGENO MEDIANTE DESNITRIFICACIÓN HETERÓTROFA 5.8.1 Interacción entre la nitrificación y la remoción de nitrógeno 5.8.2 Beneficios de la desnitrificación 5.8.3 Remoción de nitrógeno por medio de la desnitrificación 5.8.4 Cinética de la desnitrificación 5.8.5 Sistemas de desnitrificación 5.8.5.1 El sistema de Ludzack-Ettinger 5.8.5.2 El sistema Bardenpho de 4 etapas 5.8.6 Tasas de desnitrificación 5.8.7 Potencial de desnitrificación 5.8.8 Fracción de masa anóxica primaria mínima 5.8.9 Influencia de la desnitrificación en la demanda de oxígeno y en el volumen del reactor 5.9 DESARROLLO Y DEMOSTRACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO 5.9.1 Revisión de los cálculos previos 5.9.2 Selección de la fracción de la masa de lodos no aireada 5.9.3 Desempeño de sistema MLE para desnitrificación 5.9.3.1 Relación de recirculación del licor mezclado (a) óptima 5.9.3.2 Sistema MLE balanceado 5.9.3.3 Efecto de la relación de concentración de NTK/DQO en el afluente 5.9.3.4 Diagrama de sensibilidad del sistema MLE 5.10 VOLUMEN DEL SISTEMA Y DEMANDA DE OXÍGENO 5.10.1 Volumen del sistema 5.10.2 Demanda diaria total promedio de oxígeno 5.11 DISEÑO, OPERACIÓN Y CONTROL DEL SISTEMA REFERENCIAS NOMENCLATURA 6. Remoción Innovadora de Nitrógeno 6.1 INTRODUCCIÓN 6.2 IMPACTO DE LOS PROCESOS EN LÍNEAS SECUNDARIAS 6.3 EL CICLO DEL NITRÓGENO 6.4 ELIMINACIÓN DE N MEDIANTE NITRITO 6.5 OXIDACIÓN ANAEROBIA DE AMONIO 6.6 BIO-AUMENTACIÓN 6.7 CONCLUSIONES REFERENCIAS NOMENCLATURA 7. Remoción Biológica Aumentada de Fósforo 7.1 INTRODUCCIÓN 7.2 PRINCIPIOS DE LA REMOCIÓN BIOLÓGICA AUMENTADA DE FÓSFORO (EBPR) 7.3 MECANISMO DE LOS SISTEMAS DE EBPR 7.3.1 Antecedentes 7.3.2 Microorganismos para la remoción biológica de P 7.3.3 Prerequisitos 7.3.4 Observaciones 7.3.5 Mecanismo de remoción biológica de P 7.3.5.1 En el reactor anaerobio 7.3.5.2 En el reactor aerobio subsecuente 7.3.5.3 Modelo cuantitativo anaerobio-aerobio de PAO 7.3.6 DQO fermentable y DQO lentamente biodegradable 7.3.7 Funciones de la zona anaerobia 7.3.8 Influencia de la recirculación del oxígeno y el nitrato en el reactor anaerobio 7.3.9 Desnitrificación realizado por PAOs 7.3.10 Relación entre DQO afluente y lodo 7.4 OPTIMIZACIÓN Y DESARROLLO DE SISTEMAS CON EBPR 7.4.1 Principios para la optimización de EBPR 7.4.2 Descubrimiento 7.4.3 Sistema PhoStrip® 7.4.4 Bardenpho Modificado 7.4.5 Sistemas Phoredox o anaerobio/óxico (A/O) 7.4.6 Efecto del nitrato en sistemas EBPR 7.4.7 Sistema de la Universidad de La Ciudad del Cabo (UCT; VIP) 7.4.8 Sistema UCT Modificado 7.4.9 Sistema Johannesburgo (JHB) 7.4.10 Remoción biológica-química de fósforo (sistema BCFS®) 7.5 DESARROLLO DE UN MODELO PARA SISTEMAS CON EBPR 7.5.1 Primeros desarrollos 7.5.2 DQO rápidamente biodegradable 7.5.3 Modelo paramétrico 7.5.4 Comentarios sobre el modelo paramétrico 7.5.5 Cinética de los sistemas con NDEBPR 7.5.6 Cultivos enriquecidos de PAOs 7.5.6.1 Desarrollo de un cultivo enriquecido 7.5.6.2 Modelo cinético de los cultivos enriquecidos 7.5.6.3 Modelo simplificado de cultivos enriquecidos en estado estacionario 7.5.7 Cultivos mixtos en estado estacionario de sistemas con NDEBPR 7.5.7.1 Modelo de cultivos mixtos en estado estacionario 7.5.8.2 Incorporación de aspectos de la desnitrificación en modelos para cultivos mixtos en estado estacionario 7.6 MODELO DE CULTIVOS MIXTOS EN ESTADO ESTACIONARIO 7.6.1 Principios del modelo 7.6.2 Ecuaciones másicas 7.6.2.1 PAOs 7.6.2.2 OHOs 7.6.2.3 Masa inerte 7.6.3 División de DQO biodegradable entre PAOs y OHOs 7.6.3.1 Cinética de conversión de orgánicos fermentables a AGVs 7.6.3.2 Efecto de la recirculación de nitrato u oxígeno 7.6.3.3 Ecuaciones de conversión en condiciones de estado estacionario 7.6.3.4 Implicaciones de la teoría de conversión 7.6.4 Liberación de P 7.6.5 Remoción de P y concentración en el efluente de P total 7.6.6 Masa de lodos como SSV y SST, y contenido de P en los SST 7.6.6.1 Masa de lodo SSV 7.6.6.2 Masa de lodo SSF 7.6.6.2 Masa de lodos (SST) y relación de SSV/SST 7.6.6.3 Contenido de P en los SST 7.6.7 Requerimiento de volumen de proceso 7.6.8 Requerimientos de nitrógeno para la producción de lodo 7.6.9 Demanda de oxígeno 7.6.9.1 Demanda carbonácea de oxígeno Demanda de oxígeno para PAOs Demanda de oxígeno por OHOs Demanda total de oxígeno 7.6.9.2 Demanda de oxígeno para nitrificación 7.6.9.3 Demanda total de oxígeno 7.7 EJEMPLO DE DISEÑO 7.7.1 Procedimiento para un diseño en condiciones estacionarias 7.7.2 Información base 7.7.3 Cálculos 7.8 INFLUENCIA DE LA EBPR EN EL SISTEMA 7.8.1 Influencia en los sólidos suspendidos totales y volátiles, y en la demanda de oxígeno 7.8.2 Relación P/SSV 7.9 FACTORES QUE AFECTAN LA MAGNITUD DE LA REMOCIÓN DE P 7.9.1 Descarga nula de nitrato y oxígeno al reactor anaerobio 7.9.1.1 Edad del lodo y fracción de masa de lodo anaerobio 7.9.1.2 DQO afluente 7.9.1.3 Subdivisión de fAN 7.9.1.4 Agua residual afluente clarificada y no clarificada 7.9.1.5 TRS aerobio mínimo requerido para una buena EBPR 7.9.2 Influencia de la fracción DQOrb afluente 7.9.3 Influencia de la recirculación de nitrato y oxígeno en el reactor anaerobio 7.9.4 Influencia de la temperatura en sistemas con EBPR 7.9.4.1 Efecto de la temperatura en la fisiología de la EBPR 7.9.4.2 Estudios de procesos y ecología molecular 7.10 DESNITRIFICACIÓN EN SISTEMAS CON NDEBPR 7.10.1 Antecedentes 7.10.2 Desnitrificación potencial en sistemas con NDEBPR 7.10.2.1 Desnitrificación potencial en el reactor anóxico primario 7.10.3.2 Desnitrificación potencial del reactor anóxico secundario 7.10.3 Principios del procedimiento de diseño de desnitrificación para sistemas con NDEBPR 7.10.4 Analisis de la desnitrificación en sistemas con NDEBPR 7.10.4.1 Sistema UCT 7.10.5 Máxima concentración de nitrato recirculado al reactor anaerobio 7.11 ORGANISMOS ACUMULADORES DE GLUCÓGENO (GAOS) 7.12 CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS REFERENCIAS AGRADECIMIENTOS NOMENCLATURA 8. Eliminación de Patógenos 8.1 INTRODUCCIÓN 8.2 TIPOS DE PATÓGENOS ENTÉRICOS 8.2.1 Virus 8.2.2 Bacterias 8.2.3 Protozoarios 8.2.4 Helmintos 8.3 PRESENCIA DE AGENTES PATÓGENOS EN LAS AGUAS RESIDUALES 8.3.1 Organismos indicadores 8.3.2 Indicadores bacterianos 8.3.3 Bacteriófagos como indicadores 8.3.4 Normas y criterios para los indicadores 8.4 ELIMINACIÓN DE PATÓGENOS E INDICADORES POR PROCESOS DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES 8.4.1 Lagunas 8.4.2 Filtros percoladores 8.4.3 Lodos activados 8.4.4 Biorreactores de membrana 8.4.5 Reactores anaeróbicos 8.4.6 Humedales naturales y artificiales 8.4.7 Tratamiento en suelos 8.4.8 Tanques sépticos 8.4.9 Tratamiento terciario 8.4.10 Desinfección 8.4.11 Desinfección por cloro 8.4.12 Ozono 8.4.13 Desinfección con luz ultravioleta 8.5 CONCLUSIONES REFERENCIAS NOMENCLATURA 9. Aireación y Mezclado 9.1 LA TECNOLOGÍA DE AIREACIÓN 9.1.1 Introducción 9.1.2 Aireadores superficiales 9.1.3 Sistemas de burbuja gruesa 9.1.4 Sistemas de burbuja fina 9.2 SOPLADORES DE AIRE 9.2.1 Estado del arte 9.2.2 Sopladores centrífugos 9.2.3 Sopladores de desplazamiento positivo 9.2.4 Reguladores de frecuencia 9.2.5 Sistemas de control 9.2.6 Mejoras de los sopladores y recomendaciones 9.3 EFECTOS DE LAS CONDICIONES OPERATIVAS 9.3.1 El impacto del tiempo de retención de sólidos 9.3.2 El rol de los selectores 9.3.3 Ensuciamiento de los difusores, obstrucción y limpieza 9.3.4 Efectos de los surfactantes 9.3.5 Monitoreo del desempeño del proceso de aireación 9.4 PRÁCTICAS SUSTENTABLES DE AIREACIÓN 9.4.1 Sistemas de aireación mecánicos simples para el tratamiento de aguas residuales 9.4.2 Estrategias para la conservación de energía 9.5 REQUERIMIENTOS DE AIREACIÓN 9.5.1 Algoritmo de diseño 9.5.2 Algoritmo para verificación y mejoramiento REFERENCIAS AGRADECIMIENTOS NOMENCLATURA 10. Toxicidad 10.1 INTRODUCCIÓN 10.2 DETERMINACIÓN DE LA TOXICIDAD 10.2.1 Respirometría 10.2.2 Bioluminiscencia (Microtox®) 10.2.3 Otras pruebas de toxicidad 10.2.4 Medidores de toxicidad en línea 10.3 MODELOS CINÉTICOS PARA LA DESCRIPCIÓN DE SUBSTRATOS TÓXICOS 10.3.1 Modelos de inhibición enzimática 10.3.1.1 Inhibición competitiva 10.3.1.2 Inhibición no competitiva 10.3.1.3 Inhibición acompetitiva 10.3.2 Inhibición constante 10.3.3 Inhibición por el substrato 10.3.4 Inhibición por el producto 10.3.5 Otras expresiones cinéticas 10.3.6 Inhibición por causas físicas 10.3.6.1 Temperatura 10.3.6.2 pH 10.4 TRATAMIENTO DE EFLUENTES CON TOXICIDAD 10.4.1 Operación de sistemas durante la inhibición 10.4.1.1 Caso de estudio 1: Tratamiento de aguas residuales de la fabricación de productos químicos 10.4.1.2 Caso de estudio 2: Tratamiento de aguas residuales textiles 10.4.1.3 Caso de estudio 3: Tratamiento de aguas residuales urbanas 10.5 OBSERVACIONES FINALES REFERENCES NOMENCLATURA 11. Lodos filamentosos 11.1 INTRODUCCION 11.2 ASPECTOS HISTÓRICOS 11.3 RELACION ENTRE MORFOLOGIA Y ECOFISIOLOGIA 11.3.1 Enfoque microbiológico 11.3.2 Enfoque morfo-ecológico 11.4 IDENTIFICACION Y CARACTERIZACION DE BACTERIAS FILAMENTOSAS 11.4.1 Comparación entre la caracterización microscópica y los métodos moleculares 11.4.2 Fisiología de las bacterias filamentosas 11.5 TEORIAS ACTUALES PARA EXPLICAR LA APARICIÓN DE LODOS FILAMENTOSOS 11.5.1 Selección basada en la difusión 11.5.2 Teoría de selección cinética 11.5.3 Teoría de la selección de almacenamiento 11.6 ACCIONES CORRECTIVAS 11.6.1 Selectores 11.7 MODELOS MATEMATICOS 11.8 LODO GRANULAR 11.9 CONCLUSIONES REFERENCES NOMENCLATURA 12. Sedimentación Secundaria 12.1 INTRODUCCIÓN 12.1.1 Objetivo de la sedimentación 12.1.2 Funciones del tanque de sedimentación secundario 12.1.2.1 Clarificación en los sedimentadores secundarios 12.1.2.2 Espesamiento en los sedimentadores secundarios 12.1.2.3 Depósito de lodo en sedimentadores secundarios 12.2 CONFIGURACIONES DE LOS TANQUES DE SEDIMENTACIÓN 12.2.1 Clarificador circular con patrón de flujo radial 12.2.2 Clarificadores rectangulares con patrón de flujo horizontal 12.2.3 Clarificadores profundos con patrón de flujo vertical 12.2.4 Mejoras comunes a todos los tipos de clarificadores 12.2.4.1 Pozos de floculación 12.2.4.2 Remoción de natas 12.2.4.3 Deflectores 12.2.4.4 Lamelas 12.2.5 Problemas de operación 12.2.5.1 Tanques poco profundos 12.2.5.2 Distribución de flujos irregulares 12.2.5.3 Cargas desiguales en el vertedor 12.2.5.4 Efecto del viento 12.2.5.5 Cambios súbitos de temperatura 12.2.5.6 Congelamiento 12.2.5.7 Problemas en la recirculación 12.2.5.8 Algas en vertedores 12.2.5.9 Grumos de biomasa anaerobia 12.2.5.10 Aves 12.2.5.11 Lodos filamentosos 12.2.5.12 Flotación de lodos 12.3 MEDICIÓN DE LA SEDIMENTABILIDAD DEL LODO 12.3.1 Índice volumétrico de lodos 12.3.2 Otros métodos de medición 12.4 TEORÍA DEL FLUJO PARA LA ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD DE SEDIMENTACIÓN DEL TANQUE 12.4.1 Prueba de velocidad de la zona de sedimentación 12.4.2 Sedimentación discreta, floculante, obstaculizada (zona de sedimentación) y compresión 12.4.3 La función de sedimentación de Vesilind 12.4.4 Curvas de sedimentación por gravedad, por recirculación y carga total 12.4.5 Criterios límite para el manejo de sólidos en el clarificador 12.4.5.1 Criterio de manejo de sólidos 1 (CMS I). Limitado por el flujo mínimo de sólidos 12.4.5.2 Criterio de manejo de sólidos 2 (CMS II). Limitado por la carga aplicada (tasa de descarga) 12.4.6 Análisis del punto de estado (State Point Analysis) 12.5 RESUMEN DEL USO DE LA TEORÍA DE CARGA DE SÓLIDOS Y OTROS MÉTODOS DE DISEÑO Y OPERACIÓN 12.5.1 Diseño empleando la teoría de las cargas de sólidos 12.5.2 Diseño empírico 12.5.3 Diseño WRC 12.5.4 Diseño ATV 12.5.5 Diseño STOWA 12.5.6 Comparación de los sedimentadores diseñados utilizando diferentes métodos 12.6 MODELADO DE SEDIMENTADORES SECUNDARIOS 12.6.1 Modelos adimensionales 12.6.2 Modelos unidimensionales 12.6.3 Modelos computacionales de dinámica de fluidos (CFD) 12.7 EJEMPLOS DE DISEÑO REFERENCIAS NOMENCLATURA 13. Biorreactores de Membrana (MBR) 13.1 PRINCIPIOS DE SEPARACIÓN/FILTRACIÓN CON MEMBRANA 13.2 EL BIORREACTOR DE MEMBRANA (MBR) 13.2.1 Generalidades sobre MBR 13.2.2 Procesos y configuraciones de membrana 13.2.3 Ensuciamiento de Membrana 13.2.4 Procesos de operación de MBR 13.2.4.1 El material de construcción de membranas 13.2.4.2 Limpieza 13.2.4.3 Agua de alimentación y licor de mezcla 13.2.4.4 Aireación 13.2.4.5 Retiro de lodos y sus características 13.3 DISEÑO DE PLANTAS MBR 13.3.1 Bombeo del líquido 13.3.2 Mantenimiento de membranas: limpieza 13.3.3 Aireación 13.3.3.1 Demanda del tratamiento aérobico 13.3.3.2 Demanda de aireación en la membrana 13.3.3.3 Diseño: resumen 13.4 TECNOLOGÍAS DE MEMBRANA COMERCIALES 13.4.1 Kubota 13.4.2 GE Zenon 13.4.3 KMS (Korea Membrane Separation) 13.5 IMBR CASOS DE ESTUDIO 13.5.1 Swanage, Reino Unido 13.5.2 Planta de tratamiento de Nordkanal Kaarst, Alemania 13.5.3 Planta de tratamiento en Sari, Korea 13.5.4 Resumen de los datos REFERENCIAS NOMENCLATURA 14. Modelación del Proceso de Lodos Activados 14.1 ¿QUÉ ES UN MODELO? 14.2 ¿POR QUÉ MODELAR? 14.3 FUNDAMENTOS DE MODELACION 14.3.1 Construcción de un modelo 14.3.2 Preparación general de un modelo 14.3.3 Estequiometría 14.3.4 Cinética 14.3.5 Transporte 14.3.6 Notación matricial 14.4 DESARROLLO PASO A PASO DE UN MODELO BIOCINÉTICO: ASM1 14.5 ASM3 14.6 MODELACIÓN METABÓLICA 14.7 HISTORIA DEL DESARROLLO DE LOS MODELOS DE LODOS ACTIVADOS 14.8 PAQUETES DE SIMULACIÓN 14.9 CONCLUSIONES REFERENCIAS NOMENCLATURA 15. Control de Procesos 15.1 MOTIVACIÓN 15.2 PERTURBACIONES EN LOS SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 15.3 EL ROL DEL CONTROL Y LA AUTOMATIZACIÓN 15.3.1 Estableciendo prioridades 15.4 INSTRUMENTACION Y MONITOREO 15.5 LA IMPORTANCIA DE LA DINÁMICA DEL SISTEMA 15.6 VARIABLES Y SOLENOIDES MANIPULABLES 15.6.1 Variables hidráulicas 15.6.2 Adición de agentes químicos 15.6.3 Adición de una fuente de carbono 15.6.4 Suministro de aire u oxígeno 15.7 CONCEPTOS BASICOS DE CONTROL 15.8 EJEMPLOS DE CONTROL DE RETROALIMENTACIÓN EN SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Ejemplo 15.1: Control de oxígeno disuelto Ejemplo 15.2: Control de punto de ajuste (set-point control) de OD basado en mediciones de amonio Ejemplo 15.3: Control de la precipitación química Ejemplo 15.4: Control del reactor anaerobio Observaciones sobre el control 15.9 AHORROS DE COSTOS DE OPERACION DEBIDOS AL CONTROL 15.10 INTEGRACION Y CONTROL DE TODA LA PLANTA 15.11 OBSERVACIONES FINALES REFERENCES NOMENCLATURA 16. Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales 16.1 SOSTENIBILIDAD EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 16.1.1 Definición y beneficios ambientales de los procesos anaerobios 16.2 MICROBIOLOGÍA DE LAS CONVERSIONES ANAEROBIAS 16.2.1 Degradación anaerobia de polímeros orgánicos 16.2.1.1 Hidrólisis 16.2.1.2 Acidogénesis 16.2.1.3 Acetogénesis 16.2.1.4 Metanogénesis 16.3 PREDICCIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE CH4 16.3.1 DQO 16.4 IMPACTO DE ACEPTORES DE ELECTRONES ALTERNOS 16.4.1 Conversiones bacterianas bajo condiciones anóxicas 16.4.1.1 Reducción del sulfato 16.4.1.2 Desnitrificación 16.5 TRABAJANDO CON EL BALANCE DE DQO 16.6 INMOBILIZACIÓN Y GRANULACIÓN DEL LODO 16.6.1 Mecanismos importantes durante la granulación del lodo 16.7 REACTORES ANAEROBIOS 16.7.1 Sistemas anaerobios de alta tasa 16.7.2 Reactores anaerobios de una sola etapa 16.7.2.1 El proceso de contacto anaerobio (ACP) 16.7.2.2 Filtros Anaerobios (AF) 16.7.2.3 Reactores anaerobios de lecho de lodos (ASBR) 16.7.2.4 Sistemas anaerobios de lecho expandido y de lecho fluidizado (EGSB y FB) 16.7.2.5 Otros sistemas anaerobios de alta tasa 16.7.2.6 Reactores acidificantes e hidrolíticos 16.8 REACTOR ANAEROBIO DE LECHO DE LODOS DE FLUJO ASCENDENTE (UASB) 16.8.1 Descripción del proceso 16.8.2 Consideraciones de diseño en los reactores UASB 16.8.2.1 Máxima carga hidráulica superficial 16.8.2.2 Capacidad de carga orgánica 16.8.2.3 Partes internas del reactor 16.8.3 Tanque séptico UASB 16.9 CINÉTICA DEL PROCESO ANAEROBIO 16.10 TRATAMIENTO ANAEROBIO DE AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA Y MUNICIPAL REFERENCIAS NOMENCLATURA SÍMBOLOS 17. Modelación Matemática de Biopelículas 17.1 ¿QUÉ SON LAS BIOPELÍCULAS? 17.2 MOTIVACIÓN PARA MODELAR BIOPELÍCULAS Y ¿CÓMO SELECCIONAR LOS MODELOS MATEMÁTICOS ADECUADOS? 17.3 ENFOQUE DEL MODELADO DE UNA BIOPELÍCULA, ASUMIENDO QUE EXISTE UN SOLO SUSTRATO LIMITANTE Y CONSIDERANDO DESPRECIABLE LA RES 17.3.1 Ecuaciones Básicas 17.3.2 Soluciones de las ecuaciones de difusiónreacción en biopelículas para diferentes expresiones de velocidad de reacción 17.3.2.1 Velocidad de eliminación de sustrato de primer orden en el interior de la biopelícula 17.3.2.2 Eliminación de sustrato en el interior de la biopelícula por cinética de orden cero 17.3.2.3 Cinética de Monod en el interior de la biopelícula 17.3.3 Resumen de las soluciones analíticas encontradas para un solo sustrato limitante 17.3.4 NOTA: derivación de la ecuación de reacción de difusión (Ec. 17.1), para el balance de masa en el interior de la biopelíc 17.3.5 NOTA: Descripción general de AQUASIM 17.4 EJEMPLO DE CÓMO JLF = F(CLF) PUEDE SER UTILIZADO PARA PREDECIR EL DESEMPEÑO DEL REACTOR DE BIOPELÍCULA 17.4.1 Reactor completamente mezclado 17.4.1.1 Solución analítica 17.4.1.2 Prueba y error o enfoque iterativo 17.4.1.3 Solución gráfica 17.4.1.4 Solución numérica (por ej., utilizando AQUASIM) 17.4.2 Condiciones de flujo pistón en la fase en solución 17.5 EFECTO DE LA RESISTENCIA EXTERNA A LA TRANSFERENCIA DE MASA 17.5.1 Flujo de sustrato para velocidades de reacción de primer orden con una capa límite externa 17.5.2 Flujo de sustrato para velocidades de reacción de orden cero (biopelícula parcialmente penetrada) con una capa límite ext 17.5.3 Flujo de sustrato para cinéticas de Monod en el interior de la biopelícula con una capa límite externa 17.6 RELACIÓN DEL CRECIMIENTO Y DECAIMIENTO CON EL DESPRENDIMIENTO 17.6.1 Influencia del desprendimiento (ud,s) en el espesor de la biopelícula en estado estacionario (LF) y en el flujo de sustrato (JLF) 17.7 PARÁMETROS DERIVADOS 17.7.1 Tiempo de retención de sólidos 17.7.2 Concentración baja de sustrato en el efluente relacionada con el crecimiento de la biomasa (Cmin) 17.7.3 Tiempos característicos y números adimensionales que describen la dinámica de las biopelículas 17.7.3.1. Aplicación de los tiempos característicos para la estimación de los tiempos de respuesta 17.7.3.2 Parámetros adimensionales: Número de Damköhler (DaII), Módulo de Thiele (φ), Parámetro de Crecimiento (G) Número de Biot (Bi) Número de Peclet (Pe) 17.8 DIFUSIÓN MULTI-COMPONENTE 17.8.1 Difusión de dos componentes, donador y aceptor de electrones 17.8.2 Caso general de una difusión multicomponente 17.8.3 Complicaciones en los procesos múltiples dentro de la biopelícula 17.9 IMPLICACIONES DE LA DISPONIBILIDAD DEL SUSTRATO EN SUSTRATOS LIMITANTES, COMPETENCIA MICROBIOLÓGICA, Y DESEMPEÑO DEL REACTOR 17.10 ¿CÓMO ES QUE LAS ESTRUCTURAS EN 2D/3D PUEDEN INFLUIR EN EL FUNCIONAMIENTO DE LA BIOPELÍCULA? 17.11 PARÁMETROS DEL MODELO 17.11.1 Densidad de la biomasa en la biopelícula (XF) 17.11.2 Coeficientes de difusión (DW, DF) 17.11.3 Transferencia de masa externa (LL, RL) 17.11.4 Espesor (LF) y desprendimiento (ud,s, ud,v, ud,m) de la biopelícula 17.11.5 Precauciones al utilizar parámetros que provienen de otro tipo de modelos 17.12 HERRAMIENTAS DEL MODELO MATEMÁTICO REFERENCIAS 18. Reactores de biopelícula 18.1 REACTORES DE BIOPELÍCULA 18.1.1 Tipos de reactores 18.1.1.1 Filtros percoladores 18.1.1.2 Reactores biológicos rotativos de contacto 18.1.1.3 Reactores de biopelícula sumergida de lecho fijo 18.1.1.4 Reactores de biopelícula de lecho fluidizado y lecho expandido 18.1.1.5 Reactores de lodo granular 18.1.1.6 Reactores de biopelícula de lecho móvil 18.1.1.7 Sistemas híbridos de biopelícula/lodo activado 18.1.1.8 Reactores de biopelícula adherida a una membrana 18.1.2 Elección de diferentes materiales de filtrado 18.2 PARÁMETROS DE DISEÑO 18.2.1 Flujo de sustrato y tasas de carga 18.2.2 Carga hidráulica 18.3 ¿CÓMO SE PUEDEN DETERMINAR LOS FLUJOS MÁXIMOS DE DISEÑO O LAS VELOCIDADES DE CARGA DE DISEÑO? 18.3.1 Modelo basado en la estimación del flujo máximo de sustrato 18.3.1.1 Nivel 1 de diseño: El compuesto de interés es el sustrato limitante 18.3.1.2 Nivel 2 de diseño: La eliminación del compuesto de interés se encuentra limitada por su correspondiente donador/aceptor 18.3.1.3 Nivel 3 de diseño: La eliminación del compuesto de interés se encuentra limitada por los procesos de crecimiento y la c 18.3.1.4 Nivel 4 de diseño: Modelo matemático detallado de los perfiles de concentración y de la estructura heterogénea de la bi 18.3.2 Velocidades empíricas de carga máxima 18.3.3 Ejemplos de diseño Ejemplo 18.1: Eliminación de sustrato orgánico (Nivel 1 de diseño) Ejemplo 18.2: Nitrificación (Nivel 2 de diseño) Ejemplo 18.3: Combinando la eliminación del sustrato orgánico y el proceso de nitrificación (Nivel 3 de diseño) 18.4 ALGUNAS OTRAS CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO 18.4.1 Aireación 18.4.2 Distribución de flujo 18.4.3 Control de la biopelícula 18.4.4 Eliminación de sólidos REFERENCIAS AGRADECIMIENTOS NOMENCLATURA SUBÍNDICES ABREVIACIONES SÍMBOLOS En las ultimas decadas, el conocimiento y entendimiento del tratamiento de aguas residuales ha avanzado extensamente evolucionando de enfoques basados en procedimientos meramente empiricos a enfoques con principios basicos que abarcan la quimica, microbiologia, fisica, ingenieria de procesos y matematicas. La gran mayoria de estos avances han madurado a tal grado que han sido codificados en modelos matematicos para su simulacion en computadoras. Para una nueva generacion de jovenes cientificos e ingenieros que ingresan al area del tratamiento de aguas residuales, la cantidad, complejidad y diversidad de estos nuevos desarrollos puede ser abrumador, particularmente en paises en vias de desarrollo donde no existe un facil acceso a cursos avanzados de postgrado en tratamientos de aguas residuales. Este libro tiene como objetivo resolver esta deficiencia ya que compila e integra el material de diversos cursos de postgrado de mas de una docena de grupos de investigacion de todo el mundo que han hecho contribuciones significativas para el desarrollo del tratamiento de aguas residuales. Cabe resaltar que la edicion en ingles del presente libro, forma parte de un plan de estudios en tratamiento biologico de aguas residuales que incluye: * Resumenes de las presentaciones y clases de los temas cubiertos en el libro * Videos de las clases de los profesores autores de los capitulos del libro * Ejercicios de auto-aprendizaje para los participantes en los cursos Al termino del plan de estudios antes mencionado, los ultimos avances en modelacion y simulacion de la operacion y diseno de los sistemas de tratamiento de aguas residuales (ya sean lodos activados, procesos de remocion biologica de nitrogeno y fosforo, clarificadores secundarios o sistemas de biopeliculas) pueden ser abordados con mayor profundidad, conocimientos mas avanzados y mayor confianza Over the past twenty years, the knowledge and understanding of wastewater treatment has advanced extensively and moved away from empirically based approaches to a fundamentally-based first principles approach embracing chemistry, microbiology, and physical and bioprocess engineering, often involving experimental laboratory work and techniques. Many of these experimental methods and techniques have matured to the degree that they have been accepted as reliable tools in wastewater treatment research and practice. For sector professionals, especially a new generation of young scientists and engineers entering the wastewater treatment profession, the quantity, complexity and diversity of these new developments can be overwhelming, particularly in developing countries where access to advanced level laboratory courses in wastewater treatment is not readily available. In addition, information on innovative experimental methods is scattered across scientific literature and only partially available in the form of textbooks or guidelines. This book seeks to address these deficiencies. It assembles and integrates the innovative experimental methods developed by research groups and practitioners around the world. Experimental Methods in Wastewater Treatment forms part of the internet-based curriculum in wastewater treatment at UNESCO-IHE and, as such, may also be used together with video records of experimental methods performed and narrated by the authors including guidelines on what to do and what not to do. The book is written for undergraduate and postgraduate students, researchers, laboratory staff, plant operators, consultants, and other sector professionals.