&EPA
United States
Environmental Protection
Agency
Office of Water
Washington, D.C.
EPA832-F-00-013
Septiembrede1999
Folleto informativo de tecnologia
de aguas residuales
Zanjas de oxidacion
DESCRIPCION
Una zanja de oxidacion es una modification del
sistema biologico de tratamiento con lodos
activados que utiliza un tiempo extenso de
retention de solidos (solids retention times,
SRT) para la remocion de compuestos organicos
biodegradables. Las zanjas de oxidacion
funcionan normalmente como sistemas de
mezcla completa, pero pueden ser modificados
para simular las condiclones de flujo en piston
(Nota: a medida que las condiciones se
aproximan al flujo en piston se debe utilizar la
difusion de aire para proporcionar mezclado
suficiente, pero en ese caso el sistema ya no
opera como una zanja de oxidacion). Los
sistemas de tratamiento tipicos con zanjas de
oxidacion tienen una configuration de anillo,
ovalo o tanque en forma de herradura dentro de
los cuales se encuentran uno o multiples
canales. For esta razon las zanjas de oxidacion
se denominan comunmente con reactores de tipo
carrusel. Aireadores montados en forma
vertical u horizontal proporcionan la circulation
del agua, la transferencia de oxigeno y la
aireanion en las zanias
ZANJA DE OXIDACION
A LA DESINFECCION
LODO ACTIVADO RECIRCULADO
(RAS)
BOMBAS DE LODO
PROCEDENTE DEL
TRATAMIENTO PRIMARIO
Fuente: Parsons Engineering Science, Inc., 2000.
FIGURA 1 SISTEMA TIPICO DE LODOS ACTIVADOS
CON ZANJAS DE OXIDACION
-------
Los tratamientos primaries tales como rejillas y
desarenadores normalmente preceden a las
zanjas de oxidation. Algunas veces se incluye
sedimentation primaria antes de las zanjas, pero
este no es el disefio tipico. Se pueden necesitar
filtros terciarios despues de la sedimentation
dependiendo de los requisites de descarga del
efluente. La desinfeccion es requerida y puede
necesitarse reaireacion antes de la descarga
final. El agua que fluye por las zanjas de
oxidation es aireada y mezclada con lodo
recirculado del sedimentador secundario. La
Figura 1 presenta un diagrama tipico de flujo de
proceso para una planta que utiliza zanjas de
oxidation.
Aireadores de superficie tales como los de
rotores de cepillo, de disco, de chorro o de
difusor de burbuja fma son usados para
recircular el licor mezclado para acelerar el
crecimiento microbiano; al mismo tiempo la
velocidad resultante asegura el contacto de los
microorganismos con el afluente de agua
residual. La aireacion aumenta drasticamente el
nivel de oxigeno disuelto (O.D.), pero este
disminuye debido a que la biomasa consume
oxigeno a medida que el licor mezclado se
desplaza por la zanja. Los solidos se mantienen
en suspension a medida que el licor mezclado
circula alrededor de la zanja. Si los valores de
disefio de SRT se seleccionan para la
nitrification, esta se logra en un alto grado. El
efluente de las zanjas de oxidation normalmente
se clarifica en un sedimentador secundario
separado. Un tanque anaerobico puede ser
afiadido antes de la zanja para mejorar la
remocion biologica del fosforo.
Una zanja de oxidation tambien puede ser
operada para lograr desnitrificacion partial.
Una de las modificaciones de disefio mas
comunes para mejorar la remocion de nitrogeno
se conoce como el proceso modificado de
Ludzack-Ettinger (MLE). En este proceso,
segun se ilustra en la Figura 2, un tanque
anoxico se afiade aguas arriba de la zanja en
conjunto con licor mezclado de recirculacion
procedente de la zona aerobica para obtener
altos niveles de desnitrificacion. En el tanque
aerobico, las bacterias autotroficas
(nitrificadoras) convierten el nitrogeno
amoniacal a nitrogeno en forma de nitritos y
luego a nitratos. En la zona anoxica, las
bacterias heterotroficas convierten el nitrogeno
en forma de nitratos a nitrogeno gaseoso, que es
liberado a la atmosfera. Parte del licor
mezclado del tanque aerobico es recirculado a la
zona anoxica para suministrar un licor mezclado
con un alto contenido de nitratos.
Varios fabricantes han desarrollado
modificaciones al disefio de las zanjas de
oxidation para la remocion de nutrientes en
condiciones de reciclado o en fases entre los
estados anoxico y aerobico. Mientras que los
LICOR MEZCLADO RECIRCULADO
LODO PRIMARIO
LODOS ACTIVADOS
DE PURGA
-------
Fuente: Parsons Engineering Science, Inc., 1999
FIGURA 2 PROCESO MODIFICADO DE LUDZACK-ETTINGER
consistente cuando las zanjas se disefian y se
mecanismos de operation difieren de un
fabricante a otro, en general el proceso consiste
de dos tanques separados de aireacion, el
primero anoxico y el segundo aerobico. Agua
residual y lodo activado recirculado son
introducidos al primer reactor, el cual opera en
condiciones anoxicas. El licor mezclado fluye
luego al segundo tanque que opera en
condiciones aerobicas. Los procesos se
invierten posteriormente y el segundo reactor
comienza a operar en condiciones anoxicas.
APLICABILIDAD
El proceso de las zanjas de oxidation es una
tecnologia de eficiencia demostrada para el
tratamiento secundario de aguas residuales que
es aplicable a cualquier situation en donde sea
apropiado el sistema de lodos activados
(conventional o de aireacion extendida). Las
zanjas de oxidation pueden utilizarse en plantas
que requieren nitrification porque los tanques
pueden ser dimensionados usando un tiempo de
retention de solidos apropiado para que se
produzca nitrification a la temperatura minima
del licor mezclado. Esta tecnologia es muy
efectiva en instalaciones pequefias,
comunidades pequefias e instituciones aisladas
porque requieren un area de terreno mayor que
las plantas de tratamiento convencionales.
El proceso de oxidation se origino en Holanda
con la instalacion de la primera planta a gran
escala en Voorschoten en 1954. Actualmente
hay mas de 9,200 instalaciones municipales de
zanjas de oxidation en los Estados Unidos
(WEF, 1998). La nitrification requerida para
obtener concentraciones de nitrogeno amoniacal
menores a 1 mg/L se logran en forma
operan para la remocion de nitrogeno.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Ventajas
La principal ventaja de las zanjas de oxidation
es su capacidad de lograr los objetivos de
remocion de contaminantes con requerimientos
operacionales reducidos y a bajos costos de
operation y mantenimiento. Algunas de las
ventajas especificas de las zanjas de oxidation
incluyen:
• Un nivel mayor de confiabilidad y
desempefio con relation a otros procesos
biologicos debido a que el nivel constante de
agua y la descarga continua reducen la tasa
de rebose del vertedero y eliminan la
sobrecarga periodica de efluente que son
comunes en otros procesos biologicos tales
como los reactores secuenciales en tandas
(SBR).
• El tiempo extendido de retention hidraulica
y la mezcla completa minimizan el impacto
de cargas contaminantes extremadamente
altas o de sobrecargas hidraulicas.
• Produce menos lodos que otros sistemas
biologicos debido a la extensa actividad
-------
biologica durante el proceso de lodos
activados.
La eficiencia de operation en cuanto al uso
de energia da como resultado la reduction
de consumo de electricidad en relation con
otros procesos biologicos de tratamiento.
Desventajas
• Las concentraciones de solidos suspendidos
en el efluente son relativamente altas en
comparacion con otras modificaciones del
proceso de lodos activados.
• Requiere una superficie de terreno mas
grande que otras opciones de tratamiento
con lodos activados. Esto puede ser muy
costoso, restringiendo la factibilidad de uso
de las zanjas de oxidation en areas urbanas,
suburbanas y otras areas en donde el costo
de la adquisicion de terrenos es
relativamente alto.
CRITERIOS DE DISENO
El agua residual tamizada entra a la zanja,
recibe aireacion y circula a una velocidad
aproximada de 0.25 a 0.35 m/s (0.8 a 1.2 pies/s)
para mantener los solidos en suspension
(Metcalf & Eddy, 1991). La tasa de reciclaje
del lodo activado de recirculacion es del 75 al
150 por ciento, y la concentration de los solidos
en suspension en el licor mezclado va de 1,500 a
5,000 mg/L (0.01 a 0.04 libras/galon) (Metcalf
& Eddy, 1991). La eficiencia de transferencia
de oxigeno en las zanjas de oxidation es de 2.5
a 3.5 libras por HP-hora (Baker Process, 1999).
Los criterios de disefio son afectados por los
parametros del agua residual afluente y las
caracteristicas requeridas del efluente,
incluyendo la decision o el requerimiento de
lograr nitrification, desnitrificacion y/o
remocion biologica del fosforo. Los parametros
especificos de disefio para zanjas de oxidation
incluyen:
Tiempo de retention de solidos (solids
retention time, SRT): El volumen de las zanjas
de oxidation es seleccionado con base en el
SRT requerido para lograr la calidad deseada de
efluente. El SRT se selecciona como una
funcion de los requerimientos de nitrification y
la temperatura minima del licor mezclado. Los
valores de disefio del SRT varian de 4 a 48 o
mas dias. El rango tipico de valores del SRT
requerido para nitrification es de 12 a 24 dias.
Construction
Las zanjas de oxidation se construyen
normalmente de concrete reforzado, aunque
tambien se ha usado gunita, asfalto, caucho
butilico y arcilla. Normalmente se utilizan
materiales impermeables para prevenir la
erosion.
Parametros de disefio
Tasa de carga de DBO: Las tasas de carga de
DBO varian de menos de 0.16 kg/m3 (10
Ib./lOOO ft3) por dia a mas de 0.8 kg/m3 (50
Ib./lOOO ft3) por dia. Una tasa de carga de DBO
de 0.24 kg/m3 por dia (15 Ib./lOOO ft3) se utiliza
normalmente como el valor de disefio. Sin
embargo, la tasa de carga de DBO tipicamente
no es utilizada para determinar si se produce o
no la nitrification.
-------
Tiempo hidraulico de retention (hydraulic
retention time, HRT): Mientras que este
parametro se utiliza raras veces para disefio de
zanjas de oxidation, el HRT dentro de las zanjas
tiene un rango de 6 a 30 horas en la mayoria de
las plantas de tratamiento de aguas residuales
domesticas.
DESEMPENO
Dado que se trata de procesos de tratamiento
secundario de efectividad demostrada, los
procesos de las zanjas de oxidation son
facilmente adaptables para la nitrification y
desnitrificacion. Como parte del estudio
"Evaluation de zanjas de oxidation para
remocion de nutrientes" (EPA, 1991), se
recolectaron datos de 17 plantas con zanjas de
oxidation. El caudal promedio de disefio de
esas plantas se encontraba entre 378 y 45,425
m3/d (0.1 a 12 mgd). El desempefio promedio
de esas plantas, resumido en la Tabla 1, sefiala
que las zanjas de oxidation logran una remocion
mayor al 90 por ciento del DBO, los solidos
suspendidos y el nitrogeno amoniacal. De la
misma manera, Rittmann and Langeland (1985)
reportaron una remocion de nitrogeno mayor al
90 por ciento para los procesos de las zanjas de
oxidation.
La siguiente section discute el desempefio de
dos instalaciones de zanjas de oxidation
recientemente disefiadas.
TABLA 1 DESEMPENO DE LA PLANTA
DE CASA GRANDE, ARIZONA
DBO
SST
Promedio
mensual
del
afluente
(mg/L)
226
207
Promedio
mensual
del
efluente
(mg/L)
8.86
5.23
Porcentaje de
remocion (%)
96
97
N total
34.5
1.99
94
Fuente: City of Casa Grande, AZ, 1999
Casa Grande Water Reclamation Facility
La planta de tratamiento para recuperation de
agua de la ciudad de Casa Grande en Arizona
inicio operaciones en el afio 1996. El sistema
fue disefiado para tratamiento de 15,142 mVd
(4.0 mgd), con el uso de una zona anoxica
previa a la zona aerobica de cada tren de
tratamiento con el fin de lograr desnitrificacion.
Con parametros de disefio del afluente de 270
mg/L de DBO (0.002 libras/galon), 300 mg/L de
SST (0.003 libras/galon) y 45 mg/L de
nitrogeno total Kjeldhal (3.8xlO"4 libras/galon),
la planta ha logrado cumplir en forma
consistente con objetivos de descarga del
efluente de 10 mg/L de DBO (8.34xlO"5
libras/galon), 15 mg/L de SST (1.2xlQ-4
libras/galon), y 1.0 mg/L de nitrogeno en forma
de amoniaco (8.34xlO"6 libras/galon) y 5.0 mg/L
en forma de nitratos (4.2xlO"5 libras/galon). La
Tabla 1 resume el desempefio de la planta entre
Julio de 1997 y julio de 1999.
-------
TABLA 2 DESEMPENO DE LA PLANTA
DE EDGARTOWN, MASSACHUSSETS
Residues generados
DBO
SST
N total
Promedio
mensual del
afluente
(mg/L)
238
202
27.1
Promedio
mensual
del
efluente
(mg/L)
3.14
5.14
2.33
Porcentaje de
remocion (%)
99
97
90
Fuente: Town of Edgartown, 1999
Se generan lodos primarios si la planta tiene
sedimentadores primarios antes de las zanjas de
oxidation. La production de lodos en las
zanjas por los procesos de oxidation va de 0.2 a
0.85 kg de SST por cada kg de DBO aplicado
(0.2 a 0.85 libras por libra aplicada) (Sherwood
Logan and Associates, 1999). La generation
tipica de lodos es de 0.65 kg de SST por kg de
DBO aplicado (0.65 libras por libra aplicada).
Estos valores son menores que los de
instalaciones convencionales de lodos activados
debido al tiempo extendido de retention de los
solidos.
Planta de tratamiento de aguas residuales de
Edgartown, Massachussets
Parametros operatives
La planta de tratamiento de la ciudad de
Edgartown, ubicada en la isla de Martha's
Vineyard en Massachusetts, esta disefiada para
tratamiento de 757 mVd (0.20 mgd) en los
meses de invierno y 2,839 mVd (0.75 mgd) en
los de verano. Con dos tanques Carrousel®
denitIR instalados, la planta ha logrado sus
objetivos de desempefio desde el inicio de su
operation. La Tabla 2 resume los valores
promedio en el afluente y efluente.
El coeficiente de transferencia de oxigeno para
la remocion de DBO varia con la temperatura y
el SRT. Los requerimientos tipicos de oxigeno
van de 1.1 a 1.5 kg de O2 por kg de DBO
removido (1.1 a 1.5 libras por libra removida), y
4.57 kg de O2por kg de nitrogeno total Kjeldhal
oxidado (4.57 libras por libra oxidada) (EPA,
1991; Baker Process, 1999). La eficiencia de
transferencia de oxigeno es de 2.5 a 3.5 libras
por HP-hora (Baker Process, 1999).
OPERACION Y MANTENIMIENTO
Las zanjas de oxidation requieren un
mantenimiento relativamente reducido en
comparacion con otros procesos de tratamiento
secundario. La mayoria de las aplicaciones no
requieren compuestos quimicos, pero se pueden
afiadir sales metalicas para mejorar la remocion
del fosforo.
COSTOS
El volumen de los tanques y el area construida
de las plantas con zanjas de oxidation son
tradicionalmente mucho mayores que los de
otros procesos convencionales de tratamiento
secundario. La extensa area construida tiene
como resultado mayores costos de inversion de
capital, especialmente en areas urbanas en
-------
donde el terreno disponible es muy costoso.
Los reactores verticales, en los cuales el flujo
avanza por el reactor hacia el fondo del tanque,
son generalmente mas costos que los reactores
horizontales tradicionales. Sin embargo, debido
a que estos requieren un menor terreno que los
reactores horizontales mas tradicionales, el uso
de reactores verticales puede producir una
reduction significativa del costo total de
inversion en donde el precio del terreno sea alto.
Los costos de las plantas con zanjas de
oxidacion varian de acuerdo con la capacidad de
tratamiento, las consideraciones de disefio por
los limites del efluente, y otros factores
especificos del sitio. Los costos de inversion
para construccion de 10 plantas que fueron
evaluadas por la EPA en 1991 tuvieron un rango
de costos de $0.52 a $3.17 por litro-dia de agua
tratada ($1.96 a $12.00 por gpd). Estos costos
fueron actualizados usando un indice de costo
de construccion de ENR (Engineering News
Records) de 5916.
Information mas reciente obtenida de los
fabricantes para instalaciones con capacidad de
tratamiento entre 3,785 a 25,740 m3/d (1.0 a 6.8
mgd) sefiala que los costos van de $0.66 a $1.10
por litro-dia ($2.50 a $4.00 por gpd). Por
ejemplo, la planta de recuperacion de agua de
Blue Heron (Blue Heron Water Reclamation
Facility) en Titusville, Florida --una instalacion
con zanjas de oxidacion y manejo de lodos con
una capacidad de 15,142 nrVd (4.0 mgd) que
inicio operaciones en 1996— fue construida a un
costo de $0.80 por litro-dia ($3.00 por gpd)
(Kruger, 1996). La instalacion incluye procesos
de fases multiples para la remocion biologica de
nutrientes y un sistema sofisticado de
adquisicion de datos y supervision de control
(Supervisory Control and Data Acquisition
System, SCADA).
Las zanjas de oxidacion tienen costos de
operation y mantenimiento significativamente
menores que otros procesos de tratamiento
secundario. Con relation a otras tecnologias de
tratamiento las necesidades de energia son
bajas, el control por parte de los operadores es
minimo, y normalmente adicion de compuestos
quimicos no es requerida. Por ejemplo, la
planta de recuperacion de agua residual de Tar
River (Tar River Wastewater Reclamation
Facility) de Louisburg en North Carolina
reporto un ahorro de energia del 40 por ciento
en comparacion con plantas convene!onales de
lodos activados (Ellington, 1999). El uso de las
zanjas tambien elimino costos de compuestos
quimicos y permitio que el personal estuviera
disponible para otras tareas en la planta
(Ellington, 1999).
REFERENCIAS
Otros Folletos Informativos relacionados:
Otros Folletos Informativos de la U.S. EPA se
pueden obtener en el siguiente sitio de Internet:
http ://www. epa. gov/owmitnet/mtb fact, htm
1. Baker Process, 1999. Personal
communication with Betty-Ann Custis,
Senior Process Engineer, Memorandum
to Parsons Engineering Science, Inc.
City of Casa Grande, Arizona, 1999.
Facsimile from Jerry Anglin to Parsons
Engineering Science, Inc.
Ettlilch, William F., March 1978. A
Comparison of Oxidation Ditch Plants
to Competing Processes for Secondary
and Advanced Treatment of Municipal
Wastes.
-------
Ellington, Jimmy, 1999. Plant
Superintendent, Tar River Water
Reclamation Facility. Personal
conversation with Parsons Engineering
Science, Inc.
Kruger, Inc. 1996. A2O &ATAD
Processes provide Effective Wastewater,
Biosoilds Treatment for Titusville, Fla.
Fluentlines, 1 (2).
Metcalf and Eddy, Inc., 1991.
Wastewater Engineering: Treatment,
Disposal, Reuse. 3rd edition. New York:
McGrawHill.
Ohio, EPA-600/2-78-051. Prepared by
HydroQual, Inc. Preliminary Draft
Evaluation of Oxidation Ditches for
Nutrient Removal.
11. Water Environment Federation, 1998.
Design of Municipal Wastewater
Treatment Plants, 4th edition, Manual of
Practice No. 8: Vol 2, Water
Environment Federation: Alexandria,
Virginia.
INFORMACION ADICIONAL
Sherwood Logan and Associates, Inc.,
1999. Personal communication with
Robert Fairweather. Faxsimile
transmitted to Parsons Engineering
Science, Inc.
Town of Edgartown, Massachusetts,
1999. Facsimile from Mike Eldridge to
Parsons Engineering Science, Inc
9. U.S. Environmental Protection Agency,
February 1980. Innovative and
Alternative Technology Assessment
Manual. Office of Water Program
Operations, Washington, D.C. and
Office of Research and Development,
Cincinnati, Ohio.
10. U.S. Environmental Protection Agency,
Municipal Environmental Research
Laboratory, September 1991. Office of
Research and Development, Cincinnati,
City of Findlay, Ohio
Jim Paul, Supervisor - Water Pollution Control
1201 South River Road
Findlay, OH 45840
Edgartown Wastewater Department
Michael El dredge, Chief Operator
P.O. Box 1068
Edgartown, MA 02539
Casa Grande WWTP
Jerry Anglin, Chief Operator
1194 West Koartsen
Casa Grande, AZ 85222
Tar River Wastewater Reclamation Facility
Jimmy Ellington, Superintendent
HOW. Nash St.
Louisburg, NC 27549
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at West Virginia University
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