UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DOCTORADO EN INGENIERIA QUÍMICA Y AMBIENTAL
TESIS
PRESENTADA POR:
Ms. SUASNABAR BUENDIA HUGO
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:
DOCTOR EN INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL
HUANCAYO – PERÚ 2015
ESTUDIO DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DEL BARRIO
“OCOPILLA”-HUANCAYO MEDIANTE UN REACTOR UASB A NIVEL DE LABORATORIO PARA LA
REMOCION DE LA CARGA ORGANICA
ii
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
SUSTENTADA ANTE EL SIGUIENTE JURADO:
Dr. Luis Orlando MONCADA ALBITRES Dr. José Luis SILVA VILLANUEVA
Dr. German Teodoro CCANTO MALLMA
Dr. Pascual Víctor GUEVARA YANQUI Dr. Fernán CHANAMË ZAPATA
Presidente Secretario
iii
DEDICATORIA
A Ana mi adorable esposa y a mis hijos, a Gabriela y Héctor; quienes son el Motivo de mi existir.
A mis padres, Marcial y Elena; a mis hermanos Isabel y Raúl ejemplos de superación, lucha y esfuerzo para lograr y hacer realidad mis sueños.
iv
ASESOR:
Dr. CASTILLO VALDIVIEZO PASCUAL ANCELMO
v AGRADECIMIENTO
A Dios por darme fortaleza espiritual y no desmayar en mi objetivo trazado.
Al Dr. Ancelmo Castillo Valdiviezo Asesor de esta tesis, a quien doy gracias por su amistad, orientación y acertadas sugerencias para la culminación de esta tesis.
A los docentes de la escuela de Postgrado, gracias a sus sabias enseñanzas y dedicación para impartir sus sabias experiencias A mi formación profesional
Al comité de Administración de los Recursos para Capacitación (CAREC) Por el apoyo incondicional en la Realización y culminación de mí Estudios de Doctorado
vi
INDICE DE CONTENIDOS
Pág.
CARATULA i
ACTA DE SUSTENTACION ii
DEDICATORIA iii
ASESOR iv
AGRADECIMIENTO v
INDICE DE CONTENIDOS vi
RESUMEN xii
SOMMARIO xiii
RESUMO xiv
INTRODUCCIÓN 1
CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Caracterización del problema 2
1.2 Formulación del problema 3
1.2.1 Problema general 3
1.2.2 Problemas específicos 3
1.3 Objetivos de la investigación 3
1.3.1 Objetivo general 3
1.3.2 Objetivos específicos 3
1.4 Justificación de la investigación 4
1.5 Limitación de la investigación 4
CAPITULOII MARCO TEORICO
2.1 Antecedentes de la investigación 5
2.2 Bases teóricas que fundamentan la investigación 6 2.2.1 Microbiología y bioquímica de la digestión anaerobia 6
vii
2.2.2 Fuentes de aguas residuales 7
2.2.3 Características de las aguas residuales 8 2.2.4 Efecto de la polución por las aguas residuales 11 2.2.5 Características de importancia en aguas residuales 14
2.2.6 Oxígeno disuelto 14
2.2.7 Regulación de los vertidos en los ríos 15
2.2.8 Autodepuración de los ríos 15
2.2.9 Muestreo de aguas residuales 16
2.2.10 Reactor anaerobio con flujo ascendente y manto de lodo 17 2.2.11 Tratamiento anaerobio de las aguas residuales 19 2.2.12 Parámetros y procesos intervinientes en un reactor anaerobio 22 2.2.13 Proceso ascensional de manto de lodos anaerobio 23
2.3 Bases conceptuales 29
2.3.1 Digestión anaerobia 29
2.3.2 Demanda Química de Oxigeno (DQO) 29
2.3.3 Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO) 30
2.4 Hipótesis de la investigación 31
2.4.1 Hipótesis general 31
2.4.2 Hipótesis específicos 31
2.5 Variables e indicadores 31
CAPITULO III
METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION
3.1 Tipo de la investigación 32
3.2 Nivel de investigación 32
3.3 Métodos de investigación 32
3.4 Diseño de investigación 32
3.5 Población y muestra 32
3.6 Técnicas e instrumentos de recolección de datos 32
3.7 Procedimiento de recolección de datos 33
3.8 Técnicas de procesamiento y análisis de resultados 33
3.8.1 Tratamiento estadístico 33
3.8.2 Evaluación de los factores 33
3.8.3 Porcentaje de remoción 33
viii CAPITULO IV
RESULTADOS DE LA INVESTIGACION 4.1 Presentación, análisis e interpretación de los datos
34
4.2 Proceso de la prueba de hipótesis 36
4.3 Discusión de resultados 36
CAPITULO V
APORTES DE LA INVESTIGACION
5.1 Aportes teórico 41
5.2 Aportes institucionales o adposición de decisiones 41
VI. CONCLUSIONES 43
VII. SUGERENCIAS 44
VIII. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA 45
IX. ANEXO 47
ix INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Composición de excrementos de orina humano 9 Tabla 2. Composición típica de las aguas residuales domesticas 10
Tabla 3. Características de un agua gris 10
Tabla 4. Características un agua residual domestica típica 11 Tabla 5. Efectos indeseables de las aguas residuales 11 Tabla 6. Contaminantes de importancia en aguas residuales (4) 12 Tabla 7. Contaminantes de importancia en aguas residuales (3) 13 Tabla 8. Características de las aguas residuales municipales del
Barrio “Ocopilla” – Huancayo 34
Tabla 9. Porcentaje de remoción de la materia orgánica 34 Tabla 10. Evaluación para el proceso con tres variables
Independientes y cuatro replicas 35
Tabla 11. Análisis de varianza (ANAVA) 36
x INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Reactor UASB 17
Figura 2. Ejemplos y detalles de reactores PAMLA (UASB) 24
Figura 3. Reactor UASB 24
Figura 4. Proceso de flujo ascensional con manto de lodos anaerobio
y sedimentador independiente 25
Figura 5. Proceso PAMLA o UASB con laguna facultativa 25
xi SIMBOLO, SIGLAS Y ABREVIATURAS
UASB : Upflow Anaerobic Sludge Blanket pH : Potencial de Hidrogeno
TR : Tiempo de residencia (día)
DQO/m3.d : Demanda química de oxigeno por metro cubico y por día DQO : Demanda Química de Oxigeno
Mm : Milímetro
M : Metro
DBO : Demanda Biológica de Oxigeno LPS : Litro por segundo
mg/L : Miligramo por litro
mg O2/L : Miligramo de oxigeno por litro
SSV/L : Solidos Suspendidos Volátiles por litro SST : Solidos Suspendidos Totales
CF : Coliformes fecal Vr : Volumen del reactor
Q : Caudal
Bv : Carga orgánica volumétrica
C : Concentración de materia orgánica m/h : Metro por hora
T : Temperatura (°C)
ARM : Aguas residuales municipales
%R : Porcentaje de remoción
(DQO)i : Concentración inicial de la demanda química de oxigeno (mg DQO/L)
(DQO)f : Concentración final de la demanda química de oxigeno (mg DQO/L)
NMP/100 ml : Numero más probable por 100 mililitros MINAM : Ministerio del ambiente
AGV : Ácidos grasos Volátiles ANAVA : Análisis de Varianza
xii RESUMEN
Este trabajo tiene el propósito de estudiar el tratamiento de las aguas residuales municipales del barrio “Ocopilla”-Huancayo, mediante un reactor UASB a nivel de laboratorio, para la remoción de la carga orgánica.
En primer lugar se caracterizó las aguas residuales; se instaló el reactor a quien se le practicó la prueba hidráulica.
Los lodos activos son tamizados y centrifugados hasta obtener 1,5 kg de lodo; el cual es adicionado al reactor en un 10% del volumen total del reactor y aforado con agua residual; se pone en funcionamiento el reactor en recirculación;
manteniendo la temperatura (30°C-35°C) y un pH (6,5-7,5).
Desarrollado la biomasa, se procedió a tratar el agua residual ajustando la temperatura, el pH y el tiempo de residencia, los tres en su dos niveles; en cada caso se determinó el porcentaje de remoción de la carga orgánica.
Se obtuvo una remoción del 93,578% del DQO contenido en las aguas residuales, para un pH de 8; una temperatura de 40°C y un tiempo de residencia de 5 días.
Palabra clave: Tratamiento de aguas residuales, UASB, escala laboratorio, aguas residuales municipales.
xiii SOMARIO
Questo lavoro ha il proposito di studiare il trattamento dale acque residuales municipal nella quartere "Ocopilla" -Huancayo attraverso un reattore UASB a livello di laboratorio, per la rimozione del carico organico.
In primo luogo è caratterizzato acque residuale; si installato il reattore che ha subito il test hidraulico.
Il fango attivo sono setacciato e centrifugato per ottenere 1,5 kg di fanghi; il che é aggiunta al reattore in 10% del volume del reattore totale e volumetrico con acque residuales; Si è operato nel reattore di ricircolo; mantenendo la temperatura (30 ° C-35 ° C) e pH (6.5-7.5).
Biomassa Sviluppato proceduto a trattare acque di scarico regolando il tempo di temperatura, pH e la tempo di residenza, i tre nei suoi due livelli; in ogni caso la percentuale di rimozione del carico organico è determinata.
Si ha una rimozione 93,578% di uno dei contenuti COD nelle acque reflue ad un pH di 8 è stato ottenuto; una temperatura di 40 ° C e un tempo di permanenza di 5 giorni.
Parole Chiave: Trattamento delle acque reflue, UASB, scala di laboratorio, acque reflue urbane.
xiv RESUMO
Este trabalho tem o propósito de estudar o tratamento de águas residuais municipais do bairro "Ocopilla" -Huancayo mediante um reator UASB a nível laborato, para a remoção da carga orgânica.
Em primero lugar, se caracterizou as águas residuais; se instalou o reactor, que foram submetidos ao teste hidráulico.
Os lamas ativos sao tamizado e centrifugados até obter 1,5 kg de lamas; o qual é adicionado ao reactor num 10% do volume total do reactor e completado com águas residuais; se poe em funcionamiento o reactor em recirculação;
manutenção a temperatura (30 ° C-35 ° C) e pH (6,5-7,5).
Desonvolvida a biomassa, se procedeu a tratar a águas residuais, ajustando a temperatura, o pH e tempo de residência, os três em seus dois níveis; em cada caso, se determinou o percentagem de remoção da carga orgânica foi determinado.
Se obteve uma remoção do 93,578% do DQO conteúdo nas águas residuais para um pH de 8; uma temperatura de 40 ° C e um tempo de residência de 5 días.
Palavras- chave: Tratamento de águas residuais, UASB, escala de laboratório, águas residuais municipais.
INTRODUCCION
Un agua residual puede definirse como un líquido recogido mediante la red de alcantarillado para su envío a una planta depuradora. El tipo y la cantidad de agua residual municipal reflejan la naturaleza del área a la que se sirve, el uso que se le ha dado y las condiciones del medio de conducción.
Uno de los factores que influye sobre el proceso de depuración de un agua residual municipal es su composición y su procedencia.
En la actualidad la generación de aguas residuales municipales es un problema global de contaminación ambiental y es algo inevitable porque es una actividad de la sociedad humana, y esto va en aumento a consecuencia del aumento demográfico y la afluencia de la población rural a la zona urbana.
Actualmente en la zona que está en estudio no dispone de un proceso de tratamiento y disposición de estas aguas residuales; por ello el tratamiento de estas aguas residuales proveniente del barrio de Ocopilla-Huancayo es un aspecto muy importante y de prioridad que se tiene que resolver con la finalidad de asegurar un crecimiento sostenible con la conservación del medio ambiente y esto se logrará solamente aplicando tratamientos previos a dichas aguas residuales que son vertidos sin ninguna tratamiento previo.
En esta oportunidad el estudio que se propone con respecto al tratamiento del agua residual municipal es mediante un reactor UASB de laboratorio, que es un proceso en el cual el agua residual se introduce por la parte inferior del reactor y fluye en forma ascendente a través del manto de lodo conformado por granos biológicos; y el agua tratada es obtenida por la parte superior del reactor.
2
CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 CARACTERIZACION DEL PROBLEMA
La naturaleza brinda todo lo necesario para la vida y si esta se altera provocando un desequilibrio ocurre el fenómeno de la contaminación ambiental. Tanto la disponibilidad como la calidad del agua dulce se han ido convirtiendo en un problema cada vez más preocupante debido principalmente a dos factores: el primero, el aumento demográfico y, por consiguiente el incremento de la demanda de agua para uso potable, agricultura, industria, entre otros.
El segundo factor, estrechamente relacionado con el anterior, es la contaminación cada vez mayor de las aguas.
Los ecosistemas del valle del Mantaro sufren mucho, entre otros, por el vertimiento de las aguas residuales municipales de Huancayo provenientes de sus barriadas sin ningún previo tratamiento a los sistemas acuáticos.
Esta contaminación no sólo tiene graves consecuencias para el medioambiente sino también sociales, y consecuencias económicas.
Cuando se usan las aguas residuales para uso agrícola en las cercanías del rio, los contaminantes penetran en el suelo y pueden cambiar la biocenosis natural y/o acumularse.
El vertido de las aguas residuales al río afecta sobre todo a la población que vive o trabaja al lado del rio. Por tal motivo, se plantea desarrollar la presente tesis de investigación.
3 1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA
1.2.1 PROBLEMA GENERAL
¿Cuál es la influencia del tiempo de residencia, de la temperatura y del pH, en la remoción de la carga orgánica en el tratamiento de las aguas residuales municipales del barrio “OCOPILLA”-Huancayo en un reactor UASB a nivel de laboratorio en el año 2012?
1.2.2 PROBLEMAS ESPECIFICOS
a) ¿Cuál es la característica físico-química de las aguas residuales municipales del barrio en estudio?
b) ¿Cuál es la influencia del tiempo de residencia en la remoción de la carga orgánica?
c) ¿Cuál es la influencia de la temperatura en la remoción de la carga orgánica?
d) ¿Cuál es la influencia del pH en la remoción de la carga orgánica?
e) ¿Cuál es el porcentaje de remoción de la carga orgánica?
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION 1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar la influencia del tiempo de residencia, temperatura y pH en la remoción de la carga orgánica en el tratamiento de las aguas residuales municipales del barrio “OCOPILLA”-Huancayo mediante un reactor UASB a nivel de laboratorio en el año 2012.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS:
a) Determinar las características físico-químicas de las aguas residuales municipales del barrio en estudio.
b) Determinar la influencia del tiempo de residencia en la remoción de la carga orgánica.
c) Determinar la influencia de la temperatura en la remoción de la carga orgánica.
d) Determinar la influencia del pH en la remoción de la carga orgánica.
e) Determinar el porcentaje de remoción de la carga orgánica.
4 1.4 JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACION
En la actualidad como consecuencia del aumento demográfico y la afluencia de la población rural a la zona urbana, y como consecuencia el aumento de las aguas servidas constituye uno de los motivos para reducir la contaminación de las aguas y la forma de evacuación de estas aguas ha llegado a un límite, que ya no se puede absorber estos restos, que modifican su flora y su fauna convirtiéndose en no aptos para la vida humana. El barrio de “OCOPILLA”-Huancayo, no escapa a esta coyuntura la contaminación de las aguas, ha alcanzado niveles tales que el rio de ese lugar ha sido contaminado haciendo imposible su uso para las necesidades biológicas que antes cubría.
De otro lado, algunas familias que se dedican a la agricultura en esa zona, afectada en época de sequía, y como es una necesidad para ellos el agua para su cultivo en forma artesanal, desvían las aguas residuales contenidas en el rio, hacia los terrenos agrícolas, acción que trae consigo el riesgo de aumentar las enfermedades gastrointestinales dentro de la población, al ser altamente contaminantes por microorganismo patógenos.
Por ello el tratamiento de aguas residuales municipales, es un aspecto muy importante para asegurar el crecimiento sostenible con la conservación del medio ambiente y esto se logrará aplicando tratamientos económicos a los desagües domésticos con el fin de obtener un mejoramiento de su calidad bacteriológica, entonces será posible su reúso como líquido para uso agrícola.
1.5 LIMITACION DE LA INVESTIGACION
No existe limitación alguna para la realización de este trabajo de investigación; porque es viable, y se contó con fuentes primarias y secundarias para su desarrollo; además de contar con un laboratorio equipado para llevar a cabo la parte experimental, también el tiempo que se asignó para su culminación fue lo necesario, además de no tener ningún problema con respecto a su financiación.
5 CAPITULO II
MARCO TEORICO 2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION
Se determinó la actividad enzimática del lodo granular en un reactor anaeróbico de manto de lodo de flujo ascendente (UASB) bajo condiciones mesofílicas (37°C - 39°C); al tratar aguas residuales provenientes de una industria láctea. El reactor se inoculo con un lodo granular proveniente de una industria cervecera, con un caudal de 2,3 ml/min y un TRH de 24 horas y cargas orgánicas de 1 a 4 Kg DQO/m3.d El monitoreo de la digestión se realizó a través de la determinación de las concentraciones de las ex enzimas: fosfatadas acida y alcalina con el porcentaje de remoción de la materia orgánica. La alcalinidad total, pH y DQO se analizaron de acuerdo a la metodología estandarizada para aguas residuales; alcanzó una remoción de DQO del 76% hasta el final del periodo de tratamiento. (Chávez y otros.2005).
Se empleó la digestión anaerobio para la depuración de los efluentes de industrias lácteas. Se utilizó un reactor de manto de lodo, de cuerpo rectangular, hecho de acrílico y con un volumen total vacío de 16,5 L, dotado de salidas laterales para el muestreo y la extracción del efluente tratado. El reactor cuenta con dos campanas inversas, tres centímetros por debajo de la superficie del líquido, para la recolección del biogás generado. La adaptación pertinente se hizo en un periodo de 2 meses, alimentando un residual lácteo diluido, ajustando a 500 mg de DQO por litro con un caudal suficiente para un tiempo de determinación de retención hidráulica de 5 días.
Se consiguió una eficiencia de remoción de la contaminación, expresadas como DQO superior al 95% como promedio. (Gonzales J. y otros. 1994).
Un estudio a escala piloto fue utilizado para investigar los principales parámetros de diseño en reactor UASB; para el tratamiento de aguas residuales en pequeñas comunidades en las regiones tropicales de Irán.
6 En reactor UASB usado en este estudio fue hecho con un tubo de acero de 600 mm de diámetro interno, una altura total de 3,6 m y un volumen total de 1 m3. Del cual aproximadamente 17 y 83% fueron para separación de gas/sólido/líquido y digestión, respectivamente. Durante este estudio que duro por 203 días, que fueron llevados a temperatura ambiente. La temperatura de las aguas residuales que entraron al reactor fue en el rango de 22 a 26°C y no cambio la temperatura que fue usado. El TRH de 10 horas con varios rangos desde 0,95 a 5,70 Kg COD/m3.d para periodo caliente. En base a los resultados del TRH óptimo de 6 horas en el periodo caliente se tuvo una eficiencia de remoción de 71,63 y 65% para el DBO5 y COD respectivamente. Durante el periodo frio la remoción de DBO5 y COD para un TRH óptimo de 8 horas fueron de 54,46 y 53% respectivamente. (A.A.
Azimi y otros. 2004).
Se utilizó dos reactores anaerobios de flujo ascendente con manto de lodos- UASB; el caudal medio es de 10 LPS (36m3/h); un caudal máximo de 20 LPS (72m3/h); el tiempo de retención hidráulica de 6 h; carga orgánica supuesta:
DBO5 de 236 mg/L ; DQO de 323 mg/L; temperatura promedio 30°C; lámina de agua 4,30 m; volumen del reactor 116,10 m3 ; área superficial del reactor 27 m2; largo del reactor 6 m y ancho del reactor 4,50 m; tuvieron una remoción de materia orgánica como DQO (mg/L)del 20% y del 80% como DBO5 (mg/L). La remoción de solidos suspendidos fue del 50%, lo que indica que la operación está realizándose normalmente. (Moya Moreno A.L.1995).
2.2 BASES TEORICAS QUE FUNDAMENTAN LA INVESTIGACION
2.2.1 MICROBIOLOGIA Y BIOQUIMICA DE LA DIGESTION ANAEROBIA El proceso de la digestión anaerobia consiste en una serie de reacciones que en ausencia de oxígeno, degradan la materia orgánica hasta metano y dióxido de carbono como productos finales.
Básicamente, el proceso se puede dividir en tres pasos de acuerdo al modelo propuesto por Mc Inerney y Bryant (1981).
7 En la primera etapa, llamada de ACIDOGENESIS, los polímeros y otras sustancias complejas son hidrolizadas y fermentadas para dar compuestos químicos simples como el acetato que es el principal precursor del metano, otros ácidos orgánicos (propiónico, butírico, láctico, valérico, etc.), etanol e hidrogeno. En la segunda etapa, con las reacciones de ACETOGENESIS, los ácidos grasos son transformados en ácido acético e hidrogeno. En la tercera etapa, se lleva a cabo la METANOGENESIS mediante dos tipos de reacciones; la acetoclasta que consiste en la descarboxilación del ácido acético y la hidrogenotrofa que consiste en la reducción del CO2 con H2. (Monroy H. 1998).
2.2.2 FUENTES DE AGUAS RESIDUALES
Las aguas residuales son las aguas usadas y los sólidos que por uno u otro medio se introducen en las cloacas y son transportados mediante el sistema de alcantarillado. En general, se consideran aguas residuales domesticas (ARD) los líquidos provenientes de las viviendas o residencias, edificios comerciales e institucionales.
Se denominan aguas residuales municipales los residuos líquidos transportados por el alcantarillado de una ciudad o población y tratados en una planta de tratamiento municipal, y se llaman aguas residuales industriales las aguas residuales provenientes de industrias de manufactura.
También se acostumbra denominar aguas negras a las aguas residuales provenientes de inodoros, es decir, aquellas que transportan excrementos humanos y orina, ricos en sólidos suspendidos, Nitrógeno y coliformes fecales. Y aguas grises a las aguas residuales provenientes de tinas, duchas, lavamanos y lavadoras, aportantes de DBO, solidos suspendidos, fósforo, grasas y coliformes fecales, esto es, aguas residuales domésticas, excluyendo las de los inodoros.
Las aguas de lluvias transportan la carga poluidora de techos, calles y demás superficies por donde circulas; sin embargo, en ciudades modernas se recogen en alcantarillas separadas, sin conexiones
8 conocidas de aguas residuales, domesticas o industriales y, en general, se descargan directamente en el curso de agua natural más próximo sin ningún tratamiento.
No obstante, durante los aguaceros el caudal en exceso de la capacidad de la planta y del alcantarillado interceptor se desvía directamente al curso natural de agua. En este caso se pueden presentar riesgos serios de polución y de violación de las normas de descargas, los cuales sólo se pueden evitar reemplazando el sistema de alcantarillado combinado por uno separado. (Romero Rojas.2004)
2.2.3 CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES
La expresión de las características de un agua residual puede hacerse de muchas manera dependiendo de su propósito específico; sin embargo, vales la pena anotar que toda caracterización de aguas residuales implica un programa de muestreo apropiado para asegurar representatividad de la muestra y un análisis de laboratorio de conformidad con normas estándar que aseguran precisión y exactitud en los resultados.
En general, un programa de muestreo para caracterización y control de calidad de aguas supone un análisis cuidadoso del tipo de muestras, número de ellas y parámetros que se deben analizar, en especial en un medio como el colombiano en el que no se justifica asignas más recursos de los estrictamente necesarios para satisfacer el objetivo propuesto.
Aunque en la práctica, como se verá a continuación, existen caracterizaciones típicas de aguas residuales, las cuales son muy importantes como referencia de los parámetros de importancia por analizar y de su magnitud, hay que recordar que cada agua residual es única en sus características y que, en lo posible, los parámetros de polución deben evaluarse en el laboratorio para cada agua residual específica.
9 Las tablas siguientes resumen valores promedios de las características de polución más importantes evaluadas en aguas residuales y revelan la importancia de su origen y de la magnitud del caudal aportante.
Las aguas negras, como ya se mencionó, transportan básicamente excrementos humanos y orina; y por ello contribuyen principalmente con materia orgánica (DBO), sólidos suspendidos, nitrógeno y coliformes fecales. (Romero Rojas. 2004).
Tabla 1
Composición de excrementos y orina humanos
Composición de excrementos y orina humanos
Características Material fecal Orina Cantidad (húmeda) por persona por día 135 - 270 g 1 - 1,3 kg Cantidad (seca) por persona por día 35 -70 g 50 - 70 kg Humedad, % 66 - 80 93 - 96 Materia organica, % 88 - 97 65 - 85 Nitrógeno, % 5,0 - 7,0 15 -19 Fosforo (como P2O3), % 3,0 - 5,4 2,5 - 5,0 Potasio (como K2O), % 1,0 - 2,5 3,0 - 4,5 Carbón, % 44 - 55 11 - 17 Calcio ( como CaO), % 4,5 4,5 - 6,0 Fuente: Romero Rojas. 2004
Tabla 1
Composición de los excrementos y orina humanos (cont.) Composición de la orina humana
Característica Promedio intervalo Volumen, L/cd 1,57 0,69 – 2,5 pH 6,1 5,60 – 6,8 conductividad, mS/cm 17,49 8,72 – 26,8 NH4 – N, mg/cd 571 318 – 883 Urea, g/cd 16,8 11,8 – 23,8 Nitrógeno total, g/cd 10,8 7,7 – 15 Fósforo/cd 0,93 0,6 – 1,48 Potasio, g/cd 2,6 1,38 – 3,52 DQO, g/cd 12,97 5,37 – 24,02 DBO, g/cd 6,06 1,76 – 9,79 Fuente: Romero Rojas. 2004
10 Tabla 2
Composición típica de las ARD
Parámetro Magnitud Sólidos totales 720 mg/L Sólidos disueltos 520 mg/L Sólidos disueltos volátiles 200 mg/L Sólidos suspendidos 220 mg/L Sólidos suspendidos volátiles 165 mg/L Sólidos sediméntales 10 mg/L DBO 220 mg/L COT 160 mg/L DQO 500 mg/L Nitrógeno total 40 mg/L-N Nitrógeno orgánico 15 mg/L-N Nitrógeno amoniacal 25 mg/L-N Nitritos 0 mg/L-N Nitratos 0 mg/L-N Fósforo total 8 mg/L-P Fósforo orgánico 3 mg/L-P Fósforo inorgánico 5 mg/L-P Cloruros 50 mg/L-Cl Alcalinidad 100 mg/L-CaCO3 Grasas 100 mg/L
Fuente: Romero Rojas. 2004 Tabla 3
Características de un agua gris
Parámetro Intervalo Promedio Promedio en el
Agua de consumo pH 5 – 7 6,5 6,6
Alcalinidad, mg/L 149 – 198 158 131 N amoniacal, mg/L 0,15 – 3,2 0,7 0 Nitrato, mg/L 0 – 4,9 1,0 1,0 N total, mg/L 0,6 – 5,2 1,7 1,0 Cloruros, mg/L 3,1 – 12 9 10 Dureza, mg/L 112 – 152 144 142 Fosfatos, mg/L 4 – 35 9 3 Sulfatos, mg/L 12 – 40 23 28 Turbiedad, UNT 20 – 140 76 0,8 Fuente: Romero Rojas. 2004
Tabla 4
11 Características de un agua residual domestica típica
Parámetro Magnitud DBO 200 mg/L DQO 400 mg/L Sólidos suspendidos totales 200 mg/L Solidos suspendidos volátiles 150 mg/L Nitrógeno amoniacal 30 mg/L-N Ortofosfatos 10 mg/L-P Fuente: Romero Rojas. 2004
2.2.4 EFECTOS DE LA POLUCION POR LAS AGUAS RESIDUALES Toda agua residual afecta en alguna manera la calidad del agua de la fuente o cuerpo de agua receptor. Sin embargo, se dice que un agua residual causa polución solamente cuando se introduce condiciones o características que hacen el agua de la fuente o cuerpo receptor inaceptable para el uso propuesto de la misma. Así por ejemplo, no se puede decir que las aguas de la alcantarilla domiciliar contaminan las aguas del alcantarillado sanitario municipal. (Romero Rojas. 2004).
En las tablas siguientes se presentan, en forma muy breve y generalizada, los efectos más importantes de los principales agentes de polución de las aguas residuales.
Tabla 5
Efectos indeseables de las aguas residuales
Contaminante Efecto
Materia orgánica biodegradable Desoxigenación del agua, muerte de peces, olores indeseables.
Materia suspendida Deposición en los lechos de los ríos;
si es orgánica se descompone y flota mediante el empuje de los gas gases; cubre el fondo e interfiere con la reproducción de los peces o trastorna la cadena alimenticia.
Sustancias corrosivas, cianuros, Extensión de peces y vida acuática, Metales, fenoles. destrucción de bacterias, interrupción de la autodepuración.
Microorganismos patógenos. Las ARD pueden transportar organismos patógenos, los residuos
12 de curtiembre ántrax.
Sustancias que causan turbiedad El incremento de temperatura afecta Temperatura, color, olor. a los peces; el color, olor y turbiedad hacen estéticamente inaceptable el agua para uso público.
Sustancias o factores que trastornan Pueden causar crecimiento excesivo El equilibrio biológico. de hongos o plantas acuáticas, las cuales alteran el ecosistema acuático causan olores, etcétera.
Constituyentes minerales aumentan la dureza, limitan los usos Industriales sin tratamiento especial, Incrementan el contenido de sólidos disueltos a niveles perjudiciales para los peces, la vegetación, contribuyen
a la eutrofización del agua.
Fuente: Romero Rojas. 2004
Tabla 6
Contaminantes de importancia en aguas residuales (4)
Contaminante Causa de su importancia Sólidos suspendidos Pueden conducir al desarrollo de depósitos de lodos y condiciones anaerobias cuando se descargan AR crudas en un medio acuático.
Materia orgánica biodegradable Está compuesta principalmente de proteína carbohidrato y grasas. Se mide en término de DBO y DQO por lo general. Si no es previamente removida puede producir agotamiento del OD de la fuente receptora y desarrollo de condiciones sépticas.
Patógenos Producen enfermedad.
Nutrientes El C, N y P son nutrientes. Cuando se Descargan en las aguas residuales pueden
Producir crecimiento de vida acuática Indeseable. Cuando se descargan en Cantidades excesivas sobre el suelo Pueden producir polución del agua Subterránea.
Materia orgánica refractaria Resiste tratamiento convencional. Ejemplo:
detergentes, fenoles y pesticidas agrícolas.
13 Metales pesados Provienen de aguas residuales
comerciales e industriales y es posible que deban ser removidos para reúso del agua.
Sólidos inorgánicos disueltos Algunos como el calcio, sodio y sulfatos Son agregados al suministro doméstico Original como resultado del uso y es Posible que deban ser removidos para
Reúso del agua.
Fuente: Romero Rojas.2004 Tabla 7
Contaminantes de importancia en aguas residuales (3)
Contaminante Parámetro típico Impacto ambiental De medida
Materia orgánica DBO, DQO Desoxigenación del agua, generación Biodegradable de olores indeseables.
Materia suspendida SST, SSV Causa turbiedad en el agua, deposita Lodos.
Patógenos CF Hace el agua insegura para consumo y recreación.
Amoniaco NH4+ - N Desoxigena el agua, es tóxico para Organismos acuáticos y puede Estimular el crecimiento de algas.
Fósforo Ortofosfatos Puede estimular el crecimiento de Algas.
Materiales tóxicos Como cada Peligroso para la vida vegetal y animal Material tóxico Especifico.
Sales inorgánicas SDT Limita los usos agrícolas e industriales Del agua.
Energía térmica Temperatura Reduce la concentración de saturación De oxígeno en el agua, acelera el Crecimiento de organismos acuáticos.
Iones hidrógeno pH Riesgo potencial para organismos Acuáticos.
Fuente: Romero Rojas.2004
2.2.5 CARACTERISTICAS DE IMPORTANCIA EN AGUAS RESIDUALES
14 Dadas las características y variaciones en la descarga de aguas residuales, al sistema de alcantarillado, el tipo sistema de alcantarillado usad, la diferencia en las costumbres de la comunidad aportante, el régimen de operación de las industrias servidas, el clima, etc.; los caudales de aguas residuales oscilan ampliamente durante el año, cambian de un día a otro y fluctúan de una hora a otra. Todos los factores anteriores, entre otros, deben tenerse en cuenta en la predicción de las variaciones del caudal y, por consiguiente, de la concentración de las aguas residuales afluentes a una planta de tratamiento.
Cuando la infiltración es alta o existen conexiones de aguas de lluvia, el régimen de lluvias puede influir notablemente sobre el caudal y, por ende, sobre las características del agua residual. El conocimiento de las cargas hidráulicas, de DBO y otros contaminantes, es esencial para evaluar los factores de diseño y operación de una planta de tratamiento.
Generalmente las variaciones de DBO siguen los de caudal, pero deben determinarse en cada caso particular. (Romero Rojas. 2004).
2.2.6 OXIGENO DISUELTO
Las aguas en su discurrir por los cauces naturales, en ausencia de perturbaciones artificiales, alcanzan concentraciones de oxígeno disuelto próximo a la saturación, en equilibrio con la vida acuática, consumiendo el oxígeno disuelto los organismos vivos y suministrando oxigeno las plantas verdes sumergidos durante el día, a la vez que se produce re oxigenación.
Una de las primeras manifestaciones del efecto de la contaminación orgánica de las aguas es la disminución brusca de la concentración de oxígeno disuelto, en el lugar de los vertidos, debido a que el oxígeno es utilizado, y por tanto retirado del medio, por los microorganismos que proliferan en las aguas contaminadas, impidiendo el desarrollo dela vida de las especies superiores, no solo por el déficit de oxígeno, sino también por la insalubridad que acarrea la población microbiana resultante. (Gil Rodríguez. 2005)
15 2.2.7 REGULACION DE LOS VERTIDOS EN LOS RIOS
Los ríos en sus cauces naturales reciben diferentes aportaciones, ya naturales, ya por la influencia de la actividad humana en sus múltiples acciones, como son la generación de aguas residuales urbanas, industriales, de limpieza diaria, de las actividades agrícolas y ganaderas.
Para preservar la calidad de los ríos han de regularse las descargas que reciben, tanto en caudal como en concentración.
La calidad de un rio considerado como limpio ha de presentar una DBO d no más de 2 mg/L, que por los posibles aportaciones no debiera rebasar los 4 mg/L; y con, relación al caudal del vertido diluido en el caudal del rio, la dilución del contaminante no debiera ser inferior a 8 veces. (Gil Rodríguez. 2005)
2.2.8 AUTODEPURACION DE LOS RIOS
Los ríos tienen una capacidad limitada de absorber y eliminar la contaminación de los vertidos que reciben; esto es debido a la utilización de la materia orgánica del vertido por las bacterias presentes en el rio, de modo que en su actividad mineralizan la materia putrescible de los vertidos, y a su vez las bacterias son fagocitadas por los protozoos y estos a su vez por organismos superiores.
Cuando la capacidad de un río de eliminar la contaminación vertida sobre él, autodepuración, es rebasada, el rio comienza a presentar signos de contaminación, como son turbidez, malos olores.
El índice general de contaminación utilizado para seguir el proceso de autodepuración de un rio es la concentración de oxígeno disuelto, que disminuirá bruscamente en el punto de vertido, para después de alcanzar un mínimo gradualmente tender hacia la concentración correspondiente a la saturación.
La autodepuración de un rio se constituye principalmente por dos causas, una de consumo de oxigeno por los microorganismos, al biooxidar la materia orgánica, desoxigenación, y otra de aporte de oxigeno del aire al interior del rio, re oxigenación. (Gil Rodríguez. 2005)
16 2.2.9 MUESTREO DE AGUA RESIDUALES
Hay dos tipos de muestras que pueden tomarse: (1) muestra simple, y (2) muestra compuesta.
La muestra simple no da las características del agua residual en el momento en que la muestra es tomada. Se usa generalmente cuando : (1) el caudal de agua residual y su composición es relativamente constante; (2) el flujo de agua residual es intermitente; y (3) cuando las muestra compuestas pueden ocultar condiciones extremas de las aguas residuales (pH y temperatura). El volumen mínimo de una muestra simple debe estar entre 1 y 2 litros.
Las muestras compuestas son aquellas formadas por mezclas de muestras individuales tomadas en diferentes momentos. La cantidad de cada muestra individual que se añade a la mezcla compuesta debe ser proporcional al flujo de caudal en el momento en que la muestra fue tomada.
Suponiendo que V sea el volumen total de la muestra compuesta que hay que tomar; Vi el volumen de cada muestra individual i de la muestra; Qm el caudal medio; Qi el caudal instantáneo en el momento en que la muestra i es tomada y n el número de muestras que deben ser mezcladas, entonces obtenemos:
V/n Qm= Vi/Qi (1) Por lo tanto:
Vi = (V/n Qm) Qi (2)
El volumen de muestra requerida por unidad de caudal será:
Vi / Qi = V / n Qm (3)
La frecuencia del muestreo depende de la variabilidad del caudal y la carga contaminante.
Para pequeñas variaciones las muestras solo hace falta que se tomen a intervalos entre 2 y 24 horas. Sin embargo, para grandes variaciones
17 pueden requerirse tomar muestras hasta cada 15 minutos. Las muestras individuales de la compuesta deben tener entre 25 y 100 ml y el volumen compuesto debe tener entre 2 y 4 litros. (Ramalho R.1993)
2.2.10 REACTOR ANAEROBIO CON FLUJO ASCENDENTE Y MANTO DE LODOS (UASB)
Otro tipo de reactor anaerobio, hoy muy utilizado en tratamiento de aguas residuales es el UASB (Abreviatura del término inglés: Upflow Anaerobic Sludge Blancket Reactor).
El diagrama típico de un UASB aparece en la siguiente figura:
Figura 1. Reactor UASB Fuente: R.Ramalho.1993
El agua residual entra por debajo del reactor (zona 1) y el efluente tratado sale por la parte superior (zona 3). El reactor no contiene ningún relleno para soportar el crecimiento biológico.
El lodo formado en el reactor puede considerarse dividido en dos zonas. La zona 1, se llama “lecho de lodo” y la zona 2 es la “manta de lodos”. La diferencia entre las dos zonas es que el lodo en la primera es mucho más compacto que en la segunda. La campaña en forma de embudo sirve de sedimentador de lodo y de colector de gas. La
18 pantalla crea una zona de bajo nivel de turbulencia (zona 3) donde un 99% del lodo en suspensión se sedimenta y retornado al reactor. La campana sirve también para recuperar el gas anaerobio que sale por el centro.
La biomasa en el UASB está formada de gránulos de 3 a 4 mm que tienen altas velocidades de sedimentación, y por consiguiente son casi totalmente retenidos en el reactor.
Habrá acumulación de biomasa en el reactor si la producción neta supera las perdidas por arrastre en el efluente, o sea la purga.
Las ventajas de los reactores UASB con respecto a otros sistemas anaerobios son:
1. El coste de inversión es bajo. Cargas de diseño de 10 kg DQO/ m3.d o más altas son utilizados, por lo tanto el volumen del reactor es pequeño.
2. Las fermentaciones ácidas y metánica, así como la sedimentación tienen lugar en el mismo tanque. Por lo tanto las plantas son muy compactos, con considerable economía de espacio.
3. Como no hay relleno, se elimina la posibilidad de corto circuitos y obstrucciones.
4. El consumo de potencia es bajo puesto que el sistema no requiere ninguna agitación mecánica.
5. La retención de biomasa es muy buena y por esto no es necesario reciclar el lodo.
6. La concentración de biomasa es alta por ejemplo 8% de sólidos. Por consiguiente el sistema es resistente a la presencia de substancias tóxicas y fluctuaciones de carga.(Ramalho R.1993)
2.2.11 TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LAS AGUAS RESIDUALES El tratamiento anaerobio se utiliza tanto para las aguas residuales como para la digestión de los lodos. Los productos finales de la degradación anaerobia son gases, principalmente metano (CH4), dióxido de carbono
19 (CO2) y pequeñas cantidades de sulfuro de hidrogeno (H2S), mercaptano (RSH) e hidrogeno (H2). El proceso comprende dos etapas: (1) fermentación ácida y (2) fermentación metánica.
En la etapa de fermentación acida, los compuestos orgánicos complejos del agua residual (proteínas, grasas e hidratos de carbono) se hidrolizan en primer lugar para producir unidades moleculares menores, las cuales a su vez son sometidas a biooxidación, convirtiéndose principalmente en ácidos orgánicos de cadena corta, tales como acético (CH3-COOH), propiónico (CH3CH2COOH) y butílico (CH3-CH2-CH2-COOH).
Una población heterogénea de bacterias facultativas y anaerobias es responsable de estas reacciones de hidrolisis y oxidación. En la etapa de fermentación acida no se produce una reducción importante de la DQO, ya que principalmente lo que ocurre es la conversión de las moléculas orgánicas complejas en ácidos orgánicos de cadena corta que ejercen también una demanda de oxígeno.
En la etapa de fermentación metánica, “microorganismos metano génicos” que son estrictamente anaerobios, convierten los ácidos de cadena más larga a metano, dióxido de carbono y ácidos orgánicos de cadenas más cortas. Las moléculas ácidas se rompen repetidamente dando lugar finalmente a ácido acético que se convierte en CO2 y CH4. El grupo de bacterias facultativas y anaerobias responsable de la etapa de fermentación acida tiene una velocidad de crecimiento más elevada que las bacterias metano génicas responsables de la etapa de fermentación metánica. Como resultado, la etapa de fermentación ácida es relativamente rápida por lo que la etapa de fermentación metánica es la que controla la velocidad en los procesos anaerobios.
Ya que la fermentación metánica controla la velocidad del proceso, es importante mantener las condiciones de una fermentación metánica eficaz.
El tiempo de residencia para los microorganismos metanicos debe ser el adecuado o si no son eliminados del sistema. Los datos
20 experimentales demuestran que el tiempo de residencia requerido varía desde 2 a 20 días. El nivel óptimo de pH va de 6,8 a 7,4.
Algunas de las ventajas del tratamiento anaerobio sobre el aerobio son las siguientes:
1. Ya que no se emplea equipo de aireación, se produce ahorro de coste de inmovilizado así como de consumo energético en el tratamiento anaerobio.
2. El coeficiente de producción de biomasa Y para los procesos anaerobios es mucho menor que para los sistemas aerobios. Esto significa que se produce menos biomasa por unidad de reducción de sustrato y en consecuencia se presentan ahorros considerables en los procesos de manejo y evacuación del exceso de lodo (purga).
Esto significa también un menor requisito de nutrientes (nitrógeno y fosforo).
3. En los procesos anaerobios es posible operar a cargas orgánicas de los efluentes superiores que para el caso de los procesos aerobios.
Este hecho resulta de la limitación de velocidad de la transferencia de oxigeno de los procesos aerobios.
4. La producción de metano en los procesos anaerobios es una ventaja debido a su valor como combustible. Una parte sustancial de la necesidad energética de los procesos anaerobios puede obtenerse de los gases emitidos.
Algunas de las desventajas del tratamiento anaerobio con respecto al aerobio son las siguientes:
1. Se necesitan mayores tiempos de residencia. En consecuencia, los costes de inversión en volumen de vasija son superiores en el tratamiento anaerobio.
2. Los malos olores asociados a los procesos anaerobios debido principalmente a la producción de H2S y mercaptanos, fundamentalmente en zonas urbanas.
3. Se necesitan mayores temperaturas para asegurar que los procesos anaerobios se producen a velocidades razonables. Normalmente, la
21 temperatura de los procesos anaerobios esta alrededor de los 35°C, lo que significa que puede necesitarse el precalentamiento de la alimentación o el calentamiento del reactor anaerobio.
Sin embargo este requisito energético puede no ser una desventaja seria, si una parte sustancial puede suministrarse a partir del gas metano producido.
4. La sedimentación de la biomasa anaerobia en el clarificador secundario es más difícil que la decantación de la biomasa en el proceso de lodos activos.
Esto significa que los costes de inversión para la clarificación son superiores.
Sin embargo, si el agua residual a tratar en el proceso anaerobio contiene una concentración elevada de sólidos en suspensión a los que pueda adherirse la biomasa, pueden conseguirse buenas condiciones de sedimentación en el clarificador secundario.
Este es el caso de algunas aguas residuales industriales como las de las industrias de conservas de carne mataderos cerveza y conservas de pescado, a las que normalmente se aplica el tratamiento anaerobio.
5. La operación de las unidades anaerobias es más difícil que las aerobias, siendo el proceso más sensible a las cargas de choque.
(Ramalho R.1993)
2.2.12 PARAMETROS Y PROCESOS INTERVINIENTES EN UN REACTOR ANAEROBICO
TEMPERATURA: la temperatura afecta directamente la velocidad de las reacciones biológicas, influenciando la actividad metabólica de los microorganismos intervinientes. A su vez tiene un efecto marcado sobre la velocidad de transferencia de gases o sobre la sedimentación de algunos sólidos biológicos.
22 La eficiencia de los procesos anaeróbicos es altamente dependiente de la temperatura del reactor (Van Haandel and Lettinga, 1994, Bogte et al. 1993).
El rango óptimo para la digestión anaeróbica denominada “Mesofílicas”
se ubica entre 30 y 40°C. La temperatura afecta no solo la velocidad del proceso, sino también el nivel alcanzable de degradación, o biodegradabilidad final. A bajas temperaturas, más materia orgánica permanece sin degradar debido a que la hidrolisis de sólidos volátiles es demasiada lenta. Sin embargo, si esos solidos son retenidos en el reactor, separados de la fase liquida, suelen ser degradados en un digestor adicional o en el mismo reactor cuando la temperatura sube nuevamente.
pH: El valor y la estabilidad del pH en un reactor anaeróbico es extremadamente importante porque la metano génesis solo se lleva a cabo cuando se tratan líquidos cloacales en reactores anaeróbicos, el pH esta generalmente en el rango optimo sin necesidad del agregado de productos químicos, debido a la acción del sistema buffer Carbonato-Bicarbonato, el sistema acido-base más importante en un digestor anaeróbico.
MEZCLADO: En un reactor anaeróbico de flujo ascendente y manto de lodos, o reactor UASB, el comportamiento hidrodinámico y el modelo de mezclado del lodo son interdependientes e influencian el rendimiento del proceso. La velocidad ascensional, el ascenso de las burbujas de biogás y la distribución del influente en la base del reactor son los principales factores que influencian el flujo del líquido y el modelo de mezclado. Este modelo puede ser determinado mediante técnicas de estímulo-respuesta, realizando ensayos de distribución del tiempo de residencia con trazadores inertes.
Los reactores UASB pueden ser considerados como divididos en tres compartimientos 1) el lecho de lodos 2) el líquido sobrenadante, y 3) el sedimentador. Los dos primeros se consideran completamente mezclados, mientras que el último se toma como un reactor de flujo
23 pistón. Cortocircuitos, flujo de retorno y espacios muertos pueden ser considerados para describir el sistema con más precisión (L. Seghezzo y L. Cardón).
2.2.13 PROCESO ASCENSIONAL DE MANTO DE LODOS ANAEROBIO
El reactor o proceso de flujo ascensional y manto de lodos anaerobio, conocido en inglés como UASB y en español como RAFA o PAMLA, es un proceso en el cual el agua residual se introduce por el fondo del reactor y fluye a través de un manto de lodos conformado por granos biológicos o partículas de microorganismos. El proceso fue desarrollado por Lettinga y otros en 1980, y aplicado en Holanda para el tratamiento de residuos de concentraciones media y alta de origen agrícola, tales como las aguas residuales del azúcar de remolacha.
El tratamiento se efectúa por contacto del agua residual con el lodo granulado o floculento, en el cual se deben desarrollar bacterias con buenas características de sedimentación, bien mezcladas por el gas en circulación. La concentración de SSV en el manto de lodos puede alcanzar los 100 g/L. Los gases de la digestión anaerobia se adhieren a los granos o partículas biológicas o causan circulación interna para proveer la formación de más granos. El gas libre y las partículas que se elevan chocan con el fondo de las pantallas desgasificadoras para que el gas se libere. Los granos desgasificados caen de nuevo sobre la superficie del manto de lodos y el gas libre se captura en los domos localizados en la parte superior del reactor. La porción líquida fluye al sedimentador donde se separan los sólidos removidos permite edades de lodos prolongadas y hace innecesaria la recirculación externa de lodos (figuras 2 a 5).
24 Figura 2: Ejemplos y detalles de reactores PAMLA (UASB)
Fuente: Romero Rojas. 2004
Figura 3: Reactor UASB Fuente: Romero Rojas. 2004
25 Figura 4: Proceso de flujo ascensional con manto de lodos anaerobio y sedimentador independiente.
Fuente: Romero Rojas. 2004
Figura 5: Proceso PAMLA o UASB con laguna facultativa.
Fuente: Romero Rojas. 2004
26 El mecanismo de formación de lodo granulado aún no está claramente definido; sin embargo, se considera que aguas residuales diluidas con concentraciones de SST menores de 1000 a 2000 mg/L dan origen a un manto de lodos mejor. Los estudios de Lettinga y Hulshoff demuestran que la eficiencia del sistema UASB no se ve afectada por la formación de un lecho de lodos granular o floculento. Como la temperatura óptima del proceso es de 20 a 30°C, el sistema no fue usado en Europa para tratamiento de aguas domesticas; sin embargo, en 1981 Haskoning, la Universidad del Valle e Incol iniciaron estudios con una planta piloto de 64 m3 para el tratamiento de aguas residuales domésticas y, con base en estos estudios, las empresas municipales de Cali y la CDMB, con asistencia holandesa iniciaron la construcción de plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas del tipo PAMLA.
Los resultados principales del estudio realizado en Cali son:
La planta no requiere siembra para su arranque.
Para arranque de la planta, un tiempo de retención hidráulica inicial de cuatro horas, con aguas residuales domésticas y temperaturas de 24°C, puede ser apropiado.
En las condiciones de Cali, se obtienen resultados satisfactorios de operación con tiempos de retención de cuatro a seis horas.
Debe existir, por lo menos, una entrada de afluente por cada 4 m2.
La remoción de DBO total del afluente y DBO filtrada del efluente, osciló entre 75 y 93%.
La sedimentabilidad del lodo es buena y el secado sobre lechos de arena permite obtener lodos con 40% de sólidos en siete días.
La remoción de patógenos es de un 50%.
La literatura sobre el proceso incluye información muy variada sobre los diferentes factores de incidencia en su rendimiento y en su diseño, lo cual hace pensar que aún falta mayor evaluación de los prototipos para establecer criterios más certeros de diseño, especialmente cuando el proceso se use para aguas residuales de baja concentración a
27 temperaturas bajas, entre las ventajas señaladas del proceso se incluyen construcción sencilla, requerimientos de áreas bajos, operación simple, no necesita energía, el gas puede utilizarse, produce poco lodo y la eficiencia en remoción de DBO y SS es aceptable, con tiempos de retención mayores de seis horas. Además supera a los demás sistemas convencionales anaerobios porque permite usar caras orgánicas volumétricas mayores, es el único proceso anaerobio que remueve nitrógeno, no necesita mezcla artificial ni tanques independientes de sedimentación.
El éxito del proceso UASB radica en la generación de un lodo o bioconglomerado que permita su retención en el reactor. Las bacterias tienen la capacidad de formar gránulo en ambientes naturales o artificiales. En sistemas de tratamiento biológico, la inmovilización de biomasa en el reactor permite obtener edades de lodos mucho mayores que el tiempo de retención hidráulica. Esto se logra en el proceso UASB gracias a la agregación bacterial en gránulos. Se cree que la formación y retención de gránulos se debe a la selección ambiental natural de que el material no granular se extrae del reactor. La formación de estos agregados permite, en el UASB, obtener concentraciones de biomasa altas de 25 a 50 g ssv/L. generalmente se identifican tres tipos de bioconglomerados:
Flocs: conglomerados con estructura suelta.
Píldoras: conglomerados con estructura definida.
Gránulos: píldoras con apariencia granular.
La estructura de los gránulos depende de la naturaleza del sustrato;
entre los microorganismos importantes para formar un buen gránulo se considera importante la bacteria acetoclástica Metbanotbrix. El UASB es un reactor económico cuando se forma un lodo de buen asentamiento, lo cual es factible con aguas residuales ricas en carbohidratos como las de las industrias de almidón, azúcar, papa, cervecerías y papel.
28 En forma similar a la flotación de lodos activados, el fenómeno de flotación de lodo granular, causado por las fuerzas de empuje del biogás entrapado en los vacíos de los gránulos, causa perdida de biomasa activa del reactor y de eficiencia del proceso.
En el tratamiento de aguas residuales de baja concentración (DQO<2000 mg/L), se debe buscar en el diseño del reactor un tiempo de retención de biomasa alto y un contacto eficiente de la biomasa con el agua residual, los cuales dependen de la velocidad ascensional de flujo.
Una velocidad alta promueve mayor turbulencia y mejor contacto de la biomasa con el agua residual, pero puede poner en peligro la retención del lodo y producir lavado del reactor.
Diseños recientes incluyen el uso de medios plásticos en la parte superior del reactor para entrapar sólidos y promover el crecimiento de biopelículas adheridas, dando como resultado un reactor híbrido de película fija y manto de lodos. El proceso ascensional de manto de lodos anaerobio es considerado sensible a la composición del agua residual, de arranque difícil, de atención cuidadosa para desarrollar el manto de lodos, inapropiado para residuos con contenido alto de NH4+
o con bajo contenido de cationes divalentes.
Para aguas residuales domésticas crudas, es decir, aguas residuales de baja concentración de DQO, el factor de control de diseño es el tiempo de retención hidráulica, en vez de la carga orgánica volumétrica.
En este caso el tiempo de retención hidráulica (ө) depende principalmente de la temperatura. Los siguientes son los valores recomendados:
Para temperaturas de 16 a 19°C; ө = 10 a 14 horas.
Para temperaturas de 22 a 26°C; ө = 7 – 9 horas.
Para temperaturas mayores de 26 °C; ө > 6 horas.
(Romero Rojas. 2004)
29 2.3 BASES CONCEPTUALES
2.3.1 DIGESTION ANAEROBIA
La digestión anaerobia es un proceso complejo constituido por un conjunto de reacciones consecutivas y paralelas, biocatalizadas por diferentes especies de microorganismos. Las reacciones que se producen son ligeramente exotérmicas y el proceso funciona a bajos niveles térmicos (aproximadamente 37ºC); con intercambio de calor externo y aislamiento del reactor, por eso se puede suponer reactor isotérmico.
2.3.2 DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO (DQO)
La DQO es el consumo de oxigeno mg/L en la oxidación total por vía húmeda de la materia carbonácea, presente en la muestra problema.
Las condiciones de la oxidación se deben a la acción combinada de un oxidante fuerte, bicromato, en medio sulfúrico y a temperatura elevada, durante un tiempo suficiente para la completar la oxidación.
Las limitaciones y debilidad de la oxidación bioquímica llevo a determinar la demanda de oxigeno por medios químicos. La demanda química de oxigeno (DQO), es el índice general de contaminación más usado, en ingles se denomina Chemical Oxygen Demand (COD). Para aguas blancas, alternativamente se utiliza en lugar de la demanda química de oxígeno, la oxidabilidad al permanganato, permanganate value (PV),. En aguas residuales la oxidabilidad al permanganato suministra valores numéricos sensiblemente inferiores a la DQO.
Para sustancias fácilmente oxidables, la DQO y la DBOu presentan resultados semejantes, no siendo así para sustancias más resistentes, pero siempre se cumplirá que DQO≥ DBOu.
El análisis de la DQO usa la oxidación química, para efectuar la misma reacción que provocaban los microorganismos con la materia orgánica, pero ahora de manera enérgica, el carbono es oxidado a anhídrido carbónico, permaneciendo el nitrógeno amino amoniacal en su mismo grado de oxidación, el nitrógeno correspondiente a los nitritos se oxida a nitratos. (Gil Rodríguez. 2005).
30 2.3.3 DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO (DBO)
La Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO), se define como la cantidad de oxígeno utilizado por microorganismo heterótrofos, para transformar la materia orgánica metabolizable de la muestra a examinar, en anhídrido carbónico, agua y productos finales. Se realiza en condiciones aeróbicas, con presencia suficiente de oxigeno libre, desde el comienzo al final de la prueba, midiéndose la acumulación del oxígeno utilizado. El resultado se expresa en miligramos de oxigeno utilizado por litro de agua examinada.
Las condiciones de medida, fueron establecidas en 1912 por una UK Royal Commission, en su octavo informe titulado Standard san test for sewage and sewage effluents discherging in to rivers and streams.
En este informe se recomendó un periodo de incubación de cinco días, tiempo medio de los ríos ingleses en el mes más cálido, que equivale a 18,3°C redondeado a 20°C.
El test quedó inalterado desde 1912 y se conoce universalmente como DBO5 a 20°C, o simplemente DBO.
La importancia de la medida de la DBO, radica en que del análisis de la evolución de la DBO, se obtiene información de los parámetros cinéticos de la biodegradabilidad dela muestra, base del diseño y operación de las depuradoras de aguas residuales.
Los microorganismos en las condiciones de la medida de la Demanda Bioquímica de oxígeno, DBO, metabolizan las materias orgánicas biodegradables de las muestras a examinar, de procedencia urbana o industrial, multiplicándose, a la vez que consumen las sustancias biodegradables.
Las reacciones bioquímicas de esta actividad metabólica se resumen en reacciones de síntesis de nuevos organismos, reacciones de producción de energía, para desarrollo de su actividad reacciones de degradación de los propios microorganismos, consumiendo estos tres reacciones oxígeno, hasta que el sustrato disponible se agota, comenzando entonces la fase de metabolismo endógeno, caracterizado por un consumo mínimo de oxígeno. La DBO mide el
31 consumo de oxígeno en una muestra causado por las reacciones indicadas. (Gil Rodríguez. 2005).
2.4 HIPOTESIS DE LA INVESTIGACION 2.4.1 HIPOTESIS GENERAL
El tiempo de residencia, la temperatura y el pH influyen positivamente en la remoción de la carga orgánica en el tratamiento de las aguas residuales municipales del barrio “OCOPILLA”-Huancayo mediante un reactor UASB a nivel de laboratorio en el año 2012.
2.4.2 HIPOTESIS ESPECIFICOS
1. Las características físico-químicas de las aguas residuales municipales del barrio en estudio indican que son acidas.
2. El tiempo de residencia influye positivamente en la remoción de la carga orgánica.
3. La temperatura influye positivamente en la remoción de la carga orgánica.
4. El pH influye positivamente en la remoción de la carga orgánica.
5. El porcentaje de remoción de la carga orgánica es del 80%.
2.5 VARIABLES E INDICADORES Variables independientes:
Tiempo de residencia (TR) pH
Temperatura (T)
Variable dependiente:
Carga orgánica (mg DQO/L)
32 CAPITULO III
METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION 3.1 TIPO DE INVESTIGACION: Aplicada.
3.2 NIVEL DE LA INVESTIGACION: Explicativa.
3.3 METODOS DE LA INVESTIGACION: Experimental 3.4 DISEÑO DE LA INVESTIGACION
Diseño experimental tipo factorial de primer orden a dos niveles N=2K con cuatro replicas.
3.5 POBLACION Y MUESTRA POBLACION: Infinita
Son las aguas residuales provenientes del barrio “OCOPILLA”-Huancayo.
MUESTRA: Las muestras serán representativas, el cual se realizará mediante la técnica del muestreo estratificado; sistemático y aleatorio.
3.6 TECNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCION DE DATOS
Se utilizaran instrumentos directos, las cuales permitirán recolectar los datos directamente desde la fuente, para ello se hace uso de los experimentos y observaciones directas.
También se harán uso de datos secundarios.
Se usará como instrumento de recolección de datos lo experimental, y para ello se usará lo siguiente:
Para el pH: pH metro marca TKR_ATC, modelo PXIII y de rango 0-14pH.
Para la Temperatura: un termómetro calibrado de mercurio -10°C a 110°C.
Para la DQO: equipo Hach DR200.
DBO5: método de Winkler
Los demás de acuerdo con las normas AWWA y las guías del standars methods.
