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R. S. Kama/ho
Faculty of Science and Engineering Lavas University Cuebec, Canada

EDITORIAL REVERTÉ, S. A.
Barcelona- Bogotá- Buenos Aires - Caracas - México
Prefacio de la edición castellana
Este libro es una introducción al tratamiento de aguas residuales industriales y domésticas, dirigida
tanto a estudiantes como a licenciados en ingeniería, biología, química, etc. interesados en este tema.
Algunos de los primeros libros que aparecieron en este campo se basan fundamentalmente en la
descripción y el estudio de secuencias de procesos que se utilizan para tratar las aguas residuales de
determinadas industrias. Por el contrario, este libro se basa principalmente en el estudio, de forma
aislada, de las operaciones y los procesos unitarios. Además, los principios fundamentales se
desarrollan de manera que permitan al profesional evaluar cualquier tipo de tratamiento, así como
seleccionar los procesos y diseñar los equipos más adecuados para tratar una determinada agua
residual.
A lo largo del texto, el procedimiento para seleccionar y diseñar un tratamiento de aguas residuales
se presenta, generalmente, en tres etapas. 1) Resumen de la teoría necesaria para el estudio del
proceso en cuestión (p. ej., cinética química, balances de materia y energía) y discusión de los principios
físicos y químicos. 2) Definición de los parámetros de diseño para el proceso en cuestión y
determinación experimental de esos parámetros tanto a escala de laboratorio como de planta piloto. 3)
Desarrollo de un procedimiento sistemático para el diseño definitivo de la unidad de tratamiento. A
continuación se dan ejemplos numéricos para ilustrar la forma en que se han utilizado los datos de
laboratorio, así como los cálculos detallados que se realizan en la etapa de diseño.
Esta versión española es una revisión ampliada y actualizada de la segunda edición en lengua
inglesa, publicada por Academic Press, New York, en diciembre de 1983.
Deseo agradecer a los ingenieros Domingo Jiménez Beltrán y Federico de Lora quienes realizaron la
mayor parte del trabajo de traducción. Del mismo modo, agradezco a muchos otros colaboradores que
participaron en este proyecto y que por ser tantos no puedo nombrarlos específicamente. Entre ellos
incluyo a las dactilógrafas, los dibujantes y muchos estudiantes y profesores que me brindaron una
inestimable ayuda durante las diferentes etapas de este trabajo,
RUBENS S. RAMALHO
Indice analítico
Prefacio de la edición castellana
Capítulo l Introducción
1. Introducción 2. La función del técnico en reducción de contaminantes de las aguas 3. 4 5
Niveles de tratamiento de aguas residuales y normas de calidad de las aguas residuales
. Fuentes de aguas residuales . Aspectos económicos del tratamiento de aguas residuales y balance económico
para reutilización de las aguas
6. Efectos de la contaminación del agua en el medio ambiente y en la biota 7. 8. Tipos de abastecimiento de aguas y
clasificación de sus contaminantes
Eutrofización
Referencias
Capítulo 2 Caracterización de aguas residuales domésticas
e industriales
. Medida de concentración de contaminantes en aguas residuales . Medida del contenido en compuestos orgánicos:
Grupo 1—Métodos de determinación
de parámetros de demanda de oxígeno
. Medida del contenido en materia orgánica: Métodos para la determinación
de parámetros basados en el contenido de carbono
. Modelo matemático para la curva de DBO . Determinación de los parámetros K y Lo , Relaciones entre K y la
relación DBO5/DBO, . Efectos medioambientales sobre el ensayo de la DBO
. Nitrificación . Evaluación de la viabilidad de los tratamientos biológicos para aguas
residuales industriales
. Ensayos biológicos . Características de las aguas residuales municipales . Campañas de aguas residuales
industriales . Correlaciones estadísticas de los datos obtenidos en una campaña
de evaluación de residuos industriales Referencias
VII
Capítulo 3 Pretratamientos y tratamientos primarios
1. 2.
Introducción Cribado
3. Sedimentación
4.-Elotación
Neutralización (y homogeneización)
5.
Referencias
Capítulo 4 Teoría y práctica de la aireación en tratamientos

:
:
de aguas residuales
. Introducción
. Fases del proceso de transferencia de oxígeno . Ecuación de transferencia de oxígeno . Determinación del
coeficiente global de transferencia KLa por aireación
en régimen transitorio de agua corriente
. Integración de la ecuación diferencial de transferencia de oxígeno . Aireación en régimen transitorio de aguas con
lodos activos, . Determinación en régimen estacionario de KLa
en el proceso de lodos activos
. Capacidad de oxigenación en condiciones de referencia y en condiciones reales . Rendimiento en la transferencia
de oxígeno de las unidades de aireación . Efecto de las características de las aguas residuales en la transferencia de
oxígeno . Determinación en laboratorio del coeficiente de transferencia de oxígeno
Clasificación de los equipos de aireación. Rendimiento de la transferencia de oxígeno Unidades de difusión de aire
. Unidades de aireación por turbinas
. Equipos de aireación superficial
Referencias
Capítulo 5 Tratamiento secundario: El proceso de lodos activos

:
8
f{}. 11. 12.
13.
. Introducción
. Modelos matemáticos del proceso de lodos activos
. Relaciones cinéticas
. Balances de materia
Relación para calcular las condiciones óptimas de decantación del lodo . Determinación experimental de los
parámetros biocinéticos necesarios para el diseño
de los reactores biológicos aerobios
. Procedimiento de diseño de las plantas de lodos activos . Tiempo de residencia medio de los sólidos y edad de los
lodos . Solución alternativa en el procedimiento de diseño de las plantas de lodos activos
basada en la selección de un valor para la edad de los lodos
Agotamiento
La ecuación de Michaelis-Menten Modelos de reactores en continuo: Reactor de flujo continuo en tanque agitado
(RFCTA), reactor de flujo pistón (FP) y reactor de flujo arbitrario Expresión para la fracción de sólidos degradables
de los MLVSS
Referencias
Índice analítico
91
92 146 154 197
199 202 203
205 2}{} 210
2} | 212 220 221 223 223 224 232 237 252
253 260
269 291
299 333 350
354 364 366
380 392
Índice analítico
Capítulo 6 Tratamiento secundario: Otros procesos aerobios y anaerobios
1. 2. 3.
4. Otras modificaciones del proceso convencional de lodos activos: aireación escalonada,
്
56
9
x
Introducción Aireación prolongada (o proceso de oxidación total) Contacto-estabilización
proceso de lodos activos por mezcla completa, aireación descendente, proceso de lodos activos de alta carga y
aireación con oxígeno puro Lagunas aireadas
Balsas de estabilización de aguas residuales
Filtros percoladores
Biodiscos (RBC)
Tratamiento anaerobio de las aguas residuales
Referencias
Capítulo 7 Tratamiento y evacuación de lodos
. Introducción , Digestión aerobia y anaerobia de lodos . Espesamiento de lodos . Secado de lodos por filtración al
vacío . Filtración a presión
. Centrifugación . Eras o lechos de secado de lodos . Tratamiento previo de los lodos , Evacuación del lodo
Referencias
Capítulo 8 Tratamiento terciario de las aguas residuales
!
. Introducción . Eliminación de sólidos en suspensión , Adsorción en carbón activo . Intercambio iónico
Osmosis inversa
. Electrodiálisis , Procesos de oxidación química (cloración y ozonación) . Eliminación del fósforo
. Eliminación del nitrógeno . Proceso «Sonozone» de purificación de aguas residuales
Referencias
Índice alfabético
4ii 4; 2 419
425 437 459 472
493
503 530
53; 533 551 552 568 570 570 576 578 584
585 585 586 605 617 635 636 642 646 683 696
697
Capitulo 1
Introducci6n
I. Introducci6n
..................................................... 2. La funcion del ttcnico en reduccion de contaminantes de las aguas

..............
1
3. 4. Niveles de Fuentes de tratamiento aguas residuales

de aguas ............................................
residuales y normas de calidad de las aguas

........
2 8 10 6. 5. 7. 8. Referencias Tipos Aspectos Eutrofizaci6n Efectos y balance de de abastecimiento econ6micos
economico ........................................................ la contaminaci6n .....................................................
para del de tratamiento la aguas del reutilizacion agua y clasificaci6n en de el aguas de medio las residuales
aguas de ambiente sus contaminantes

....................... y en la biota ............ ..........

10 15 23 24 26
Puede decirse que solamente a partir de la dtcada de 10s 60, ttrminos tales como con- taminacibn del aire y del
agua, protecci6n del medio ambiente, ecologia .... pasaron a ser palabras de uso comlin. Antes de estas fechas estos
ttrminos o bien pasaron desapercibi- dos para el ciudadano medio, o a todo lo mas eran base para ideas confusas.
Desde enton- ces, el gtnero humano ha sido bombardeado continuamente por 10s medios de comunica- ci6n
(peribdicos, radio, TV) con la terrible idea de que la humanidad estaba trabajando efectivamente para su
autodestruccion, a travts de procesos sistematicos de contamina- ci6n del medio ambiente, con el fin de conseguir un
progreso material.
En algunos casos la gente ha sido arrastrada hasta casi un estado de histeria de masas. Aunque la contaminaci6n
es un problema serio y es por supuesto deseable que el ciuda- dano sea consciente de ello, es dudoso que la histeria
de masas sea en cualquier caso justi- ficable. El instinto de conservacibn de las especies es una motivation basica
para la huma- nidad, y el hombre esti equipado para corregir el deterioro del medio ambiente antes de que sea
demasiado tarde. De hecho, la correcci6n de la contaminaci6n no es un problema ttcnico de gran dificultad
comparado con otros, mucho mas complejos, resueltos con Cxi- to en esta dkcada, tal como la exploraci6n de la luna
por el hombre. Esencialmente, el cono- cimiento tkcnico bkico requerido para resolver el problema de la
contaminaci6n esti ya a disposici6n del hombre y, en la medida en que quiera pagar un precio razonable por conse-
guirlo, la pesadilla de la destrucci6n a travks de la contaminaci6n nunca se hari realidad.
2 lntroducción
De hecho precios muy superiores han sido pagados por la humanidad para desarrollar y mantener toda
la maquinaria de guerra y armamento.
Como tema principal de este libro se considera el diseño científico de plantas de proceso para
tratamiento de aguas residuales tanto de origen doméstico o urbano como industrial. Puede considerarse
que solamente en los últimos años el diseño de estas plantas ha evolucionado de ser meramente
empírico a tener una sólida base científica. Además, la investigación fundamental en nuevos procesos de
tratamiento tales como ósmosis inversa y electrodiálisis sólo recientemente se han convertido en algo
verdaderamente accesible.
2. LA FUNCIÓN DEL. TÉCNICO EN REDUCCIÓN DE CONTAMINANTES DE LAS AGUAS
2.1 Necesidad de una aproximación multidisciplinar al problema de reducción
de la contaminación del agua
Aunque, como se ha dicho anteriormente, el problema de la contaminación del agua no es
técnicamente un problema difícil, el campo es de gran amplitud, y de suficiente complejidad como para
justificar el que diferentes disciplinas deben conjuntarse para conseguir óptimos resultados con un coste
mínimo. Una aproximación sistemática a la reducción de la contaminación de las aguas exige la
participación de disciplinas distintas: ciencias aplicadas e ingeniería (ingeniería sanitaria, de obras
públicas, química, así como otros campos de la ingeniería, mecánica, eléctrica, y ciencias básicas como
la química, física); ciencias biológicas (biología acuática, microbiología, bacteriología), ciencias de la
tierra (geología, hidrología, oceanografía); y ciencias sociales y económicas (sociología, derecho,
ciencias políticas, relaciones públicas, economía, administración).
2.2 Revisión de la contribución de la ingeniería
a la reducción de la contaminación de las aguas

El ingeniero sanitario, hasta ahora generalmente con una base en el desarrollo de obras
públicas, históricamente ha sido la base para las actividades de ingeniería en lo que se refiere
a corrección de la contaminación de las aguas. Esta situación está basada en el inicio de la
actividad cuando la mayoría de las aguas residuales eran de origen urbano-doméstico, cuya
composición no varía significativamente. En consecuencia los métodos de tratamiento están
relativamente normalizados, siendo muy limitado el número de procesos onitarios y
operaciones que integran las líneas de tratamiento. Los métodos de tratamiento oradicionales
incluían grandes depósitos de hormigón, donde se llevaba a cabo una sedioontación o
aireación, operación de filtros percoladores, cloración, cribado y ocasional"onte algunas otras
operaciones. El principal trabajo del técnico se centraba en los pro
Introducción 3
blemas constructivos e hidráulicos y naturalmente la ingeniería de obras públicas era un requisito
indispensable para el técnico que pretendía hacer un diseño de estas instalaciones. Esta situación ha
cambiado últimamente, en un principio gradualmente y, más recientemente, de una forma acelerada con
la llegada de la industrialización. Como resultado de la gran variedad de procesos industriales, se han
comenzado a producir aguas residuales de muy diverso tipo, lo que requiere tratamientos más complejos
que han ido apareciendo sucesivamente. El tratamiento de aguas residuales actualmente lleva consigo
tantos procesos de tratamiento y equipos, operaciones unitarias y de proceso que se hizo evidente que,
sobre todo, la ingeniería química debería tener una participación prioritaria en la resolución de los
problemas de aguas residuales. El concepto de operaciones unitarias, desarrollado fundamentalmente
en la ingeniería química a lo largo de los últimos 50 años, constituye la llave de la aproximación científica
a los problemas de diseño que se encuentran en el tratamiento de aguas residuales. -
De hecho, incluso las aguas residuales municipales actuales ya no son las aguas residuales o aguas
negras de antes. Prácticamente todos los municipios en zonas industrializadas deben manejar una
combinación de aguas residuales domésticas e industriales. Los problemas técnicos y económicos que
llevan consigo tales tratamientos obliga en muchos casos a hacer tratamientos separativos (segregación)
de aguas industriales, antes de su descarga en el alcantarillado municipal.
Asimismo, la composición de las aguas residuales verdaderamente domésticas ha cambiado con la
entrada en el mercado de una serie de productos nuevos, ahora accesibles al ama de casa, tales como
detergentes sintéticos y otros. Así pues, tratar las aguas residuales domésticas de una forma óptima
requiere modificaciones del enfoque tradicional.
En resumen, para el tratamiento tanto de las aguas residuales domésticas como industriales hay que
empezara considerar nuevas tecnologías, nuevos procesos y en general nuevas líneas de tratamiento,
así como modificación de las antiguas. La imagen actual de una planta de tratamiento no es la de
grandes depósitos de hormigón, sino la de una serie de procesos unitarios integrados. Estas
operaciones, tanto físicas como químicas en su base, deben diseñarse caso por caso para cada
problema de aguas residuales. El técnico que deba enfrentarse a este proceso, debe manejar con soltura
estas operaciones unitarias y su integración, estando de esta forma cualificado para diseñar las plantas
de tratamiento.
2.3. Presentación de un caso de tratamiento
de aguas residuales industriales histórico
Un caso interesante en el que se pone de manifiesto el papel de la ingeniería química en el diseño de
las plantas de tratamiento de aguas residuales para una fábrica de pasta y de papel, es objeto de
discusión por Byrd 2. La fábrica de pasta y papel objeto del caso debía descargar sus aguas residuales
en un río con un gran valor recreativo, y con una población piscícola muy equilibrada. Por esta razón se
tomó especial cuidado en la planificación y
4. /ntroducción
diseño detallado de las líneas de tratamiento. Asimismo se desarrollaron modelos matemáticos para
estudiar la capacidad de asimilación del río. El diseño de la planta de tratamiento llevaba asimismo
consigo un estudio de determinación de cuáles eran los efluentes de aguas residuales que debían
segregarse (corrientes) para su tratamiento individual y cuáles de éstos deberían seguir un tratamiento
combinado. Para seleccionar finalmente el proceso de tratamiento se hizo una selección de alternativas
2). Algunos de los procesos unitarios considerados en la planta de tratamiento, varios de ellos
desechados posteriormente y sustituidos por otras alternativas, eran los siguientes: sedimentación,
flotación con aireación, homogeneización, neutralización, filtración (filtros rotativos), centrifugación,
ósmosis inversa, secado, oxidación en lecho fluidificado, incineración en hornos, oxidación húmeda,
adsorción con carbón activo, procesos de lodos activos, lagunaje con aireación, floculación con
polielectrolitos, cloración, vertedero controlado y riego por aspersión. La integración de todas estas
operaciones unitarias y procesos en una planta con un diseño final optimizado constituía un proceso
verdaderamente desafiante. La planta de tratamiento significaba un coste superior a los 10 millones de
dólares y sus costes de operación superaban el millón de dólares por año.
2.4. La formación en ingeniería química como base del currículo
para abordar el problema del tratamiento de aguas residuales 5
La ingeniería química es una base sólida y considerable para la entrada en el campo de las aguas
residuales. El conocimiento de las cinéticas de reacciones, análisis de sistemas, balances másicos...,
tiene un especial valor para la corrección y tratamiento de aguas residuales. Puede asegurarse que la
preparación básica en ingeniería química es significativa para entrar en este tipo de actividades. Hasta el
momento muchos de los ingenieros que trabajan en este campo han sido sobre todo procedentes del
campo de las obras públicas.
La naturaleza multidisciplinaria de esta actividad debe ser plenamente reconocida, debiéndose
además considerar que las personas con una sólida base en ingeniería química deben abordar una serie
de conocimientos complementarios estudiando microbiología, debido a la gran importancia de los
tratamientos biológicos de las aguas residuales, así como hidráulica ya que los temas tales como flujo en
canales abiertos, modelos matemáticos, receptores de aguas (ríos, estuarios, lagos, etc.) no reciben una
atención significativa en los cursos de mecánica de fluidos que normalmente reciben los especialistas en
ingeniería químical.
2.5. Diseño integrado («Inplant») o separado («End-of-pipe») de las plantas de tratamiento de
aguas residuales 6
2.5.1. Introducción

Frecuentemente existe la tentación de pensar en los tratamientos de las aguas residuales

industriales como de plantas separadas de la del proceso original (solución «End-of
Introduccion 5

pipe»). Esto significaría diseñar una planta sin tener en cuenta la reducción de la contaminación
en origen y en consecuencia considerando separadamente el diseño de la planta de
tratamiento de aguas residuales. Tal estrategia no debe ser la utilizada ya que se considera
poco rentable económicamente.
La estrategia correcta para un programa de reducción de la contaminación industriales aquella en la
que se tienen en cuenta todas las oportunidades para tratamiento de las aguas residuales integradas en
el proceso básico de la actividad industrial: Esto puede parecer una estrategia más complicada que la
manipulación o la consideración de las aguas residuales de una forma separada. Sin embargo, esta
estrategia es la recomendada y la que puede considerarse como óptima a partir de un balance
económico, tal y como se describe en los puntos 2.5.2 y 2.5.3.
2.5.2. ¿Cué se entiende por reducción de la contaminación, o de las aguas residuales,
mediante modificación del proceso básico?
Esencialmente la reducción de la contaminación de las aguas residuales en origen lleva consigo tres
fases distintas.
Fase 1. Llevar a cabo una campaña de revisión de todos los efluentes de la planta. Esto significa
hacer un inventario de todas las fuentes, así como finalmente para cada corriente de aguas residuales
determinar los caudales y las cargas contaminantes.
(a) Caudales. Para caudales continuos basta con determinar dichas cifras (m/h). Para descargas
intermitentes se suele proceder a estimar o bien los totales diarios o bien los valores horarios y su
evolución.
(b) Cargas contaminantes. La carga contaminante de las distintas corrientes (concentración o valores
totales de productos contaminantes en dichas corrientes) se expresa de muy distintas formas que se
discuten en los capítulos siguientes. Para compuestos orgánicos que están sometidos a oxidación
bioquímica, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) (que se define en el capítulo 2 punto 2.3) es la
más normalmente empleada. En el caso que se discute en el punto 2.5.3 se utiliza la DBO para medir la
concentración en materia orgánica. -
Fase 2. Revisión de los datos obtenidos en la fase 1 para establecer los objetivos de reducción de la
contaminación posibles. Algunos de éstos son: (1) incrementar el reciclaje en los sistemas de aguas de
refrigeración; (2) eliminación de enfriamiento por contacto para gases de escape, por ejemplo sustitución
de condensadores barométricos por intercambiadores de tubos o sistemas de refrigeración por aire; (3)
recuperación de productos químicos contaminantes: a veces pueden llegar a obtenerse beneficios
económicos de tales reciclajes de productos que de otra forma se descargan en los alcantarillados.
Puede llegara diseñarse una planta para recuperación de estos subproductos; (4) reutilización de aguas