Datos de entrada1:
Caudal : 42.00L/día-115.20L/día
Tiempo de retención (TRH) : 4h - 15h Diámetro de zona de digestión : 0.15m
Carga orgánica DQO : 860mg/L
Altura de zona de sedimentación : 0.15m Altura zona del manto de lodos : 1.20m
1 Datos obtenidos del -
UNIinforme:ConvenioEspecifico“CITRARdeCooperaciónFIAInterinstitu cional MINAM-UNI –Informe 1”
Cálculos:
Para una adecuad
a
operación:La velocidad Ascensional : máximo 1.0 m/h
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Q=
42.00
Q=115.20l/día;
Ambos caudales de operación cumplen en ser menores a 1.0 m/h
2.- Comprobación de los caudales de operación:
Para concentraciones bajas de carga orgánica < 1500mg/L DQO, utilizamos:
Formula de Caudal:
32 Zona Altura(Hi) Diámetro(Di) (m) (m) Digestión 1.20 0.15 Deflector 0.04 0.11 Sedimentación 0.15 0.20
Calculamos el volumen total del reactor (Vr) es:
El rango de operación cubre el rango de diseño 42.00L/día - 157.20L/día.
Zona de separador de fases
Para un funcionamiento adecuado debe cumplir:
El volumen de sedimentación debe estar entre 15-20% del volumen útil del reactor (Van Haandel y Lettinga, 1998).
Diámetro del cono : 0.15m
Angulo de cono : 50°
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Vr: Volumen útil del reactor.
Porcentaje en volumen de sedimentación respecto al volumen total del reactor:
Detalles del separador de fases
Vista frontal
34 5. Marco Teórico
5.1 Experiencias a nivel nacional en el tratamiento de aguas residuales mediante el reactor anaerobio UASB en zonas de climas fríos En nuestro país no existen experiencias sobre la aplicación de reactores anaerobios UASB en el tratamiento de aguas residuales domesticas en zonas de clima frío y con una elevación superior a los 3000 m.s.n.m. El proyecto a desarrollarse sería la primera experiencia en el país sobre la aplicación de la tecnología anaerobia en el tratamiento de aguas residuales en zonas de climas fríos similares a Puno.
Se tiene como referencia la investigación realizada en escala de laboratorio realizada por Mahmoud (2002) titulada "Anaerobic Pre- treatment of Sewage Under Low Temperature (15°C) Conditions in an Integrated UASB -Digester System" que traducido al español es "Pre- tratamiento Anaerobio a bajas condiciones de temperatura (15°C) en un sistema integrado UASB-Digestor.
La investigación fue realizada en Holanda y se centró en estudiar el tratamiento de las aguas residuales que trabajaba de manera controlada de 15°C con un digestor de lodos que operó a una temperatura de 35°C y tenía como afluente parte de los lodos en exceso del reactor UASB tomados de la parte superior del manto de lodos. El efluente del digestor era introducido nuevamente en el reactor UASB. Los resultados mostraron un incremento de la eficiencia de la remoción de la DQO en un 66% con respecto al sistema que consideraba únicamente el reactor UASB.
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Figura 6 Esquema de un reactor anaerobio de mantos de lodos y flujo ascendente con un digestor de lodos a ser aplicado en zonas de
temperatura menor a 15°C2
Por otra parte la producción en condiciones mesofílicas y termofílicas podrían ser aplicadas en la mayoría de países en vías de desarrollo. El desarrollo de tecnologías de hacer disponible el biogás como energía para cocina o calentar en zonas frías es un tema de mucho interés y la principal razón de la posible falla tiende a centrarse en las condiciones climáticas (temperaturas bajas). Un gran número de investigadores a realizado estudios de producción de metano utilizando aguas residuales, excremento de humanos y vacas, pero muy pocos han estudiado la producción de biogás bajo condiciones psicrofílicas. Singh et al (1995) estudió el efecto del tiempo de retención hidráulico de
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excrementos de humanos bajo condiciones psicrofílicas. Con un tiempo de retención de 20 días, la concentración de propionato se ha reportado tres veces mas grande que el acetato, mientras que a tiempos de retención mayores el acetato y propionato mantuvieron casi iguales concentraciones. De lo indicado, es posible concluir que la digestión anaerobia de excrementos puede realizarse a 10°C utilizando inóculos adaptados.
2 Mahmoud N (2002). Anaerobic Pre-treatment of Sewage Under Low Temperature (15°C)
Conditions in a Integrated UASB-Digester System, Universidad de Wageningen, Holanda.
Safely y Westerman (1994) evaluaron el comportamiento de lagunas anaerobias a bajas temperaturas, que mostraron que la digestión era factible a una temperatura mínima de 10°C con un mínimo tiempo de retención hidráulica de 50 días y carga de lodos de 0.12 SSV/m3/día. Sutter y Wellinger (1988) indicaron que la producción de biogás por un digestor a 20°C y tiempo de retención de 40 a 50 días era comparable con un digestor operando a temperaturas mesofílicas con la mitad del tiempo de retención.
El caso de Tongliang en China fue un éxito en la producción de biogás a diferentes temperaturas. La producción diaria3 de biogás durante el invierno (6 a 10°C) es 0.05m3/m3, primavera (16-22°C) es 0.1 a 0.2m3/m3 y verano (22-23°C) es de 0.2 a 0.33 m3/m3 (Daxiong et al 1990). Entonces podría concluir que el biodigestor podría funcionar todo el año pero la producción de gas es insuficiente en invierno.
La planta de Janata (India) de biogás en condiciones de altura; la temperatura de digestión de lodos (excrementos) siguió el mismo
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parámetro de la temperatura ambiental. Aquí se utilizó un biodigestor de cúpula fija (Figura 7) es decir un digestor en forma de cúpula cerrada. Los residuos (estiércol, excremento humano excremento) alimentan al reactor. Después de que las bacterias metanogénicas digieren los residuos y producen biogás, el gas se captura en el gasómetro y la suspensión se desplaza en el depósito de compensación. La producción de gas es mayor mientras mayor es el nivel del sustrato. Dicho nivel en el digestor depende de la velocidad de carga, la producción de gas y tasa de consumo del sustrato. Durante la producción de gas, la suspensión (sustrato) es desplazada hacia los lados y desplazada al tanque de compensación. Cuando el gas se acaba entonces entra sustrato nuevamente proveniente del tanque de compensación. Como consecuencia de estos movimientos, un cierto grado de mezcla se obtiene de una mezcla de lodos con diferentes valores de tiempo de retención celular, por lo que este diseño se aproxima a un reactor de mezcla completa. Como es de general conocimiento en un reactor de cúpula fija el tiempo retención hidráulico es igual que el tiempo de retención celular. Por lo tanto el volumen del lodo
3 Referida a la producción de biogas por cada m3 de sustrato
lleno en el digestor es igual al tiempo de retención de los lodos multiplicado por el flujo. La captura del gas se adapta teniendo en cuenta el requerimiento de gas del usuario final (familia). Es importante considerar que mientras se tengas mas alimento (sustrato) se produce más gas.
En esta experiencia una caída en la temperatura ambiental media (de 25 a 26°C) en verano (a un rango de 9 a 10°C) en invierno ocasionó una reducción de la temperatura del digestor del rango 22 a 23°C hasta el rango de 13 a 14°C. La temperatura del digestor se mantuvo pequeña para un rango mesofílico de 16 a 24°C por cerca de 8 meses y el resto del año en
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condiciones psicrofílicas (rango de 13 a 14°C). Esto causó una reducción de la producción de biogás en el invierno de 23 a 37% (Kalia y Kanwar, 1988)
Figura 7 Esquema del reactor de domo fijo utilizado para la planta Janata (India) 1. Tanque de mezcla y trampa de arena.2. Digestor.3. tanque de compensación y eliminación del efluente.4. Recolector de metano.5. Tubería de gas.6. Tapa de ingreso al reactor para evitar la salida de gas.7.Acumulación del lodo espeso.8. Tubería de salida.9. Nivel de referencia.10. Espuma generada y reducida por la variación de niveles. Fuente (Balasubramaniyan, 2008)
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La producción de biogás puede ocurrir en un amplio rango de temperaturas, en la naturaleza de 0 a 97°C Zeeman et al, 1988). En conclusión hay un limitado conocimiento de falta de experiencia concerniente a la digestión psicrófila, pero es claro que a bajas temperaturas se requieren tiempos de retención mas elevado para lograr una producción similar de biogás (Zeeman, 1998).
Sing y Soch (2004) mencionaron que en la planta de biogás denominada Deebandu en Punjab (India) operando a 25°C y a 40 días de tiempo de retención se encontraba una relación entre el tiempo de retención hidráulico y con la temperatura que se indica en la siguiente tabla:
Tabla 3 Cálculo del tiempo de retención (HRT) y el volumen de un biodigestor en la India para una misma producción de metano
Temperatura °C 2 5 10 15 20 25
Carga de sólidos Kg/dia 2.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00
Tiempo de retención dias 80.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00
Volumen M3 14.96 11.08 6.72 4.08 2.47 1.50
Finalmente es preciso resaltar que la digestión anaerobia reduce el número de patógenos en función del tiempo de retención y de la temperatura. La biomasa digerida produce un lodo bien digerido que se puede utilizar como fertilizante luego del tratamiento adecuado para evitar la adquisición de enfermedades.
La velocidad de desintegración de las bacterias depende de la temperatura, tiempo de tratamiento, el pH, ácidos grasos volátiles y el sistema de funcionamiento (sistema discontinuo o continuo). El proceso de digestión anaerobia puede eliminar gran número de patógenos. Sin embargo, la temperatura y el tiempo de retención hidráulica (TRH) es aun una interrogante sin resolver entre los investigadores. La temperatura determina la tasa de eliminación de patógenos y es también un determinante importante del grupo de bacterias que funcionarán en el digestor. La temperatura es el factor más importante determina la supervivencia de las bacterias patógenas durante la digestión anaerobia.
40 6. Metodología y Resultados obtenidos
En esta sección se presenta la metodología aplicada durante la investigación en curso.