Principios, modelación y diseño Tratamiento biológico de aguas residuales: Editores de la versión en español: Carlos M. López Vázquez Germán Buitrón Méndez Héctor A. García Francisco J. Cervantes Carrillo Editado por: Mogens Henze • Mark C.M. van Loosdrecht • George A. Ekama • Damir Brdjanovic Tratamiento biológico de aguas residuales Principios, modelación y diseño Tratamiento biológico de aguas residuales Principios, modelación y diseño Editores de la versión en español: Carlos M. López Vázquez Germán Buitrón Méndez Héctor A. García Francisco J. Cervantes Carrillo Editores de la versión en inglés: Mogens Henze Mark C.M. van Loosdrecht George A. Ekama Damir Brdjanovic This eBook was made Open Access in November 2017 © 2017 The Editors This is an Open Access Book distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Licence (CC BY-NC-ND 4.0), which permits copying and redistribution for non-commercial purposes with no derivatives, provided the original work is properly cited (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/). This does not affect the rights licensed or assigned from any third party in this book. Publicado por: IWA Publishing Alliance House 12 Caxton Street London SW1H 0QS, UK T: +44 (0) 20 7654 5500 F: +44 (0) 20 7654 5555 E: publications@iwap.co.uk I: www.iwapublishing.com Primera publicación 2008 © 2008 IWA Publishing Publicación de la edición en español © 2017 IWA Publishing Imprime: Cambridge University Press Con la excepción de su uso adecuado y justo con fines de investigación o estudio privado, o crítica o revisión, según lo permitido por la Ley de Derecho de Autor, Diseños y Patentes del Reino Unido (1998), ninguna parte de esta publicación puede reproducirse, almacenarse o transmitirse en cualquier forma o de cualquier manera, sin el permiso previo por escrito del editor o, en el caso de la reproducción fotográfica, de acuerdo con los términos de las licencias emitidas por la Agencia de Licencias de Copyright en el Reino Unido, o de acuerdo con los términos de las licencias emitidas por la organización de derechos de reproducción apropiada fuera del Reino Unido. Las consultas sobre reproducción fuera de los términos establecidos aquí deben enviarse a IWA Publishing a la dirección impresa arriba. El editor no hace ninguna representación, expresa o implícita, con respecto a la exactitud de la información contenida en este libro y no puede aceptar ninguna responsabilidad legal o responsabilidad por errores u omisiones que puedan hacerse. Descargo de responsabilidad La información proporcionada y las opiniones dadas en esta publicación no son necesariamente las de IWA e IWA Publishing y no se deben tomar medidas sin una consideración independiente y asesoramiento profesional. IWA e IWA Publishing no aceptarán responsabilidad por cualquier pérdida o daño sufrido por cualquier persona que actúe o se abstenga de actuar sobre cualquier material contenido en esta publicación. Catalogación de la Biblioteca Británica en Datos de Publicación (CIP) Un registro de catálogo CIP para este libro está disponible en la Biblioteca Británica Catalogación de la Biblioteca del Congreso en Datos de Publicación Un registro de catálogo para este libro está disponible en la Biblioteca del Congreso Cover design: Peter Stroo Graphic design: Hans Emeis Print ISBN: 9781780409245 eBook ISBN: 9781780409252 AUTORES en orden alfabético: Gary AMY UNESCO ‐ IHE Institute for Water Education, Delft, The Netherlands Damir BRDJANOVIC UNESCO ‐ IHE Institute for Water Education, Delft, The Netherlands Yves COMEAU École Polytechnique, Montréal, Canada George A. EKAMA University Cape Town, Cape Town, South Africa Jorge H. Orozco GARCIA Monterrey University, Monterrey, Mexico Charles P. GERBA University of Arizona, Tucson, U.S.A. Mogens HENZE Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark Christine M. HOOIJMANS UNESCO ‐ IHE Institute for Water Education, Delft, The Netherlands Simon JUDD Cranfield University, Cranfield, U.K. Byung ‐ goon KIM Korean Water Resources Company ‐ Kwater, Daejeon, Korea Jules B. van LIER Wageningen University and Research Centre, Wageningen, The Netherlands Nidal MAHMOUD Birzeit University, Birzeit, Palestine Antonio M. MARTINS Áquas do Algarve, Faro, Portugal Eberhard F. MORGENROTH University of Illinois at Urbana ‐ Champaign, Urbana, U.S.A. Gustaf OLSSON Lund University, Lund, Sweden Diego ROSSO University of California, Irvine, U.S.A. Michael K. STENSTROM University of California, Los Angeles, U.S.A. Imré TAKACS EnviroSim Associates Ltd., Flamborough, Canada Mark C.M. van LOOSDRECHT Delft University of Technology, Delft, The Netherlands Mark C. WENTZEL University Cape Town, South Africa Grietje ZEEMAN Wageningen University and Research Centre, Wageningen, The Netherlands Publicado por: IWA Publishing Alliance House 12 Caxton Street London SW1H 0QS, UK T: +44 (0) 20 7654 5500 F: +44 (0) 20 7654 5555 E: publications@iwap.co.uk I: www.iwapublishing.com Primera publicación 2008 © 2008 IWA Publishing Publicación de la edición en español © 2017 IWA Publishing Imprime: Cambridge University Press Con la excepción de su uso adecuado y justo con fines de investigación o estudio privado, o crítica o revisión, según lo permitido por la Ley de Derecho de Autor, Diseños y Patentes del Reino Unido (1998), ninguna parte de esta publicación puede reproducirse, almacenarse o transmitirse en cualquier forma o de cualquier manera, sin el permiso previo por escrito del editor o, en el caso de la reproducción fotográfica, de acuerdo con los términos de las licencias emitidas por la Agencia de Licencias de Copyright en el Reino Unido, o de acuerdo con los términos de las licencias emitidas por la organización de derechos de reproducción apropiada fuera del Reino Unido. 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HOOIJMANS UNESCO ‐ IHE Institute for Water Education, Delft, The Netherlands Simon JUDD Cranfield University, Cranfield, U.K. Byung ‐ goon KIM Korean Water Resources Company ‐ Kwater, Daejeon, Korea Jules B. van LIER Wageningen University and Research Centre, Wageningen, The Netherlands Nidal MAHMOUD Birzeit University, Birzeit, Palestine Antonio M. MARTINS Áquas do Algarve, Faro, Portugal Eberhard F. MORGENROTH University of Illinois at Urbana ‐ Champaign, Urbana, U.S.A. Gustaf OLSSON Lund University, Lund, Sweden Diego ROSSO University of California, Irvine, U.S.A. Michael K. STENSTROM University of California, Los Angeles, U.S.A. Imré TAKACS EnviroSim Associates Ltd., Flamborough, Canada Mark C.M. van LOOSDRECHT Delft University of Technology, Delft, The Netherlands Mark C. WENTZEL University Cape Town, South Africa Grietje ZEEMAN Wageningen University and Research Centre, Wageningen, The Netherlands 9781780409139 9781780409146 DOI: 10.2166/9781780409146 Prólogo 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 el presente libro forma parte de un plan de estudios en línea en tratamiento de aguas residuales; y como tal, se puede utilizar junto con notas de clase, video-lecturas filmadas por los profesores autores y ejercicios tutoriales para el autoaprendizaje de los estudiantes. Al completar este plan de estudios, el enfoque moderno de modelado y simulación para el diseño y operación de plantas de tratamiento de aguas residuales, ya sea lodos activado, remoción biológica de nitrógeno y fósforo, tanques de sedimentación secundaria o sistemas de biopelícula, puede abordarse con una visión más profunda, conocimientos más avanzados y mayor confianza. Tanto la versión original del libro, como los materiales innovadores de aprendizaje relacionados, los cuales han sido la base para la preparación del presente libro en español, se produjeron en el marco de la Alianza IHE Delft para la Educación e Investigación del Agua (PoWER). Todo ello con la finalidad de desarrollar y ofrecer servicios de educación de posgrado, investigación conjunta y desarrollo de capacidades, adecuados a la demanda y debidamente acreditados, para individuos y organizaciones pertenecientes a países en desarrollo. Este libro ha sido posible gracias al generoso patrocinio del Instituto IHE Delft para la Educación del Agua (antes UNESCO-IHE), de la Corporación de Recursos Hídricos de Corea (Kwater) y del Ministerio de Relaciones Exteriores del Reino de Los Países Bajos. Esto último a través del programa de cooperación establecido entre la Dirección General del Ministerio de Relaciones Exteriores e IHE Delft, programa conocido como DUPC (por sus siglas en inglés Directorate-General for International Cooperation -DGIS- of the Dutch Ministry of Foreign Affairs and IHE Delft Programmatic Cooperation ). Varias personas merecen ser destacadas ya que su contribución ha sido muy apreciada para la preparación de la edición original en inglés, entre ellas: Jetze Heun, Atem Ramsundersingh, Caroline Figueres, Jan Herman Koster, Kyul Ho Kwak, Nahm-Chung Jung, Byung-goon Kim, Peter Stroo, Hans Emeis, Vincent Becker, Angela Lorena Pinzón Pardo, Loreen Ople Villacorte, Assiyeh A. Tabatabai, Claire Taylor, Michael Dunn, Michelle Jones, David Burns; y por supuesto, todos los autores. Adicionalmente, la presente edición en español ha sido posible gracias al invaluable e incondicional trabajo y apoyo de Benly Ramírez Higareda, Mark Hammond, Alejandro Nario, Vianey Ruíz López, Iván Moreno Andrade, Luis H. Álvarez y Aylet Vega Aguilar. Además, reconocemos a los colaboradores que permitieron que sus datos, imágenes y fotografías se utilicen en este libro. Finalmente, los editores le desean un estudio beneficioso del tratamiento biológico de aguas residuales y un uso exitoso para mejorar el saneamiento en todo el mundo. Editores Dr. Carlos M. Lopez-Vazquez Carlos Manuel Lopez Vazquez es Doctor en Biotecnología Ambiental graduado con cum laude de la Universidad Tecnológica de Delft y del Instituto IHE Delft para la Educación del Agua (2009). Obtuvo su grado de Ingeniero Civil y de Maestría en la Universidad Autónoma del Estado de México en 1999 y 2003, respectivamente. Actualmente es Profesor Asociado en Ingeniería Sanitaria en IHE Delft. Su área de trabajo, docencia e investigación abarca el área de tratamiento de aguas residuales con particular énfasis en el desarrollo de tecnologías más económicas, eficientes y con menor impacto ambiental para la recuperación de recursos tales como nutrientes, energía a través de la generación de biogas y del agua misma. A nivel docente coordina e imparte diversos módulos, cursos y asignaturas en tratamiento de aguas residuales a nivel maestría y doctorado tanto presencial como a distancia, incluyendo el curso en línea ‘Biological wastewater treatment: principles, modelling and design“. Es coordinador y ha participado en diversos proyectos de educación, investigación y consultoría en Europa, Asia, Latinoamérica y el Caribe. Además, ha dirigido aproximadamente 50 proyectos y tesis de maestría y 10 de doctorado. Cuenta con más de 50 publicaciones científicas internacionales que incluyen 4 libros en temas relacionados con el tratamiento de aguas residuales, entre ellos " Experimental Methods in Wastewater Treatment " y " Applications of Activated Sludge Models ". Dr. Héctor A. García se desempeña como Senior Lecturer en Tecnologías de Tratamiento de Aguas Residuales en el instituto IHE Delft Institute for Water Education (Delft, Holanda). En 2011, recibió su título de doctor en Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de Texas en Austin. Durante los inicios de su carrera profesional como Ingeniero Químico ha trabajado por aproximadamente 10 años en el sector industrial de la industria química, principalmente en procesos de producción de vitaminas y en el sector de elaboración de productos plásticos. Durante su doctorado se especializó en biorreactores de membrana y la aplicación de tecnologías innovadoras para la remoción de contaminantes emergentes de aguas residuales. Desde su incorporación al instituto IHE Delft en el año 2011, ha estado involucrado en diversas actividades de educación, investigación, y de desarrollo de capacidades locales. Ha participado activamente en la supervisión de estudiantes de post-grado tanto a nivel de maestrías y doctorados. Ha participado y lidereado varios proyectos internacionales relacionados con la implementación de tecnologías para la depuración de aguas residuales y la recuperación y reúso de recursos. Prof. Germán Buitrón Méndez Prof. Germán Buitrón recibió su grado en Ing. Químico en 1987 por parte de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), y sus grados de Maestría y Doctorado por el Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Tolouse, Francia, en 1990 y 1993, respectivamente. Desde 1994, trabaja en el Insituto de Ingeniería de la UNAM como Investigador Titular y Profesor del programa de Post-grado en Ingeniería Ambiental de la UNAM. Actualmente, é les el Jefe del Labotario de Procesos para Tratamiento de Agua en el Campus Juriquilla de la UNAM, en la ciudad de Querétaro, México. Sus líneas de investigación abarcan: la generación de bioenergía a partir de aguas residuales (metano, hidrógeno y electricidad); biodegradación de compuestos orgánicos tóxicos presents en aguas residuales industriales; sistemas de microalgas-bacterias para el tratamiento de aguas residuales; tratamiento de aguas residuales textiles; automatización y control de bioreactors. Ha sido autor y co-autor de más de 450 artículos científicos. También, el Prof. Buitrón ha graduado más de 65 estudiantes universitarios, de maestría y de doctorado. Es miembro del comité de administración del Grupo de Especialistas en sistemas pequeños de tratamiento de agua potable y aguas residuales de la International Water Association, de Industrias Químicas y de Digestión Anaerobia. Prof. Francisco J. Cervantes Carrillo Ingeniero Biotecnólogo por el Instituto Tecnológico de Sonora (ITSON, 1995). Maestro en Biotecnología por la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Iztapalapa (UAM-I, 1998). Doctor en Ciencias Ambientales por la Universidad de Wageningen (Países Bajos, 2002). Es Profesor de la División de Ciencias Ambientales del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT, San Luis Potosí, México). Ha publicado más de 100 artículos y capítulos de libro y sus publicaciones cuentan con más de 3,000 citas hasta la fecha. Ha dirigido más de 60 tesis y ha dictado cátedra en ITSON, UAM-I, IPICYT y en Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU-Trondheim). Ha recibido diversos premios, entre los que destacan el Lettinga Award 2007 por la Lettinga Associates Foundation, el Premio de Investigación 2008 por la Academia Mexicana de Ciencias (Área de Ingeniería y Tecnología), el Premio Heberto Castillo Martínez 2010 (en Medio Ambiente) por el Gobierno de la Ciudad de México y la Cátedra Marcos Moshinsky 2014. Sus líneas de investigación incluyen el desarrollo de sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales. Ha diseñado varias plantas de tratamiento de aguas residuales, actualmente en operación en distintos sectores industriales de América Latina. Editores de la versión en Español Sobre el libro y el curso en línea La idea de realizar los cursos de aprendizaje en línea sobre tratamiento biológico de aguas residuales se concibió en 2003 cuando IHE Delft (antes UNESCO-IHE) obtuvo una subvención del gobierno holandés para desarrollar métodos y productos de aprendizaje innovadores que resultaron en la Asociación para la Educación e Investigación del Agua (PoWER). La idea original del Profesor Damir Brdjanovic fue la de involucrar a profesores de todo el mundo que han hecho contribuciones significativas a los avances en el tratamiento de aguas residuales. Se requirieron de tres años y del patrocinio adicional de la Corporación de Recursos Hídricos de Corea (K-water) para obtener recursos financieros adicionales y comenzar a trabajar en la preparación de los materiales del curso. El marco conceptual para el libro y el curso en línea del que forma parte se acordó en Beijing durante el IWA World Water Congress and Exhibition en septiembre de 2006. Además de proporcionar capítulos para el libro, se solicitó a los autores preparar diapositivas de presentación, ejercicios tutoriales y participar en la filmación de clases grabadas en video en el estudio de IHE Delft, todas compiladas en un paquete de DVD disponible para aquellos participantes registrados para el curso en línea. IWA Publishing acordó publicar el libro y comercializar el libro y el curso de aprendizaje en línea. Exactamente dos años después, en septiembre de 2008, se presentó al público el libro Tratamiento biológico de aguas residuales en el Congreso y Exposición Mundial sobre Agua de IWA en Viena. En el contexto del Año Internacional del Saneamiento, la primera copia del libro fue entregada a Su Alteza Real el Rey de Orange, Willem Alexander, Presidente del Consejo Asesor del Secretario General de las Naciones Unidas sobre Agua y Saneamiento. En noviembre 2017, se presentó al público la versión en español del libro en el Congreso & Exhibición de Agua y Desarrollo de la International Water Association (IWA Water & Development Congress & Exhibition) celebrado en Buenos Aires, Argentina. El curso en línea se imparte dos veces al año. El libro también se utiliza para la enseñanza como parte de una serie de clases en la especialización de Ingeniería Sanitaria del Programa de Maestría en Agua Urbana y Saneamiento de IHE Delft. Está conceptualizado de tal manera que puede usarse como un libro de texto autónomo o como parte integral del curso de aprendizaje en línea. Se puede obtener más información sobre este curso de aprendizaje en línea y la especialización en Ingeniería Sanitaria de IHE ‐ Delft escribiendo a Carlos López Vázquez (c.lopezvazquez@un ‐ ihe.org) o visitando las respectivas páginas web: https://www.un ‐ ihe.org/online ‐ courses y https://www.un ‐ ihe.org/msc ‐ programmes/specialization/sanitary ‐ engineering ‐ 0 Tabla de Contenido Capítulo 1 Desarrollo del Tratamiento de Aguas Residuales 1 M. Henze, M.C.M. van Loosdrecht, G.A. Ekama y D. Brdjanovic 1.1. Factores mundiales para el saneamiento 1.2. Historia del tratamiento de aguas residuales Capítulo 2 Metabolismo Microbiano 9 Y. Comeau 2.1. Introducción 2.2. Elementos de microbiología 2.3. Estequiometría y energética 2.4. Cinética Capítulo 3 Caracterización de las Aguas Residuales 35 M. Henze y Y. Comeau 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 generados 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 Capítulo 4 Remoción de Materia Orgánica 57 G.A. Ekama y M.C. Wentzel 4.1. Introducción 4.2. Condiciones operativas de un sistema de lodos activados 4.3. Simplificaciones del modelo 4.4. Ecuaciones del sistema en estado estacionario 4.5. Ejemplo de diseño 4.6. Requerimientos de volumen del reactor 4.7. Determinación de la concentración de sólidos suspendidos totales (SST) 4.8. Demanda carbonacea de oxígeno 4.9. Producción diaria de lodo 4.10. Diseño y control del sistema 4.11. Selección de la edad de lodos Capítulo 5 Remoción Biológica de Nitrógeno 97 G.A. Ekama y M.C. Wentzel 5.1. Introducción a la nitrificación 5.2. Cinética de la nitrificación 5.3. Cinética del proceso 5.4. Factores que afectan el proceso de nitrificación 5.5. Requerimientos de nutrientes para la producción de lodos 5.6. Consideraciones de diseño 5.7. Ejemplo de diseño de un sistema con nitrificación 5.8. Remoción biológica de nitrógeno mediante desnitrificación heterótrofa 5.9. Desarrollo y demostración del procedimiento de diseño 5.10. Volumen del sistema y demanda de oxígeno 5.11. Diseño operación y control del sistema Capítulo 6 Remoción Innovadora de Nitrógeno 157 M.C.M. van Loosdrecht 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 Capítulo 7 Remoción Biológica Aumentada de Fósforo 175 M.C. Wentzel, Y. Comeau, G.A. Ekama, M.C.M. van Loosdrecht y D. Brdjanovic 7.1. Introducción 7.2. Principios de la remoción biológica aumentada de fósforo (EBPR) 7.3. Mecanismos de los sistemas EBPR 7.4. Optimización y desarrollo de sistemas con EBPR 7.5. Desarrollo de un modelo para sistemas con EBPR 7.6. Modelo de cultivos mixtos en estados estacionario 7.7. Ejemplo de diseño 7.8. Influencia de la EBPR en el sistema 7.9. Factores que afectan la magnitud de la remoción de P 7.10. Desnitrificación en sistemas con NDEBPR 7.11. Organismos acumuladores de glucógeno (GAOs) 7.12. Conclusiones y perspectivas Capítulo 8 Eliminación de Patógenos 247 C.P. Gerba 8.1. Introducción 8.2. Tipos de patógenos entéricos 8.3. Presencia de agentes patógenos en las aguas residuales 8.4. Eliminación de patógenos e indicadores por proceso de tratamientos de aguas residuales 8.5. Conclusiones Capítulo 9 Aireación y Mezclado 273 M.K. Stenstrom y D. Rosso 9.1. La tecnología de aireación 9.2. Sopladores de aire 9.3. Efectos de las condiciones operativas 9.4. Prácticas sustentables de aireación 9.5. Requerimientos de aireación Capítulo 10 Toxicidad 305 J.H.G. Orozco 10.1. Introducción 10.2. Determinación de la toxicidad 10.3. Modelos cinéticos para la descripción de substratos tóxicos 10.4. Tratamiento de efluentes con toxicidad 10.5. Observaciones finales Capítulo 11 Lodos Filamentosos 325 M.C.M. van Loosdrecht, A.M. Martins y G.A. Ekama 11.1. Introducción 11.2. Aspectos históricos 11.3. Relación entre morfología y ecofisiología 11.4. Identificación y caracterización de bacterias filamentosas 11.5. Teorías actuales para explicar la aparición de lodos filamentosos 11.6. Acciones correctivas 11.7. Modelos matemáticos 11.8. Lodo granular 11.9. Conclusiones Capítulo 12 Sedimentación Secundaria 345 I. Takacs y G.A. Ekama 12.1 Introducción 12.2 Configuraciones de los tanques de sedimentación 12.3 Medición de la sedimentabilidad del lodo 12.4 Teoría del flujo para la estimación de la capacidad de sedimentación del tanque 12.5 Resumen del uso de la teoría de carga de sólidos y otros métodos de diseño y operación 12.6 Modelado de sedimentadores secundarios 12.7 Ejemplos de diseño Capítulo 13 Biorreactores de Membrana (MBR) 375 S. Judd, B. Kim y G. Amy 13.1 Principios de separación/filtración con membrana 13.2 El biorreactor de membrana (MBR) 13.3 Diseño de plantas MBR 13.4 Tecnologías de membrana comerciales 13.5 iMBR casos de estudio Capítulo 14 Modelación del Proceso de Lodos Activados 405 M.C.M. van Loosdrecht, G.A. Ekama, M.C. Wentzel, D. Brdjanovic y C.M. Hooijmans 14.1 ¿Qué es un modelo? 14.2 ¿Por qué modelar? 14.3 Fundamentos de modelación 14.4 Desarrollo paso a paso de un modelo biocinético: ASM 1 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 Capítulo 15 Control de Procesos 439 G. Olsson 15.1 Motivación 15.2 Perturbaciones en los sistemas de tratamiento de aguas residuales 15.3 El rol del control y la automatización 15.4 Instrumentación y monitoreo 15.5 La importancia de la dinámica del sistema 15.6 Variables y solenoides manipulables 15.7 Conceptos básicos de control 15.8 Ejemplos de control de retroalimentación en sistemas de tratamiento de aguas residuales 15.9 Ahorros de costos de operación debidos al control 15.10 Integración y control de toda la planta 15.11 Observaciones finales Capítulo 16 Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales 465 J.B. van Lier, N. Mahmoud y G. Zeeman 16.1 Sostenibilidad en el tratamiento de aguas residuales 16.2 Microbiología de las conversiones anaerobias 16.3 Predicción de la producción de CH 4 16.4 Impacto de aceptores de electrones alternos 16.5 Trabajando con el balance de DQO 16.6 Inmovilización y granulación del lodo 16.7 Reactores anaerobios 16.8 Reactores anaerobios de lecho de lodos de flujo ascendente (UASB) 16.9 Cinética del proceso anaerobio 16.10 Tratamiento anaerobio de agua residual doméstica y municipal Capítulo 17 Modelación Matemática de Biopelículas 511 E. Morgenroth 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 resistencia externa a la transferencia de masa 17.4 Ejemplo de cómo J LF = F(C LF ) puede ser utilizado para predecir el desempeño del reactor de biopelícula 17.5 Efecto de la resistencia externa a la transferencia de masa 17.6 Relación del crecimiento y decaimiento con el desprendimiento 17.7 Parámetros derivados 17.8 Difusión multi ‐ componente 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 17.12 Herramientas del modelo matemático Capítulo 18 Reactores de biopelícula 555 E. Morgenroth 18.1 Reactores de biopelícula 18.2 Parámetros de diseño 18.3 ¿Cómo se pueden determinar los flujos máximos de diseño o las velocidades de carga de diseño? 18.4 Algunas otras consideraciones para el diseño © 2017 Mogens Henze. Tratamiento Biológico de Aguas Residuales: Principios, Modelación y Diseño. Eds. M. Henze, M.C.M. van Loosdrecht, G.A. Ekama y D. Brdjanovic. Eds. (versión en español) C.M. López Vázquez, G. Buitrón Méndez, H.A. García, F.J. Cervantes Carrillo. ISBN (versión impresa): 9781780409139, ISBN (e-Book): 9781780409146. Publicado por IWA Publishing, London, UK. 1 Desarrollo del Tratamiento de Aguas Residuales Mogens Henze, Mark C.M. van Loosdrecht, George A. Ekama y Damir Brdjanovic 1.1. FACTORES MUNDIALES PARA EL SANEAMIENTO El desarrollo del saneamiento fue votado como el avance médico más importante desde hace 166 años en un concurso realizado en el 2007 por el British Medical Journal (Ferriman, 2007). Esto confirma el papel absolutamente importante de contar con servicios de saneamiento adecuados para lograr y mantener una buena salud pública. En muchos países industrializados las aguas residuales son transportadas de forma segura lejos de los complejos habitacionales. Sin embargo, no siempre existen adecuados sistemas de tratamiento, especialmente en países en vías de desarrollo, en donde el saneamiento aún está muy lejos en comparación con el servicio de abastecimiento de agua. La necesidad de un adecuado saneamiento fue establecido en los objetivos del desarrollo del milenio de las Naciones Unidas. El objetivo número 7 impulsa a reducir a la mitad la población que vive sin un adecuado saneamiento. A pesar de los grandes esfuerzos, el cumplimiento de este objetivo avanza lento y aún está muy lejos. La Asamblea General de las Naciones Unidas declaró el 2008 como el Año Internacional del Saneamiento, reconociendo el impacto del saneamiento en la salud pública, la reducción de la pobreza, en el desarrollo económico y social, así como ambiental. El fin fue enfocar la atención mundial en la necesidad de iniciar la implementación de adecuadas soluciones de saneamiento para todos. Lo importante de esto es no sólo conectar a la gente con las soluciones de saneamiento, sino hacer que esta conexión se realice por una vía sustentable. Los sistemas de alcantarilladlo y las plantas de tratamiento de aguas residuales han probado ser eficientes para transportar agua y para eliminar patógenos, contaminantes orgánicos y nutrientes. Sin embargo, estas instalaciones requieren de una operación y mantenimiento apropiados, y un buen entendimiento de los procesos involucrados. 1.2 HISTORIA DEL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES El desarrollo de sistemas tratamiento de aguas residuales se hizo más evidente en el siglo XX. Estos sistemas fueron considerados por mucho tiempo como un riesgo potencial para la salud y molestos en aglomeraciones urbanas. El valor fertilizante de las excretas humanas fue reconocido recientemente. Los antiguos Griegos (300 A.C. a 500 D.C.) utilizaban letrinas públicas que 2 Tratamiento Biológico de Aguas Residuales: Principios, Modelación y Diseño drenaban hacia alcantarillas que transportaban las aguas residuales y pluviales hacia un colector en las afueras de la ciudad. De ahí, el agua residual era conducida hacia campos agrícolas por canaletas de ladrillo para ser utilizada en el riego y la fertilización de cultivos y huertas. Los Romanos tomaron este sistema más adelante. Alrededor de 800 años A.C., ellos construyeron la Cloaca Maxima . Inicialmente este sistema central de alcantarillado fue utilizado para drenar el pantano sobre el cual Roma sería construida. Para el año 100 D.C. el sistema estaba casi terminado, y con conexiones a algunas casas. El agua era transportada por un acueducto desde los baños públicos y letrinas hasta el alcantarillado colocado debajo de la ciudad y finalmente hacia el Tiber. Las calles eran regularmente lavadas con agua del acueducto y el agua generada se conducía hacia las alcantarillas. Este sistema funcionó muy bien porque contó con un gobierno efectivo y la protección del poder militar, aún para el mantenimiento de los acueductos más lejanos. Cuando el Imperio Romano colapsó, su sistema sanitario también colapsó con él. El periodo comprendido entre los años 450 y 1750 D.C. fue así conocido como la “era de la obscuridad sanitaria” (Wolfe, 1999). Durante este periodo, la principal forma de disposición de residuos fue simplemente su colocación en las calles, frecuentemente vaciando los recipientes desde las ventanas del segundo nivel. Alrededor del año 1800, un sistema colector apareció en muchas ciudades, y fue impulsado por los mismos habitantes que ya no soportaban los malos olores. También fue bien recibido por agricultores, quienes encontraron un buen uso para sus excretas. En Amsterdam, los recipientes con los desechos podrían ser descargados sobre un carro que era conducido por las calles. El carro fue curiosamente llamado como una marca de agua de colonia de la época: el carro Boldoot. Sin embargo, los derrames durante el vaciado y el transporte de los contenedores fueron inevitables, por lo que los malos olores no disminuyeron significativamente. Para entonces, surgieron planes para un sistema general de alcantarillado. Sin embargo, los altos costos de inversión e incertidumbre sobre el lavado y mantenimiento de las alcantarillas hicieron que una pronta implementación de este sistema no fuera posible. Alrededor del año 1900 Liernur propuso un plan para colectar separadamente las aguas del inodoro, las aguas grises y las aguas pluviales. El agua del inodoro se colectaba a través de un alcantarillado que funcionaba al vacío llamado el sistema Liernur (J.M. van Bemmelen, 1886). Este sistema encontró un uso en distintos pueblos Europeos (Figura 1.1). En esa época las aguas residuales colectadas no recibían ningún tratamiento. En lugar de esto, eran esparcidas sobre la tierra como un fertilizante. Sin embargo, la saturación de las tierras con este tipo de aguas llegó a ser un problema serio, y la continua expansión de las ciudades hizo más difícil el encontrar tierras disponibles para tal fin. La idea de que se podría dar un mejor uso a los “ organismos ” gradualmente empezó a surgir (Cooper, 2001). Figura 1.1 Sistema Liernur para la recolección de las aguas del inodoro (A), y el vehículo utilizado para colectar y transportar los residuos (B) (fotos: van Lohuizen, 2006). En los Estados Unidos de América y el Reino Unido se les dio uso a estos organismos al ser aplicados para limpiar el agua en los llamados filtros biológicos, que eran sistemas con biopelículas sobre rocas provenientes del lecho de ríos. Uno de los primeros filtros biológicos se instaló en 1893 en Salford cerca de Manchester. En los Estados Unidos el primer filtro fue instalado en 1901, en Madison, Wisconsin. Entre 1895 y 1920, se instalaron muchos para tratar aguas residuales de las ciudades y pueblos en el Reino Unido. Este rápido crecimiento frenó en el Reino Unido la implementación del proceso por A B Desarrollo del Tratamiento de Aguas Residuales 3 lodos activados, que fuera inventado en 1913, debido a la importante inversión que ya se había realizado en los biofiltros. El proceso de lodos activados fue descubierto en el Reino Unido, a raíz de experimentos llevados a cabo para el tratamiento de agua en un reactor de llenado y vaciado (el precursor del actual reactor discontinuo secuencial) que produjo un efluente altamente tratado. Creyendo que el lodo había sido activado, al igual que el carbón activado, e l proceso fue llamado “lodos activados” (Ardern y Lockett, 1914). Durante la primera mitad del siglo XX, los ríos sobre los cuales eran descargadas las aguas residuales eran considerados como parte integral del proceso de tratamiento. La razón por la cual se requieren cinco días para la determinación de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) se debe a que este era el tiempo máximo requerido en los ríos del Reino Unido, antes de llegar al mar. En el libro “ Stream Sanitation ” de Phelps (1944), se utilizan modelos matemáticos para calcular la carga orgánica máxima a partir de la curva de oxígeno, a fin de prevenir que la concentración de oxígeno disuelto disminuya por debajo del valor mínimo en relación con la descarga de aguas residuales. Con el rápido crecimiento de las ciudades fue muy evidente que los ríos no podrían ser capaces de soportar mayores cargas orgánicas. Como respuesta, se incrementaron los requisitos para el tratamiento de aguas residuales para alcanzar mejores eficiencias de eliminación de materia orgánica. Para reducir la demanda de oxígeno en los ríos, así como para eliminar los efectos nocivos del amonio, fue introducida la nitrificación. Esto propició que en Estados Unidos, Europa y Sudáfrica se construyeran algunas plantas con filtros percoladores de baja carga para eliminar materia orgánica y amonio. La digestión anaerobia fue usualmente incluida en estas plantas para tratar el lodo primario y el producido en el filtro percolador. Se pensaba que la descarga de nitrato generada en este tipo de filtros era buena porque impedía la generación de condiciones anaerobias en ríos y lagos. Sin embargo, la nitrificación en los filtros percoladores no siempre es buena (especialmente en el invierno), debido a la necesidad de eliminar altas cargas orgánicas antes que la eliminación del nitrógeno. En la segunda mitad del siglo XX se presentó un nuevo problema en las aguas superficiales, la eutrofización. La eutrofización se origina por el rápido crecimiento de algas y otras plantas acuáticas debido a la presencia del efecto fertilizante del nitrógeno y fósforo descargado en los ríos. En la década de los años 60 ya era muy evidente que el nitrógeno y fósforo debían ser eliminados de las aguas residuales para prevenir la eutrofización. Esto motivó importantes programas de investigación, así, se introdujeron los conocimientos de bacteriología y bioenergética al tratamiento de aguas residuales. Al aplicar el modelo cinético de Monod (1949) utilizado en bacteriología, Downing et al . (1964) mostraron que la nitrificación dependía de la velocidad máxima de crecimiento específico de los microorganismos autotróficos nitrificantes, la cual es lenta en comparación con la de organismos heterotróficos. Para una planta a escala, esto significa que la edad del lodo debe ser lo suficientemente grande para alcanzar de manera consistente bajas concentraciones de amonio en el efluente. De esta forma se logró el uso del modelo cinético de Monod en el tratamiento de aguas residuales, y actualmente sigue siendo utilizado en todos los modelos de simulación del tratamiento biológico de aguas residuales. A partir de los estudios de bioenergía que fueron desarrollados de manera muy avanzada por McCarty (1964), se comprendió que el nitrato producido por nitrificación puede ser utilizado por algunas bacterias heterotróficas en lugar del oxígeno y convertirlo en gas nitrógeno. Este conocimiento permitió que se dispusiera de una sección, en el sistema de lodos activados, que no fuera aireada para inducir la desnitrificación. Con todo este nuevo conocimiento puesto exitosamente en práctica, el proceso con biomasa suspendida de lodos activados llegó a ser el sistema de tratamiento mayormente preferido. El sistema post-desnitrificación, en donde un reactor no aireado (anóxico) le sigue a un reactor aerobio, fue desarrollado en Suiza por Wurhmann (1964). Para aumentar la velocidad desnitrificante en el reactor anóxico, se utilizaron dosis de metanol como fuente de materia orgánica para ayudar al proceso. Debido a los bajos