&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 National Small Flows Clearing House at West Virginia University P.O. Box 6064 Morgantown, WV 26506 La mention de marcas o de productos comerciales no significa que la Agencia de ------- Protection Ambiental de los Estados Unidos apruebe o recomiende su uso. Municipal Technology Branch U.S. EPA Mail Code 4204 1200 Pennsylvania Ave., NW Washington, D.C., 20460 IMTB Emteiie ti ajn&artt tnrougn MUNICIPAL TECHNOLOGY B R A N^M Para mayor information, contactarse con: ------- |