Casa abierta al tempo
UNIVERSIDAD AUTONOMA
METROPOLITANA
DIVISION DE CIENCIAS BIOLOGICAS Y DE. LA SALUD
SERVICIO SOCIAL
LIC. JULIO DE LARA ISASSI Coord. de Sistemas Escolares P r e s e n t e .
Por medio de la presente se hace constar que el alumno, cuyos datos se describen a continuaci6n, concluyb su Servicio Social:
NOMBRE : ANTONIO ALEJO DE LA CRUZ
MATRICULA: 84238422
LICENCIATURA: Ingenieria Bioquímica Industrial
PROYECTO: ARRANQUE .Y OPERACION DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES DE LA UAM-I DE 50 m3
Se extiende la presente para los fines que al interesado convengan a los diecinueve dias del mes de febrero de mil novecientos noventa y tres.
A t e n t a m e n t e .
"CASA AB1 ERTA AL TIEMPO"
M
.
'
enc.
ROSAURA
G R E T ~ ~ E R
g.
D i r e c t o r a .
UNIDAD IZt'APALAPA
OBJETIVOS
1.
-
Preparación del inóculo anaerobio con el cual seinoculará la p l a n t a de tratamiento d e 50m3.
2.- Arrancile y operación de un reactor UASB piloto de 50m3
que tratará aguas residuales de la U.A.M-I.
ANTECEDENTES
Tratamiento biolóqico de aquas residuales.
Los procesos biológicos para el tratamiento de aguas
residuales se clasifican en aeróbios y anaerobios.
Una de las opciones que actualmente esta teniendo buenos
resultados es el tratamiento de aguas residuales por procesos
anaerobios
.
El tratamiento anaerobio comprende una serie de reacciones
para la degradación de la materia orgánica en ausencia de
óxigeno molecular, este proceso es realizado por
microorganismos anaerobios y anaerobios facultativos, l o s
cuales transforman el material orgánico a metano y bioxido de
carbono. El proceso ocurre en tres etapas que son las
siguientes:
Etapa fermentativa o acidosénica. -Los microorganismos que
participan en ella son anaerobios facultativos y realizan la
digestión inicial de las macromoléculas orgánicas de
carbohidratos lípidos y proteínas. Trasformándolos en
materiales solubles, los productos obtenidos en esta etapa
son: acetatos, formatos, butiratos, propionatos, hidrógeno y
bióxido de carbono.
Etapa Acetoqénica. -En ésta participan las bacterias
acidogénicas, anaerobios facult.ativos quienes a partir de l o s
productos del metabolismo de las bacterias fermentativas
Etapa metanoqénica. -Las bacterias que participan en esta
etapa son estrictamente anaerobicas, las ba :terias
acetoclasticas transforman el acético harta metano y .jióxido
de carbono. Las metanobacterias forman aproximadamente el
setenta por ciento del total de metano a partir del ácido
acético. Las metanobacterias hidrogenotrofas transforman los
otros sustratos que son el acido carbónico, el ácido fórmico
y el metano1 en metano. Considerando que l o s microorganismos
son los responsables del proceso de la digestión anaerobia es
indispensable procurarle las condiciones que permitan
asegurar y optimizar su ciclo biológico, los factores que
influyen en el desarrollo del proceso son l o s siguientes :
El pH del agua circundante debe encontrarse entre 6.5-7.5,
variaciones por debajo de 4 . 8 y arriba de 8 . 2 en el valor del
pH hacen que el contenido de metano en el biogas producido
sea muy bajo. La temperatura es un factor importante y es
necesario conservarla en el rango mesofílico de 30 a 4 0 .C,
también es importante la agitación del sistema, la carga
orgánica aplicada, el tiempo de residencia hidr%ulico (TRH)
y la velocidad de alimentación al digestor.
La aclimatación del inóculo al agua residual que se quiere
tratar es primordial, se debe procurar aplicar l o s mejores
gastos para obtener los TFU-I óptimos para que la biomasa se
encuentre en intimo contacto con sustrato para que la
materia orgánica sea metabolizada por l o s microorganismos.
Reactor De Lecho De Lodos (UASB).
Corresponde a Lettinga el desarrollo de este reactor que por
su simplicidad se ha difundido en varios países. Su gran
ventaja consiste en que no requiere ningún tipo de soporte,
para retener la biomasa y su gasto de energía es mínimo lo
que implica un ahorro importante en sus costos de
instalación; el funcionamiento de este se basa en la buena
sedimentación de la biomasa producida dentro del reactor, la
cual se aglomera formando gránulos que contienen un
ecosistema bacteriano que transforma la materia orgánica a
separa el tiempo de retención de la biomasa del tiempo de
retención hidraúlica.
Por otro lado en las investigaciones que se han realizado a
diferentes niveles en México y en particular en la
Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, Depto. de
Biotecnología y en la UNAM-Instituto de Ingeniería y en otros
lugares, se ha demostrado que la digestión anaerobia es una
alternativa clara y confiable para el tratamiento de una gran
cantidad de efluentes contaminantes y además este tratamiento
viene acompañado de una serie de beneficios que a
continuación se mencionan:
-La operación y mantenimiento de los reactores UASB es de
bajo costo de operación de un 20-40 % en comparción con l o s
aerobios de lodos activados.
-Obtención de un gas biológico combustible (CH4) aunque en un
porcentaje menor en aguas domésticas.
-No se requiere ningún suministro de oxigeno para que se
lleve a cabo el proceso y esto implica un ahorro considerable
de energía.
-Se obtendría una generación de abonos, que contribuirian a
disminuir la eroción en algunas zonas cultivadas o por otro
lado los lodos adaptados de purga nos serviran para inocular
nuevas plantas de tratamiento.
-Las cargas que se pueden recibir de las industrias
alimentarias es diez veces mayores que las cargas que aceptan
las plantas aerobias, para el caso de las anaerobias se tiene
de 10-20 kg DQO/m3 día.
Nada más es importante mencionar que los procesos anaerobios
requieren de un postratamiento debido a que conservan una
cierta cantidad de materia orgánica y además carecen de
oxígeno disuelto como se mencionó anteriormente, esto no
Postratamiento. Generalmente al agua que es tratada con este
tipo de reactores es necesario darle un postratamiento o un
pulimiento a la misma, debida a que en esta agua se ve
disminuida en la cantidad de oxígeno disuelto. La
reincorporación se puede hacer a través de lagunas de lirio
acuático o de algas (Ramos, Monroy et al, 1 9 8 0 )
,
aunque estotodavía se ,?ncuentra en estudios. Se puede decir que el agua
tratada ccmple con los reglamentos de SEDUE ya sea para ser
canalizada o para darle otras utilidades necesarias, lo cual
daria un ahorro considerable de la misma, a un bajo costo de
tratabilidad.
En base a todo l o . anterior y la experiencia a nivel
laboratorio y planta piloto (Briones et.al, 1 9 8 8 , Monroy
et. al, 1 9 9 0 )
,
surgió la idea de construir un reactor UASB de50m3, el cual tratará una tercera parte el agua residual de
la Universidad.
.
Uno de los factores limitantes para arrancar rapidamente
digestores anaerobios es la falta de inoculo adecuado que de
entrada debe de ser de 10 a 15 por ciento del volumen total
del reactor. En el caso de un reactor UASB, este inoculo debe
de contar con buenas caracteristicas de sedimentación, buena
actividad metanogénica y un buen contacto entre el lodo y el
agua a tratar. Para poder arrancar este reactor ( 5 0 m3), es
necesario cuando menos 5 a 10 m 3 de lodos activados
anaerobios.
Para que tenga altas efiencias de degradación debe de haber
formación de un lecho de lodos granulares con buenas
características de sedimentación ya que la capacidad de
decantación de estos lodos favorece en un alto grado la
retención de la biomasa en el reactor y permite lograr bajos
tiempos de retención hidráulica con altos tiempos de
retención de los microorganismos.
-
El proceso que puede cumplir con lo antes mencionado es el
reactor UASB de lecho de lados (Lettinga et.al, 1 9 8 0 ) .
En el caso de reactores que estamos mencionando (UASB)
,
estea)-Tener un tamaño adecuado de gránulo de 2-3mm de diámetro.
b)-Un indice volumétrico de 50 ml/g de sólidos volatiles.
c)-Una alta velocidad de sedimentación como mínimo 8m/h
d)-Poseer una buena actividad metanogénica de las bacterias
(0.43 KgDQO/m3.d ó 6 . 5 2 6 8 mol CH4/KgSSV.D)
e)-Sólidos volátiles totales 7 0 g ST/1 como mínimo.
Sin embargo, la aplicación y adaptación de los mismos a
nuestro sistema, exige el conocimiento de las características
fisicoquímicas Y bacteriológicas para un me j or
aprovechamiento de los mismos y una mejor evaluación de
factibilidad, en México desafortunadamente poco se ha
realizado en experimentación para la determinación de dichas
características, aunque actualmente se tienen conocimientos
básicos aceptables
Debido que en nuestro pais no se le ha dado la difusión
necesaria a este tipo de proceso como en el caso de Holanda y
otros países, donde actualmente ya es una tecnología de punta
y bastante bien aceptada por una gran variedad de industrias
alimentarias y de otro carácter, actualmente se le están
haciendo constantemente innovaciones para el mejoramiento de
la misma en todos sus aspectos como en todas las tecnologías
nuevas.
Una de las principales finalidades de este servicio es dar a
conocer la gran importancia que pueden tener estas plantas en
nuestro pais, ya que nos encontramos en la construcción de
una planta a nivel de escala real y que efectivamente está
fundamentada sobre bases solidas y-confiables para dar buenos
resultados.
Un punto importante de aportación de esté Servicio Social es
mostrar cuales son las condiciones más importantes y en las
cuales se debe tener mayor cuidado en el arranque y en la
operación de una planta anaerobía de lecho de lodos de flujo
METODOLOGIA Y MATERIALES
La parte experimental se llevó acabo en la planta piloto. de
tratamiento de aguas residuales de la TJ.A.M.-I.
,
y en ellaboratorio R-011.
La primera etapa consistió en la adaptación de los lodos en
el reactor de 5m3. Este fué inoculado con lodos aerobios los
cuales fueron traidos de la planta piloto de aguas residuales
Instituto de Ingeniería de la U.N.A.M.. Para hacer la
adaptación de aerobios a anaerobios se realizo lo siguiente:
Diariamente durante los tres primeros meses se realizo una
agitación manual a la misma hora durante media hora y
posteriormente se agregó 1 g/1 acetato de sodio disuelto en
agua/litro de lodo, acompañado de una porción de agua
residual y con una agitación constante. Posteriormente se
suspendió la alimentación de acetato y únicamente se continuó
con la agitación, cambiando cada semana el efluente. También
desde el inicio de las atividades se tomaron muestras de
lodos para determinar el volumen que se tenía. y sus análisis
correspondientes el pH, temperatura y velocidad de
sedimentación.
La prueba de velocidad de sedimentación se realizaba cada
tercer día en probetas de 250 m1 y 5 0 0 ml, para el caso de la de 500 m1 se tomaba un volumen de 50 m1 de lodos y para la
probeta de 250 m1 se tomaba un volumen de 25 m1 de lodos,
posteriormente se vaciaban en la probeta y se aforaban con
agua hasta completar el volumen de 2 5 0 y 5 0 0 ml, se tomaba la lectura de descenso de los lodos cada minuto durante media
hora y después se graficaban estos datos para sacar la
pendiente de cada lectura.
Análisis de s6lidos, se tomaba una muestra de 10 m1 de lodos.
Se centrifugaban a 5 0 0 RPM durante 15 minutos, enseguida se
depositaban en las capsulas que se tenían a peso constante,
se pasaban a la estufa a 100 OC durante 2 4 horas y al día
siguiente se tomaba la lectura del peso de cada una de las
capsulas. Esto se hacía por triplicado y a continuación se
pasaban a la mufla a 500 OC durante 4 5 minutos y nuevamente
obtener SF, y haciendo la diferencia de las dos lecturas
anteriores ST-SF = SV obteniamos los sólidos volatiles, esta prueba se realizaba dos veces por semana.
En la última etapa del servicio social se realizó una
cinética de degradación de dextrosa con una concentración de
0.5g/l utilizando dos muestras de lodos para observar las
condiciones de adaptación tanto de l o s lodos de la U.A.M.-I y
los de la U.N.A.M. (Instituto de Ingenieria) donde estos
últimos tienen condiciones controladas de adaptación, y l o s
de la U.A. M.-I. se tienen en condiciones ambientales no del
todo controladas, esta cinética se siguió durante 15 días.
Las muestras se analizaban en cromatografía de gases
diariamente y a la misma hora para determinar la producción
de CH4
.
ANALISIS DE RESULTADOS
Como se puede apreciar c m la Figura (1) la temperatura de los
lodos adaptados no se mantiene constante, aunque se puede
apreciar que en los primeros días del estudio esta se
encuentra por abajo de la adecuada para la adaptación del
lodo (25-35 O C ) . Por otro lado tenemos que considerar que
este estudio se inicio en temporada de invierno donde la
temperatura es baja en el valle de México. La gráfica nos
muestra que conforme pasan los días la temperatura se va
incrementando hasta llegar a una temperatura que consideramos
adecuada y hay que señalar que este incremento es
consecuencia por un lado del metabolismo de l o s
microorganismos y por otro lado de las condicines ambientales
de la época del año que son los meses más calurosos de Abril
y Mayo. En la figura también se puede apreciar que a partir
del tercer mes no se tienen variaciones considerables y se
mantiene oscilando en un intervalo de temperatura adecuada.
En la Figura (2) se observa que a inicio de la adaptacion de
los lodos el pH se encuentra por abajo del óptimo (PH7)
.
Apartir del día 3 0 se puede considerar que el pH no tiene
grandes variaciones y este se mantiene alrededor del rango
adecuado de adaptación de las bacterias metanogénicas a
exepción de ligeros cambios cuando se añadia el agua residual
fresca para la alimentación.(Figura 2)
En esas ocasiones se presentaba un incremento del pH hasta 8 .
Posteriormente tendia a bajar al óptimo (7-7.5). De ahí surge
la necesidad de que este tipo de sistemas trabajen en estado
estacionario para evitar estas variaciones. Podemos decir que
este cambio de pH se presentaba debido a que el agua de
alimetación tenía un pH de ocho, el incremento que se observa
en la grafica en los ultimos dias es debido a aque se le dejo
de agitar como se le hacía anteriormente y se le sigui0
alimentando con agua fresca sin sustrato.
La Figura(3) nos muestra un incremento de la producción de
sólidos totales, fijos, volátiles. Desde el primer mes de
población aproximadamente a los dos meses y medio de iniciado
el estudio. En base a lo anterior podemos decir que es el
tiempo más apropiado para utilizar estos lodos e inocular un
reactor.
La Figura (4) muestra la forma en la cual se incrementó la
velocidad de sedimentación de los lodos. Al final del estudio
( 1 3 2 dias) se muestró que este incremento fue de un 60-70 %
pasando de 1.5 cm/min a 5.5 cm/min.
Las Figuras ( 5 ) .U.N.A.M. y (6) .U.A.M.-I. nos muestran la
actividad metanogénica que tenian los lodos el para trazarla
se sigui0 la cinética de producción de CH4 durante 1 9 días la
cual nos muestra que .la producción de metano es de 5.41 umol
para los lodos de la U.N.A.M. y los de la U.A.M. -I. es de
1 6 . 6 umol al día 120 de iniciado el estudio.
En el cuadro I se muestran los resultados finales de los
lodos. En el cuadro I1 las caracteristicas de los lodos
mezclados y en el cuadro I11 las caracteristicas del reactor
con su actividad especifica correspondiente en (mmoles) ce la
cinética realizada de los lodos del Instituto de Ingeniéria
de la U.N.A.M. y de la U.A.M.-I. planta piloto de tratamiento
de aguas residuales, donde se muestra que la máxima
producci6n de metano es entre los 7-9 días de la cinética
llevada a cabo, los lodos que muestran la mayor producción de
metano son los de la U.A.M.-I. y los lodos del Instituto de
Ingeniéria de la U.N.A.M. muestran una menor producción por
abajo de los otros lodos, en la gráfica se observa además que
la producción de metano comienza desde el segundo día
mostrando incrementos considerables aunque también tiene
bajas sin cambios importantes.
CONCLUSION
En el transcurso de este estudio, las gráficas muestran que
tanto el pH, como la temperatura son parámetros importantes
que se tienen que cuidar y controlar muy de cerca, para
mejorar la adaptación de los mismos, es importante controlar
el pH sobre tr-do al inicio ya que esto nos daría mejores
resultados J L este sistema trabajara con un suministro
constante de agua residual, para evitar los cambios de pH,
por arriba de 8 . Con relación a la temperatura, se puede
decir que la que predomina es más bien la del medio ambiente
ya que este tipo de procesos se ven influenciados por
condiciones climatologicas, pero no afectan en forma critica
al sistema. Por otro lado esto no afectó en forma importante
al crecimiento de los microorganismos, esto se muestra a
través de la figura 3 correspondiente, donde se aprecia un
incremento en la determinación de sólidos totales fijos,
donde estos pasan de 2.5 g/1 a 17.4 g/l, éste es un aumento
considerablemente bueno, este incremento de sólidos
sedimentables nos permitiria, en un momento dado aumentar el
flujo del sistema si esto es recomendable y si el sistema lo
permite, y con la confianza de que estos lodos no serian
lavados conforme el tiempo de adaptación aumenta.
Con la relación a la cinética de degradación de dextrosa en
el análisis de los lados de la U.A.M.-I. y el Instituto de
Ingeniería de la U . N . A . M . , l o s resultados muestran que los
lodos de la U.A.M.-I. tienen una mayor capacidad de
degradación de materia orgánica, esto es debido al mayor
porcentaje de sólidos que presentan con respecto a los de la
U . N . A . M . hay que recordar estos lodos vienen de un sistema con alimentación continua y que este es un factor importante
sobre todo en los primeros días de adaptación.
Par lo tanto es importante tener un buen lodo adaptado para
que tenga ambas características que son una mejor producción
de metano y a la vez una buena capacidad de degradación y de
Con este estudio realizado durante seis meses, se puede decir
que el tiempo más adecuado para adaptar lodos anaerobios es
aproximadamente de tres meses, el cual es suficiente para
darnos un grado de confiabilidad de que estos lodos
degradaran las aguas residuales sin ningún problema con el
porcentaje de sólidos obtenidos volatiles y que la masa
microbiana se mantendría dentro del reactor en base al flujo
utilizado.
Es importante que se controlen los parámetros fisíco-quimicos
y las condiciones de operación del reactor en su etapa de
RESULTADOS
Con todc lo qde SF' menciono n o s indica que la flora
microbiana tiene una capacidad de poder adaptarse a su medio
ambiente.
Con relación al crecimiento de la biomasa (sólidos voldtiles)
estos tienen un comportamiento más marcado en la grafica
donde desde sus inicios se manifiesta un aumento conforme
transcurre el tiempo, esto nos indica que el medio en el cual
se encuentran los microorganismos es el propicio para su
desarrollo. Esto también está relacionado con la velocidad de
sedimentación que desde el tiempo inicial tiende a aumentar
la velocidad de sedimentación de 5.5 cm/m, nos permite una
velocidad acencional de hasta 3.3 m/h. Con relación a la
actividad metanogénica realizada con dextrosa como sustrato
de l o s lodos de la U.N.A.M. y de la U.A.M.-I. Una
alimentación continua de flujo ascendente donde estos l o s
lodos de la U.N.A.M. manifestaron una menor actividad
metanogénica que los de la U.A.M.-I. Esto indica que tienen
una menor capacidad de degradación de la materia orgánica
como se muestran en la tabla de resultados. Con esta mezcla
de lodos se alimentó el reactor de 50m3
.
RESULTADOS
Cuadro I. Caracteristicas de l o s lodos con lo que se inoculó
el reactor.
LODOS DE LA U.N.A.M LODOS DE LA U.A.M.-I.
SOLIDOS TOTALES 27 g/1 SOLIDOS TOTALES 35 g/1
SOLIDOS FIJOS 17 g/1 SOCIDOS FIJOS 17.2 g/1
SOLIDOS VOLATILES 1 0 g/1 SOLIDOS VOLATILES 17 g/1
VEL.DE SEDIMENTACION 5.20 m/h 5.77 m/h
CUADRO I1
CARACTERISTICAS DE LOS LODOS MEZCLADOS UAM-UNAM
SOLIDOS TOTALES = 31.45 g/1
SOLIDOS FIJOS = 17.10 g/1
SOLIDOS VOLATILES = .13.50 g/1
VEL. SEDIMENTACION= 5.77 m/h
ACTIVIDAD METANOGENICA = llpmolCH4/gSSV'd = 0.755mgDQO/gSSV*d
CUADRO I I I
CARACTERISTICAS DEL REACTOR
VELOCIDAD DE ASCENSO MAXIMA = 12.5 m/d
CARGA MAXIMA A TRATAR = 75 Kg DQO/d
VOLUMEN DE LODOS INICIAL = 4m
SOLIDOS VOLATILES TOTALES = 54.0 Kg SSV
CARGA ORG. MAX 75 Kg DQ0/54 Kg SSV/d=1.38 Kg DQO/Kg SSV/d
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