3
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL
CENTRO DE INVESTIGACION EN TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES Y RESIDUOS PELIGROSOS
CITRAR-FIA-UNI
"CONVENIO ESPECIFICO DE COOPERACION
INTERINSTITUCIONAL ENTRE EL MINISTERIO DEL
AMBIENTE
Y LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA PARA
IMPLEMENTACIÓN A NIVEL LABORATORIO DE PROPUESTA
DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE
PROCESO
Y REALIZACIÓN DE PRUEBAS DE
LOCALIDAD DE PUNO
Informe No 4 Parte I
4
El presente documento ha sido elaborado por : MSc. Ing. Rosa Elena Yaya Beas
e
Ing. Alejandro Juan Moreno Oscanoa
Se agradece la participación de las siguientes personas que contribuyeron para la elaboración del presente documento:
MSc. Beatriz Castañeda Saldaña Blga. Erika Alejandra Cadillo La Torre
Ing. Tatiana Nadezdina León Rojas Ing. Maria Quinto Sánchez Bach. Miguel Quiroz Mantari Bach. Juan Alonso Quispe Livisi
Johan Martin Rojas Floreano Manuel Jesús Romero Mananí
y,
5 Presentación
El Centro de Investigación en Tratamiento de Aguas Residuales y Residuos Peligrosos - CITRAR se inicia en el año 2011 lo que hasta entonces era la planta piloto de tratamiento de aguas residuales de la Universidad Nacional de Ingeniería UNITRAR, que entró en funcionamiento en Enero de 1996. CITRAR. Tiene el propósito de propiciar la investigación científica, con tendencia a buscar alternativas técnicas de solución de bajo costo a la problemática del tratamiento, disposición y reúso inadecuado de las aguas residuales y residuos peligrosos en el Perú.
El tratamiento de las aguas residuales domésticas consiste en acondicionar y remover componentes presentes en el agua residual de tal manera que pueda ser vertida a un cuerpo receptor ó reusada de tal forma que se garantice la salud de las personas que están en contacto con las aguas residuales tratadas y así como también de aquellas que consumen los productos cultivados las mismas.
En ese contexto en estricta coordinación con el MINAM se viene desarrollando este estudio para dar una solución en el tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Puno, que posee recursos económicos limitados. Dentro de los principales objetivos se busca realizar el tratamiento de las aguas residuales, promover el reuso de aguas y descontaminar la cuenca del Lago Titicaca que es el punto actual de vertimiento de las actuales plantas de tratamiento existentes.
6 Contenido
Presentación
...
31. Introducción
...
122. Antecedentes
...
132. 1 Identificación de la zona de estudio
...
132. 2 Características del caudal a tratar
...
152. 3 Impacto de la descarga de aguas residuales en el lago Titicaca
...
162.4 Diagnóstico del tratamiento y reuso de aguas residuales en Puno
...
172. 5 Política Nacional del Ambiente
...
223. Alcances
...
234. Resumen del protocolo aplicado y ajuste en el diseño de los reactores a escala de laboratorio
...
244.1 Criterios para la ubicación
...
244.2 Dimensionamiento del reactor UASB y el digestor de lodos
...
254.3 Memoria de cálculo del reactor UASB y el digestor de lodos
...
265. Marco Teórico
...
305.1 Experiencias a nivel nacional en el tratamiento de aguas residuales mediante el reactor anaerobio UASB en zonas de climas fríos
...
306. Metodología y Resultados obtenidos
...
356.1 Materiales requeridos
...
356.2 Metodología de análisis
...
456.3 Protocolos de análisis de laboratorio
...
536.4 Programa de seguimiento y control de la marcha de ensayos
...
776.5 Implementación del sistema UASB a escala laboratorio
...
807. Análisis y Evaluación de los resultados
...
857.1 Pruebas preliminares con tubos de acrílico y construcción de medidor de gas
...
857.2 Monitoreos preliminares
...
967.3 Especificaciones técnicas
...
987.4 Operación y mantenimiento
...
1007.5 Resultado de pruebas en batería 1L y 2L.
...
103a. DBO, DQO total y DQO soluble.
...
103b. Sólidos totales (ST)
...
112c. Sólidos volátiles totales (SVT)
...
113b. Turbiedad y pH
...
114c. Coliformes Totales, Coliformes termotolerantes y E. Coli.
...
118d. Huevos de helmintos
...
1248. Presentación de los criterios de diseño de reactores anaerobios ajustados
...
1309. Presentación del Proyecto ante autoridades del MINAM y EMSAPUNO.
...
13310. Conclusiones y Recomendaciones
...
13910.1 Conclusiones
...
1397
11 Referencias Bibliográficas
...
14311. Factibilidad de aplicación del sistema piloto de tratamiento anaerobio de aguas residuales - sistema de calentamiento del digestor de lodos a escala piloto
...
14611.1 Justificación del Proyecto:
...
14611.2 Objetivos:
...
146 11.3 Beneficiarios:...
146 11.4 Fundamento teórico:...
146 11.5 Data empleada:...
150 11.6 Resultados...
154 ANEXOS...
155Anexo A Planos correspondiente al los reactores de las baterías 1L y 2L.
...
156Anexo B Esquema del frasco medidor de gas
...
161Anexo C Especificaciones de materiales de ensayo en reactores a escala de laboratorio Batería 1L y 2L
...
161Anexo C Especificaciones de materiales de ensayo en reactores a escala de laboratorio Batería 1L y 2L
...
162Anexo D Resultados de la evaluación de la infraestructura del laboratorio de EMSAPUNO 163 Anexo E Equipos y accesorios en procesos de adquisición para la instalación y monitoreo del sistema con reactor Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB).
...
165Anexo F Volúmenes de muestra sugeridos para prueba de coliformes totales/filtro de membrana
...
166Prueba de coliformes totales/filtro de membrana
...
166Prueba de coliformes termotolerantes/filtro de membrana
...
166Anexo G Análisis Fisicoquímicos
...
167Anexo H Diagrama de técnicas de ensayos de coliformes fecales, E.coli y huevos de helmintos
...
172Anexo I Tablas de registro
...
175Anexo J Reportes de Análisis Bacteriológicos
...
1788
Relación de tablas
Tabla 1 Población y Tasa de crecimiento intercensal –Región Puno
...
15Tabla 2 Volumen y área de la Planta El Espinar
...
20Tabla 3 Cálculo del tiempo de retención (HRT) y el volumen de un biodigestor en la India para una misma producción de metano
...
34Tabla 4 Materiales para los reactores a escala de laboratorio-Batería 1 L.
...
35Tabla 5 Materiales para el desarrollo de los ensayos-Batería 1 L
...
36Tabla 6 Análisis fisicoquímicos y bacteriológicos-Batería 1 L
...
37Tabla 7 Materiales para los reactores a escala de laboratorio-Batería 2 L
...
38Tabla 8 Requerimientos para el sistema de calentamiento-Batería 2 L
...
39Tabla 9 Materiales para el desarrollo de los ensayos-Batería 2 L
...
40Tabla 10 Equipos de campo para el desarrollo de los ensayos-Batería 1 L
...
41Tabla 11 Análisis fisicoquímicos y bacteriológicos-Batería 2 L
...
41Tabla 12 Recursos humanos requeridos para operar cada las Baterías 1L y 2L
...
44Tabla 13 Tabla resumen de principales características de diseño del reactor UASB
...
46Tabla 14 Frecuencia de análisis en reactores a escala de laboratorio en las Batería 1 L y 2 L por cada punto de monitoreo
...
52Tabla 15 Porcentaje de ejecución de Actividades
...
79Tabla 16 Resultados de los parámetros: DQO total, DQO soluble y DBO5
...
104Tabla 17 Resumen de la remoción de la DBO5
...
106Tabla 18 Resumen de la remoción de la DQO total
...
107Tabla 19 Resumen de la remoción de la DQO soluble
...
109Tabla 20 Resultados de los parámetros: Sólidos Totales y Sólidos Totales Volátiles
...
111Tabla 21 Resumen de la remoción de los Sólidos Totales (ST)
...
113Tabla 22 Resumen de la remoción de los Sólidos Volátiles Totales (SVT)
...
114Tabla 23 Resultados de los parámetros: pH y Turbiedad
...
115Tabla 24 Resumen de la remoción de la Turbiedad
...
117Tabla 25 Resumen de la variación del pH
...
118Tabla 26 Resultados de los parámetros: Coliformes Totales, Coliformes Termotolerantes y E. coli
...
119Tabla 27 Resumen de la remoción de Coliformes Totales
...
120Tabla 28 Resumen de la remoción de Coliformes Termotolerantes
...
120Tabla 29 Resumen de la remoción de E. coli
...
124Tabla 30 Recuento de huevos de helmintos
...
125Tabla 31 Especies de huevos de helmintos detectados
...
1289
Tabla 33 Cuadro Resumen de la Eficiencia de remoción en la Batería 2L
...
129 Tabla 34 Aplicación del reactor anaerobio en el tratamiento de aguas residuales domesticas atemperaturas bajas
...
131 Tabla 35 Datos de las temperaturas del lodo cuando ingresa al digestor, tomados durante unasemana en el laboratorio
...
151 Tabla 36 Resultados de la determinación de coliformes por monitoreo...
18010
Relación de figuras
Figura 1 Ubicación de zonas de estudio: Ciudad de Puno (Puno), vista de la Planta de
tratamiento de aguas residuales y del lago Titicaca ... 13
Figura 2 Vista de la acumulación de lodos en las lagunas de tratamiento de Juliaca. ... 18
Figura 3 Vista de la Planta de tratamiento de Juliaca. ... 19
Figura 4 Vista de la Planta de tratamiento Espinar (Puno). ... 21
Figura 5 Vista de la acumulación de lodos en las lagunas de la Planta de tratamiento El Espinar (Puno). ... 21
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°C ... 31
Figura 7 Esquema del reactor de domo fijo utilizado para la planta Janata (India) ... 33
Figura 8. Batería 1L- Reactor UASB sin digestor de lodos ... 48
Figura 9 Batería 2L- reactor UASB con digestor de lodos ... 50
Figura 10 Ejemplo de curva de la Demanda Bioquímica de Oxigeno ... 54
Figura 11 Clasificación de los sólidos ... 58
Figura 12 Diagrama de flujo del las actividades a realizar en la investigación con reactores a escala de laboratorio. ... 78
Figura 13 Personal de CITRAR llegando a la planta de tratamiento de agua Aziruni de la ciudad de Puno, lugar donde se encuentran instalados los reactores UASB de laboratorio. 80 Figura 14 Área de instalación de los reactores UASB tal como se encontró al momento de iniciar los trabajos de instalación. ... 80
Figura 15 Personal de CITRAR construyendo las instalaciones que alojan a los reactores UASB. ... 81
Figura 16 Personal de CITRAR construyendo las instalaciones que alojan a los reactores UASB. Se observa las cajas que alojan a las bombas peristálticas ... 81
Figura 17 Se observa la implementación del tanque de alimentación de agua residual a los reactores UASB ... 82
Figura 18 Se observa la implementación del tanque de alimentación de agua residual a los reactores UASB. El tanque ya se encuentra instalado. ... 82
Figura 19 Se observa los reactores UASB ya implementados ... 83
Figura 20 Se observa el digestor de lodos con el calentador ya implementados ... 83
Figura 21 Se observa los reactores UASB listos para empezar las pruebas preliminares ... 84
Figura 22 Se observa una de las bombas peristálticas durante la etapa de la pruebas hidráulicas con aguas residuales ... 84
Figura 23 Se observa la instalación de un reactor UASB de prueba con funcionamiento por gravedad: izquierda (reactor vacío); derecha (reactor en funcionamiento) ... 86
Figura 24 Se observa la instalación de dos tubos de acrílico de prueba con funcionamiento por gravedad. ... 87
Figura 25 Se observa la calibración de caudales de operación. ... 87
Figura 26 Se observa la extracción de la campana en el reactor UASB para limpieza. ... 88
11
Figura 28 Lodo adheridos a la campana del reactor UASB a escala laboratorio
...
89Figura 29 Se observa los lodos adheridos a la campana del reactor UASB a escala laboratorio 89 Figura 30 Limpieza de los vertederos en el reactor UASB a escala laboratorio
...
90Figura 31 Limpieza de la salida del reactor UASB a escala laboratorio
...
90Figura 32 Agitación del tanque de agua para la correcta homogenización de la muestra
...
91Figura 33 Calibración del caudal en el reactor UASB a escala laboratorio con ayuda de una probeta y cronómetro
...
91Figura 34 Limpieza del azufre adherido a las paredes de las mangueras de salida del reactor UASB a escala laboratorio
...
92Figura 35 Colocación de la campana de gases ”limpia” en el rea 92 Figura 36 Desinfección de la superficie del reactor UASB a escala laboratorio
...
93Figura 37 Medición de la altura de lodo en el reactor UASB a escala laboratorio con la ayuda de una cinta métrica
...
93Figura 38 Muestras de agua en la entrada y salida del reactor UASB a escala laboratorio, en la cuales se visualiza diferencias de niveles de turbiedad
...
94Figura 39 Se observa la tapa de PVC y el frasco donde se almacenará el volumen de líquido. 95 Figura 40. Se observa el frasco construido y operando en la recolección de gas en Puno.
....
95Figura 41 Variación de temperatura en el sistema de tratamiento de laboratorio monitoreos preliminares
...
96Figura 42 Variación de Turbiedad en el sistema de tratamiento de laboratorio- monitoreos preliminares
...
97Figura 43 Variación de pH en el sistema de tratamiento de aguas residuales a nivel laboratorio-monitoreos preliminares
...
98Figura 44 Esquema de control del caudal de ingreso al reactor UASB
...
101Figura 45 Variación de DBO5 en el proceso de tratamiento de aguas residuales a nivel laboratorio
...
105Figura 46 Eficiencia de la remoción de la DBO5 vs. Tiempo de Retención Hidráulico
...
106Figura 47 Variación de la DQO total en el proceso de tratamiento de aguas residuales a nivel laboratorio
...
108Figura 48 Eficiencia de la remoción de la DQO total vs. Tiempo de Retención Hidráulico
....
109Figura 49 Variación de la DQO soluble en el proceso de tratamiento de aguas residuales a nivel laboratorio
...
110Figura 50 Variación en la concentración de ST vs. Tiempo de Retención Hidráulico
...
112Figura 51 Eficiencia de la remoción de ST vs. Tiempo de Retención Hidráulico
...
112Figura 52 Variación en la concentración de SVT vs. Tiempo de Retención Hidráulico
...
113Figura 53 Eficiencia de la remoción de SVT vs. Tiempo de Retención Hidráulico
...
114Figura 54 Variación de la turbiedad vs Tiempo de Retención Hidráulico
...
11612
Figura 56 Variación del pH vs Tiempo de Retención Hidráulico
...
117Figura 57 Variación de la concentración y de la remoción de Coliformes Totales vs Tiempo de Retención Hidráulico
...
121Figura 58 Variación de la concentración y de la remoción de Coliformes Termotolerantes vs Tiempo de Retención Hidráulico
...
122Figura 59 Variación de la concentración y de la remoción de E. Coli vs Tiempo de Retención Hidráulico
...
123Figura 60 Variación de la presencia y de la remoción de huevos de helminto vs Tiempo de Retención Hidráulico.
...
126Figura 61 Eficiencia de la remoción de huevos de helmintos.
...
127Figura 62 Eficiencia de la emoción de huevos de helmintos.
...
132Figura 63 Miembros de la mesa de honor al finalizar la Exposición del Proyecto
...
133Figura 64 Inicio de la Presentación del Proyecto frente a las autoridades de EMPSAPUNO y MINAM
...
134Figura 65 Exposición del Proyecto frente a las autoridades de EMPSAPUNO y MINAM
...
134Figura 66 Visita Técnica del Proyecto frente a las autoridades de EMPSAPUNO y MINAM
.
135 Figura 67 Visita Técnica del Proyecto frente a las autoridades de EMPSAPUNO y MINAM.
135 Figura 68 Visita Técnica del Proyecto frente a las autoridades de EMPSAPUNO y MINAM.
136 Figura 69 Explicación técnica del Proyecto frente a las autoridades de EMPSAPUNO y MINAM 136 Figura 70 Explicación técnica del Proyecto frente a las autoridades de EMPSAPUNO y MINAM 137 Figura 71 Explicación técnica del Proyecto frente a las autoridades de EMPSAPUNO y MINAM 137 Figura 72 Vista del equipo de investigación CITRAR-FIA-UNI durante la visita técnica...
138Figura 73 Intercambiador de coraza
...
149Figura 74 Intercambiador de tubo
...
149Figura 75 Esquema general del digestor
...
150Figura 76 Temperatura promedio del lodo vs. Tiempo durante un día
...
15213 Siglas
OMS Organización Mundial de la Salud.
PNUMA Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente. PTAR Planta de Tratamiento de Aguas Residuales.
EPS Empresas Prestadoras de Servicios.
EMSAPUNO Empresa Municipal de Saneamiento Básico S.A. Reactor UASB Reactor anaerobio de manto de lodos y flujo ascendente. FIA Facultad de Ingeniería Ambiental.
UNI Universidad Nacional de Ingeniería.
CITRAR Centro de Investigaciones en Tratamiento de Aguas Residuales y Residuos Peligrosos.
MINAM Ministerio del Ambiente.
DBO Demanda Bioquímica de Oxígeno.
DQO Demanda Química de Oxígeno.
DQOs Demanda Química de Oxígeno Soluble. PTAR Planta de Tratamiento de Aguas Residuales.
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"CONVENIO ESPECIFICO DE COOPERACION INTERINSTITUCIONAL ENTRE EL MINISTERIO DEL AMBIENTE Y LA UNIVERSIDAD NACIONAL
DE INGENIERIA PARA IMPLEMENTACIÓN A NIVEL LABORATORIO DE PROPUESTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE PROCESO Y REALIZACIÓN DE PRUEBAS-LOCALIDADDE ENSAYO”
PUNO
1. Introducción
Durante los últimos meses de trabajo se ha realizado la ubicación, implementación y equipamiento completo de los reactores a escala de laboratorio, realizando las pruebas hidráulicas necesarias para el correcto funcionamiento del reactor en mención en el transcurso del desarrollo del proyecto, así mismo se está llevando a cabo los respectivos análisis de laboratorio de los diferentes parámetros analizados y actividades mencionadas en los términos de referencia.
15 2. Antecedentes
La presente consultoría está dirigida a proponer un protocolo para desarrollar una investigación de reactores anaerobios de flujo ascendente para el tratamiento de aguas residuales domésticas en la ciudad de Puno de tal manera que en el futuro dicha tecnología aplicada contribuya a la descontaminación de la cuenca del Lago Titicaca.
2. 1 Identificación de la zona de estudio
La zona de estudio seleccionada en la presente consultoría se ubica en el Departamento de Puno, específicamente en la ciudad de Puno.
La zona en referencia ha sido seleccionada debido a que cumple con las características de la zona solicitada en la presente consultoría debido a su altitud. Adicionalmente, Puno viene atravesando serios problemas ecológicos debido a la operación y mantenimiento de sus plantas de tratamiento.
Figura 1 Ubicación de zonas de estudio: Ciudad de Puno (Puno), vista de la Planta de tratamiento de aguas residuales y del lago Titicaca
16 Zona de estudio 1: Puno
El departamento de Puno se encuentra ubicado en la zona sur-oriental del país, a una altura de 3800 msnm. Tiene una superficie de 71 999.00 km2 y una densidad poblacional de 16.66 hab./km2. El nivel más bajo se encuentra adyacente al Lago Titicaca, cuyas riberas están a 3812 m de altitud, desde donde empieza a elevarse gradualmente hasta los 3900 a 4000 m, altitud que caracteriza a la producción agrícola. En total son 10004 Centros Poblados (territorio que tiene como mínimo 100 viviendas agrupadas contiguamente) en todo el departamento, de los cuales el 95.5% están ubicados en el área rural y el 4.5% en el área urbana.
La ciudad de Puno se localiza en las riberas del Lago Titicaca, sobre la bahía menor de Puno. Sus limitantes topográficos han determinado que la ciudad adopte un plano alargado, con una orientación general de norte a sur. Según el último censo de población y vivienda el distrito de Puno cuenta con una población de 123 906 habitantes, el mismo que en relación al censo de 1993 representa un crecimiento poblacional de 23.70% (Tudela-Mamani, 2007).
El crecimiento de la población Puneña durante los últimos años se debe en parte al proceso de migración, el cual genera desplazamientos de pobladores de las zonas rurales que buscan mejoras en el ingreso y en el acceso a servicios básicos. Este el incremento poblacional también ha generado mayor consumo de agua potable y por consiguiente la generación de un mayor volumen de aguas residuales domésticas.
Desde el año 1940, el departamento de Puno ha tenido un crecimiento moderado, obteniéndose para el periodo 1981-1993 un valor máximo de 1.6%, que disminuyó a 1.1% en el último periodo intercensal 1993 - 2007.
El ritmo de crecimiento sin embargo es muy diferente entre las poblaciones de Puno y Juliaca. En la Tabla 1 se aprecia claramente que el porcentaje de crecimiento de Juliaca es de hasta 3 veces mayor que el de Puno.
17
Tabla 1 Población y Tasa de crecimiento intercensal –Región Puno
Población Incremento poblacional Tasa de
Caracterización crecimiento 1993 2007 Obs % intercensal Puno dpto. 1079849 1268441 188592 17.46% 1.1 Puno provincia 201205 229236 28031 13.93% 0.9 Puno distrito 100168 125663 25495 25.45% 1.8 San Román 168534 240776 72242 42.86% 2.5 Juliaca 151960 225146 73186 48.16% 3.4 Fuente: INEI (2007)
2. 2 Características del caudal a tratar Zona de estudio 1: Puno
La población de la ciudad de Puno de acuerdo al censo de población 2007 fue 125 663 habitantes. Para estimar la población de esta ciudad al 2012 se ha utilizado la tasa de crecimiento provincial, la cual ha sido 0.9% en el último periodo intercensal, 1993-2007. De esta manera se obtuvo que la población actual de la ciudad de Puno asciende a 131420 habitantes.
Por otro lado de acuerdo a las Memorias 2008 de la Empresa Municipal de Saneamiento Básico de Puno EMSAPUNO, la demanda de agua en esta ciudad fue estimada en 173 L/hab/día y la cobertura de alcantarillado en 74.26%. Considerando, además, un factor de contribución al alcantarillado del 80%, se calcula el caudal promedio de aguas residuales de la siguiente manera:
Además, se va a considerar valores del caudal de infiltración y de aportes por lluvias, similares a los estimados por el Plan Maestro Optimizado de SEDAJULIACA S.A. (2007). De acuerdo a este estudio el caudal de infiltración para el 2012 fue estimado en 53574 m3/mes y el aporte por
18
lluvias para el mismo año en 101446 m3/mes. Por tanto, el volumen total de aguas residuales para la ciudad de Puno en el 2012 será el siguiente:
2. 3 Impacto de la descarga de aguas residuales en el lago Titicaca
La contaminación orgánica y bacteriológica de las aguas del lago Titicaca es consecuencia del vertimiento de aguas servidas no tratadas provenientes de centros urbanos y poblaciones circunlacustres que carecen de servicios básicos.
La descarga pasada y actual de las aguas residuales a la bahía interior de Puno, ha provocado su eutroficación caracterizada por un excesivo crecimiento de vegetación acuática (lenteja de agua), que cubre un gran porcentaje del espejo de agua de la bahía interior, provocando su desequilibrio ecológico. Debido al alto contenido de nutrientes de las aguas del lago, se desarrolla un intenso proceso biológico que cubre de lemna el espejo de agua, favoreciendo el incremento de actividad anaeróbica en el cuerpo de agua y el fondo. Las comunidades de la región, por su parte, han venido desarrollando un aprovechamiento inadecuado de este recurso, introduciendo su ganado directamente al lago para alimentarse de la lemna y otras macrófitas que se benefician de la sobrecarga de nutrientes, con lo que la contaminación por efecto de los desechos de ese ganado que pasa muchas horas del día dentro del agua se eleva exponencialmente. Este esquema se repite en el río Torococha que transcurre por la ciudad de Juliaca en el Perú.
Las consecuencias de la eutroficación antropogénica que ocurre en esta zona varían desde el deterioro de las condiciones estéticas del lago, malos olores, perdida del valor de los terrenos aledaños, mortalidad de peces y plantas.
19
Por su parte, la contaminación físico- química se origina como resultado de las descargas de aguas residuales urbanas e industriales, de los drenajes
de las minas y de los relaves de los sistemas de procesamiento mineral. Las principales fuentes contaminadas son el río Ramis, el río Suches, el río Desaguadero desde la confluencia con el Mauri, donde hay una concentración elevada de sulfatos (de hasta 600 mg/l), boro y arsénico de origen natural. Asimismo, los ríos Seco y Seque recogen vertimientos tóxicos de muchas de las industrias instaladas en El Alto, además de los efluentes de muchas otras conectados de manera irregular a la red de alcantarillado doméstico. Las aguas desechadas por la actividad minera que recibe aguas abajo son muy ácidas y altamente cargadas de metales pesados, y los sedimentos mezclados en ellas contienen grandes cantidades de pirita, la cual, al oxidarse y entrar en contacto con el agua produce acidificación por ácido sulfúrico. Este ácido lixivia los metales presentes, produciendo así un agua similar a la de las minas (copajira). Quizá el problema más grave de contaminación de origen minero en el lado peruano es el generado por las explotaciones auríferas ubicadas en la Rinconada, Ananea y en las cuencas altas del sistema Ramis /Huancané, generándose una importante cantidad de partículas finas que, en los tramos medios de los ríos utilizados por las truchas para el desove y el desarrollo de los alevines, causa graves problemas de equilibrio ecológico.
La contaminación de las aguas ha afectado, evidentemente, las cadenas tróficas del Sistema del lago Titicaca. Aunque los datos no son muy abundantes, se han registrado concentraciones superiores a las normas para consumo humano de mercurio y arsénico en individuos de pejerrey capturados en la bahía de Puno (0.4 ppm de Hg). Asimismo, las concentraciones de metales pesados encontradas en pejerrey en el lago Poopó son muy altas, especialmente de plomo, cobre, cromo, estroncio, zinc y estaño (PNUMA, 1996; Hacon y Azevedo, 2006)
20
2.4 Diagnóstico del tratamiento y reuso de aguas residuales en Puno La situación con respecto al tratamiento de aguas residuales ha sido analizada conforme a las reuniones de coordinación específicamente en las ciudades de Juliaca y Puno.
a. En la ciudad de Juliaca
Las aguas residuales de la ciudad de Juliaca son tratadas en la Planta de tratamiento ubicada en la comunidad de Chilla. Esta Planta cuenta con 08 lagunas facultativas y fue construidas en 1982 en un área de 33 ha.
Actualmente, la planta cuenta con una cámara de rejas, un canal repartidor de caudales y las lagunas facultativas primarias. La planta actual se encuentra sobrecargada, opera a un caudal mayor a su capacidad. Además, se observa la presencia de lodos y arenas a cantidades elevadas, principalmente debido a la presencia del drenaje pluvial en el afluente de la planta y que esta no cuenta con una unidad de desarenado. En la atmósfera es posible percibir los olores fétidos producto de las reacciones de degradación anaerobia q se llevan a cabo dentro de las lagunas. Finalmente el efluente de la planta es vertido al rio Torococha que desemboca al rio Coata, el que finalmente descarga al lago Titicaca. Durante este trayecto el rio Coata recibe las muchas contribuciones de conexiones clandestinas.
21
Figura 2 Vista de la acumulación de lodos en las lagunas de tratamiento de Juliaca.
22
Figura 3 Vista de la Planta de tratamiento de Juliaca.
b. En la ciudad de Puno
Actualmente la ciudad de Puno cuenta con la planta de tratamiento Isla Espinar que fue construida en el año 1972 en áreas inundables y se ubica en el extremo sur de la ciudad, limitando por el oeste con la Isla El Espinar, por el norte y el sur con la bahía interior del Lago Titicaca. Asimismo, recibe los desagües recolectados de las principales estaciones de bombeo que existen en la ciudad.
Esta Planta estuvo operativa hasta el año 1985, en el cual fue inhabilitada debido a la inundación causada por las frecuentes lluvias de la zona.
Entre los años 1995 y 1996 EMSA PUNO S.A. con el financiamiento del Programa Nacional de Agua Potable y Alcantarillado (PRONAP), rehabilitó la antigua planta del Espinar ampliando su capacidad de tratamiento hasta cubrir un 70% del total de aguas residuales domésticas de la ciudad de Puno.
23
Las aguas residuales en la Planta de tratamiento el Espinar son tratadas con 02 lagunas facultativas. Actualmente, la planta cuenta con una cámara de rejas, 01 laguna aireada primaria y una laguna facultativa secundaria.
En el siguiente cuadro se presenta la información con respecto al área y volumen de cada laguna:
Tabla 2 Volumen y área de la Planta El Espinar
LAGUNA AREA VOLUMEN
TOTAL (m2) TOTAL (m3)
Laguna Primaria 141 777.08 124 168.00
Laguna Secundaria 80 495.65 57 410.00
Fuente: EMPSAPUNO (2009).
La Planta El Espinar actualmente se encuentra sobrecargada orgánicamente. Se evidencia fácilmente la presencia de lodos y arenas a niveles altos, principalmente debido a que la presencia del drenaje pluvial en el afluente de la planta. En la atmósfera es posible percibir la fuerte presencia del hidrogeno sulfurado lo que es un indicador de que las reacciones anaerobias principalmente en las zonas muertas. Finalmente de la misma manera que en la ciudad de Juliaca, el efluente de la planta es descarga al Lago Titicaca.
El caudal de ingreso es de 180 L/s y la DBO5 mínima es de 203.49 mg/L, por lo tanto se tiene
una carga orgánica de ingreso de 3164 Kg DBO5/dia. Por otra parte con respecto el valor de
coliformes termotolerantes no se logra alcanzar en ningún momento los valores recomendados por la OMS para fines de riego agrícola, por lo tanto el riesgo de adquirir enfermedades gastrointestinales al ingerir alimentos irrigados con estas aguas es muy elevado.
24
Figura 4 Vista de la Planta de tratamiento Espinar (Puno).
Figura 5 Vista de la acumulación de lodos en las lagunas de la Planta de tratamiento El Espinar (Puno).
2. 5 Política Nacional del Ambiente
El Ministerio del Ambiente es el ente rector del Sector Ambiente y la autoridad competente para formular la Política Nacional del Ambiente y entre sus
25
objetivos está asegurar la prevención de la degradación del ambiente y de los recursos naturales y revertir los procesos negativos que los afectan.
La Política Nacional del Ambiente es de cumplimiento obligatorio en los niveles del gobierno nacional, regional y local y de carácter orientador para el sector privado y la sociedad civil.
Uno de los objetivos específicos más importante de la Política Nacional del
Ambiente es: “asegurar una calidad ambien desarrollo integral de las personas, previniendo la afectación de
ecosistemas, recuperando ambientes degradados y promoviendo una gestión integrada de los riesgos ambientales, así como una producción limpia y eco eficiente”.
Es en este marco legal en el que se desarrollarán los protocolos de investigación de reactores UASB para el tratamiento de aguas residuales domésticas en la ciudad de Puno.
26 3. Alcances
El presente informe corresponde a la Implementación de las unidades de tratamiento con la realización de las pruebas de ensayo realizadas su verificación mediante registro fotográfico en la ciudad de Puno. Los resultados se utilizarán para la determinación de los criterios de diseño de las unidades de tratamiento de aguas residuales domésticas que utilicen la tecnología de reactores anaerobios de manto de lodos y flujo ascendente.
27
4. Resumen del protocolo aplicado y ajuste en el diseño de los reactores a escala de laboratorio
4.1 Criterios para la ubicación
En la ciudad de Puno, se instalaron 2 baterías de reactores denominados:
Batería 1 L: Reactor UASB sin digestor de lodos.
Batería 2 L: Reactor UASB con digestor de lodos y sistema de calentamiento.
El lugar donde se ubicó el laboratorio de investigación es un ambiente dentro de las instalaciones de la Planta de Tratamiento de Agua de Aziruni, el cual será proporcionado y acondicionado por EMSAPUNO, siendo recomendable esta ubicación por su cercanía al laboratorio de análisis de aguas de la planta de Aziruni.
El ambiente donde se albergaron los reactores y los demás componentes del sistema de investigación, reúne las siguientes características:
Es cerrado y techado con un área disponible mayor de 40 m2.
Cuenta con instalaciones sanitarias de agua y desagüe, e instalaciones eléctricas (iluminación y tomacorrientes).
EMSAPUNO se encargará de tomar las medidas de protección y vigilancia para la preservación y conservación de los equipos, reactores y otros componentes del sistema de investigación.
28
4.2 Dimensionamiento del reactor UASB y el digestor de lodos En la ciudad de Puno, se deberá instalaron 2 baterías
de reactores denominados:
Batería 1 L: Reactor UASB sin digestor de lodos.
Batería 2 L: Reactor UASB con digestor de lodos y sistema de calentamiento.
Los detalles de los reactores en cada una de las baterías se presentan en el Anexo A Planos
correspondiente al los reactores de las baterías 1L y 2L.
El reactor UASB a escala de laboratorio tiene forma cilíndrica, la fabricación de estos elementos es a base de láminas acrílicas transparentes, con la finalidad de observar el proceso al interior del reactor, la fabricación con este material es por partes ó piezas, para luego ser empalmadas, en base a estas piezas detallamos sus características:
Zona de entrada: Por un niple ½” ingresa el agua re del cono de distribución de 0.08m y diámetro de la base 0.15m, donde se coloca en una bolsa de seda con unas 12
canicas para que distribuyan en caudal en forma uniforme.
Zona de digestión: Tiene un diámetro de 0.15m y una altura útil de
1.2m, tiene 6 salidas con niples de ½”, se utilizaran para recirculación de lodo del digestor, las restantes para
estudios de monitoreo de lodo.
Zona de separador de fases: Tiene dos elementos básicos el cono de separador de fases
29
(pieza de obtención comercial) y el deflector, el cono de diámetro 0.15m y está sumergida 0.14m, el deflector presenta una reducción de diámetro de la zona de digestión, a un diámetro de 0.11m con una altura de 0.04m.
Zona de sedimentación: Tiene un diámetro de 0.20m, es una ampliación de diámetro después del deflector, con una altura útil de
0.15m hasta los vertederos de salida, se base del sedimentador para limpieza.
Zona de recolección de agua residual: consiste en vertederos triangulares. La recolección de agua residual es en todo el perímetro de la sección circular, para ser recolectado en una corona circular que
rodea al perímetro con un diámetro de 0.27m, con un ancho útil de 0.035m y altura útil de 0.13m en cuya parte superior se pondrá una tapa
hermética. Se está colocando 1 niple de tratado y otro para la limpieza de la corona de recolección.
El digestor a escala de laboratorio, tiene forma cilíndrica, la fabricación es a base de una lámina acrílica transparente. A continuación se detallan sus características:
Zona de digestor: Tiene un diámetro de 0.20m y altura útil de 1.0m en cuya base se ubica un soporte para el mezclador.
Zona de calentamiento: Tiene un diámetro 0.26m y altura útil de 1.0m, tiene la base de soporte común a la zona de digestor de diámetro 0.32m con una altura de 0.010m, esta zona en forma de anillo entre el
30
digestor y el cilindro perimétrico, permitirá contener agua para calentar el
digestor, para su operación tiene un ing salida. Para la operación de lodo a recircular con el UASB, se tienen 6
salidas de ½” espaciados en forma ascen
0.20m. También se está considerando 3 salidas para monitorear el lodo, espaciadas 0.40m cada uno.
4.3 Memoria de cálculo del reactor UASB y el digestor de lodos
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
31
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°
33
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.
35
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
36
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
37
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
38
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)
39
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.
6.1 Materiales requeridos
Los detalles gráficos se muestran en el Anexo A Planos correspondiente al los reactores de las baterías 1L y 2L. Las especificaciones de los materiales de ensayo en reactores a escala de laboratorio se muestran en el Anexo C Especificaciones de materiales de ensayo en reactores a escala de laboratorio Batería 1L y 2L.
a. Para la Batería 1 L: Reactor UASB sin digestor de lodos
Materiales para los reactores a escala de laboratorio
Para los experimentos en escala de laboratorio como mínimo se requerirán los siguientes materiales para la elaboración de los reactores:
Tabla 4 Materiales para los reactores a escala de laboratorio-Batería 1 L. Materiales Unidad Cantidad
Recipiente para el afluente Und. 2
Bombas peristálticas de 2 cabezales* Und. 1
Reactor UASB Und. 1
Medidores de gas Und. 2
Mezclador manual Und. 2
Electrobomba de 0.5 HP Und. 1
Nota
(*): Técnicamente es mas recomendable trabajar con una bomba de dos cabezales en remplazo de dos bombas de un solo cabezal, porque se reduce la dificultad de operación y mantenimiento, así como la variaciones de caudales y tiempo de calibración de los equipos de bombeo.
41
Materiales Para el Desarrollo de los ensayos
A continuación se listan los equipos requeridos para la realización de ensayos de laboratorio.
Tabla 5 Materiales para el desarrollo de los ensayos-Batería 1 L
Materiales Unidad Cantidad
Vasos de precipitado de 250 ml Und. 10
Vasos de precipitado de 50 ml Und. 20
Probetas de 100 ml. Und. 10
Probetas de 1000 ml. Und. 4
Pipetas graduadas de 10 ml. Und. 10
Pipetas graduadas de 1 ml. Und. 10
Mangueras de látex m. 30
Pera de aspiración para pipeta Und. 5
Picetas Und. 5 Baguetas Und. 10
Capilares. Und. 10
Mandiles de algodón Und. 5
Guantes de látex x 100 unid. Caja 8
Mascarillas x 50 unid. Marca 3M Caja 10
Canastillas de succión 1/4" Und. 5
Embudos de cristal. Und. 10
Jarras de muestreo Und. 6
Tapones de jebe con orificio Und. 6
Papel toalla (paquete x 3) Und. 5
Lejía por Galón Und. 5
Válvulas para gas. Und. 10
Soporte metálico de reactores Und. 2
Ganchos de sujeción de mangueras Und. 20
Moldimix Und. 5
Baldes de 20 L Und. 5
Papel de filtro Watman Caja 5
42
4 Con filtro para gases orgánicos, de preferencia código 6057 o mejor.
Análisis de laboratorio
A continuación se listan los análisis fisicoquímicos y bacteriológicos requeridos:
Tabla 6 Análisis fisicoquímicos y bacteriológicos-Batería 1 L
Parámetro Cantidad monitoreos meses Total
por reactor mensuales
DBO 2 4 3 24
DQO 2 4 3 24
DQOs 2 4 3 24
Coliformes Fecales 2 4 3 24
Coliformes Totales 2 4 3 24
Ph 2 4 3 24
Sólidos Totales 2 4 3 24
Sólidos Volátiles Totales 2 4 3 24
Huevos de Helmintos 2 4 3 24
Escherichia coli 2 4 3 24
Sólidos sedimentables* 1 30 3 90
Turbiedad* 2 30 3 180
Temperatura 1 30 3 90
Nota:
(*): Se han incluido los parámetros turbiedad y sólidos sedimentables (no incluidos en los términos de referencia) por ser unos parámetros significativos (permite conocer de manera rápida y económica un valor aproximado de la carga orgánica en cualquier instante durante la investigación) para el control operativo del reactor UASB
b. Para la Batería 2 L: Reactor UASB con digestor de lodos y sistema de calentamiento
43
Para los experimentos en escala de laboratorio como mínimo se requerirán los siguientes materiales para la elaboración de los reactores..
Tabla 7 Materiales para los reactores a escala de laboratorio-Batería 2 L
Materiales Unidad Cantidad
Recipiente para el afluente Und. 2
Bombas peristálticas de 2 cabezales5 Und. 2
Reactor UASB Und. 1
Digestor Und. 1
Medidores de gas Und. 2
Recipiente para recolección de muestras Und. 2
Mezclador manual Und. 2
Electrobomba de 0.5 HP Und. 1
Sistema de calentamiento:
El sistema baño María que se utilizará para el calentamiento del digestor de lodos estará constituido por un recipiente de plástico de 100 L, el cual será alimentando con agua a una temperatura de 70ºC aproximadamente, mediante un calentador y un esquema de la instalación del sistema de calentamiento se presenta en el Anexo A.
El agua de calentamiento será recirculada desde el recipiente de baño María hacia la terma mediante una electrobomba de 0.5 HP, cuando su temperatura sea inferior a 25ºC. El control de temperatura en el contenedor de baño María se realizara manualmente mediante un termómetro de laboratorio, en el rango entre 25ºC y 35ºC.
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5 Técnicamente, lo más recomendable es trabajar con una bomba de 2 cabezales, a fin de permitir
incrementar la velocidad de ascenso en el reactor UASB de las Baterías 1 y 2, razón por la cual se decide remplazar las dos bombas con un solo cabezal especificada en los términos de referencia del estudio por una de doble cabezal.
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Tabla 8 Requerimientos para el sistema de calentamiento-Batería 2 L
Materiales Unidad Cantidad
Recipiente de baño María de 80 L Und. 1
Electrobomba de recirculación de 0.5 HP Und. 1
Terma solar de 100-150 L Und. 2
Termómetro de laboratorio de 0 a100ºC Und. 2
Mezclador manual Und. 1
Materiales Para el Desarrollo de los ensayos
A continuación se listan los materiales requeridos para la realización de ensayos de laboratorio.
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Tabla 9 Materiales para el desarrollo de los ensayos-Batería 2 L Materiales Unidad Cantidad
Vasos de precipitado de 250 ml Und. 10
Vasos de precipitado de 50 ml Und. 20
Probetas de 100 ml. Und. 10
Probetas de 1000 ml. Und. 4
Pipetas graduadas de 10 ml. Und. 10
Pipetas graduadas de 1 ml. Und. 10
Mangueras de látex m. 30
Pera de aspiración para pipeta Und. 5
Picetas Und. 5
Baguetas Und. 10
Capilares. Und. 10
Mandiles de algodón Und. 5
Guantes de látex x 100 unid. Caja 8
Mascarillas x 50 unid. Marca 3M Caja 10
Canastillas de succión 1/4" Und. 5
Embudos de cristal. Und. 10
Jarras de muestreo Und. 6
Tapones de jebe con orificio Und. 6
Papel toalla x paquete 3 Und. 5
Lejía por Galón Und. 5
Válvulas para gas. Und. 10
Soporte metálico de reactores Und. 2
Ganchos de sujeción de mangueras Und. 20
Moldimix Und. 5
Baldes de 20 l Und. 5
Papel de filtro Watman Caja 5
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6 Con filtro para gases orgánicos, de preferencia código 6057 o mejor.
Equipos de campo para el Desarrollo de los ensayos
A continuación se listan los equipos requeridos para la realización de ensayos de laboratorio.
Tabla 10 Equipos de campo para el desarrollo de los ensayos-Batería 1 L Materiales Unidad Cantidad
Balanza Mettler XP404S Und. 1
Higrómetro Termómetro Und. 1
Termómetro Fisher Brand 0-50ºC Und. 1
Ph-metro ORION 290 A o similar Und. 1
Turbidímetro Portable con kit de
Und. 1
medición
Medidor de oxígeno disuelto portátil.
Und. 1
Análisis de laboratorio
A continuación se listan los análisis fisicoquímicos y bacteriológicos requeridos:
Tabla 11 Análisis fisicoquímicos y bacteriológicos-Batería 2 L
Parámetro Cantidad monitoreos Meses Total
por reactor mensuales
DBO 2 4 3 24
DQO 2 4 3 24
DQOs 2 4 3 24
Coliformes Fecales 2 4 3 24
Coliformes Totales 2 4 3 24
pH 2 4 3 24
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Sólidos Totales 3 4 3 36
Sólidos Volátiles Totales 3 4 3 36
Huevos de Helmintos 2 4 3 24
Escherichia coli 2 4 3 24
Sólidos sedimentables 1 30 3 90
Turbiedad 2 30 3 180
Temperatura 1 30 3 90
En la Tabla anterior se han incluido los parámetros turbiedad y sólidos sedimentables (no incluidos en los términos de referencia) por ser unos parámetros significativos (permite conocer de manera rápida y económica un valor aproximado de la carga orgánica en cualquier instante durante la investigación) para el control operativo del reactor UASB.
c. Muestreo de las aguas residuales
Las aguas residuales que se utilizaran durante la investigación serán recolectadas de la planta de tratamiento de aguas residuales El Espinar. El punto de recolección de muestras se ha ubicado en un buzón aguas abajo de la zona de pre-tratamiento de dicha planta.
La frecuencia de recolección de las aguas residuales será diaria, la hora de muestreo ha sido fijada entre las 7:00 y 8:00 horas.
EMSAPUNO proporcionará un vehículo para el transporte diario de la muestra, desde la PTAR el “Espinar” has
Asimismo, se encargará de realizar el mantenimiento de las unidades de pre-tratamiento, previo al inicio de las
49
investigaciones, con el objeto de obtener una muestra representativa que contribuirá en obtener mejores resultados.
d. Recursos Humanos
En cada Batería se requerirá como mínimo contar con los siguientes colaboradores:
01 Director del Proyecto, que deberá poseer las siguientes características:
Ser Ingeniero Sanitario con registro de Colegiatura en el Colegio de Ingenieros no menor de 12 años de antigüedad.
De preferencia venir desarrollando estudios de doctorado en tratamiento de aguas residuales.
Haber desarrollado una maestría en el tratamiento de aguas residuales.
Ser docente en tratamiento de aguas residuales durante 2 años como mínimo.
Haber desarrollado con anterioridad como mínimo 02 trabajos de investigación o protocolos de investigación relacionados a la tecnología propuesta en este estudio.
Haber operado una planta de tratamiento por lo menos durante 2 años.
Haber desarrollado por lo menos 4 proyectos de tratamiento de aguas residuales.
Haber organizado por lo menos 2 cursos de capacitación de aguas residuales en los últimos 5 años.
Haber laborado por lo menos 4 años en temas relacionados a la especialidad.
Tener conocimiento del idioma inglés.
01 Profesional de Ingeniería Sanitaria ó Ambiental para la operación y mantenimiento del sistema que deberá poseer las siguientes características:
50
Ser Ingeniero Sanitario con registro de Colegiatura en el Colegio de Ingenieros no menor de 10 años de antigüedad.
Haber desarrollado estudios de Maestría en Tratamiento de Aguas y Reuso de Desechos.
Experiencia en docencia o investigación en tratamiento de aguas residuales domésticas, con 02 años de experiencia.
Haber desarrollado con anterioridad como mínimo 01 trabajo de investigación o protocolos de investigación relacionados a la tecnología propuesta en este estudio.
Experiencia profesional mínimo de cinco años en temas relacionados con Sistemas de abastecimiento y/o tratamiento de agua y de control de la contaminación de las aguas residuales.
Haber trabajado en proyectos de diseño de plantas de tratamiento de agua y/o de aguas residuales, con un mínimo de 03 proyectos o estudios.
Haber participado en por lo menos en tres cursos de Capacitación relacionado a “Tratamiento de Aguas Resi aguas residuales”.
Conocimiento de Ingles intermedio.
02 Practicantes de Ingeniería Sanitaria ó Ambiental con experiencia en:
Tener experiencia en el muestreo de aguas.
Haber desarrollado por lo menos una práctica relacionada al tema de tratamiento de aguas residuales.
Ser responsables, con disposición de trabajo en equipo.
Tabla 12 Recursos humanos requeridos para operar cada las Baterías 1L y 2L
Ítem
Unidad Cantidad de meses
51
Director proyecto 1 6
Operador del sistema 1 6
52 6.2 Metodología de análisis
Criterios generales
Se considerará un caudal continuo y variable de 0.042 a 0.115 m3/día con un tiempo de retención que varia de 4.2 a 15.4 horas en la zona de digestión, regulado con un control de caudal peristáltico (indicado como B1 en la Figura 9). Este valor ha sido ajustado al considerado inicialmente en el diseño 7 , debido a que se ha mejorado las estructuras de salida a condiciones más reales y con vertederos a la salida (Uemura & Harada, 1999).
La altura útil de la zona de digestión es de 1.2m. El volumen útil de los reactores a escala de laboratorio será aproximadamente de 0.021m3 en la zona de digestión y deberán ser de acrílico o material transparente que facilite la observación del proceso de tratamiento8. Se deberá considerar una recirculación interna dentro del reactor a fin de garantizar la velocidad de ascenso interna de 0.5 a 1 m/hora. (Van Haandel & Lettinga, 1994) Se considera asimismo la construcción de un digestor cuyo volumen no deberá ser mayor al volumen del reactor UASB.
En el Anexo A se puede apreciar las dimensiones aproximadas del reactor UASB para las Baterías 1L y 2L.
En los sistemas propuestos se recomienda contar con una canastilla que evite las obstrucciones de sólidos pequeños en las mangueras de succión.
En todos los casos se prefiere trabajar con la misma bomba de velocidad variable ya que permitirá efectuar la corrección experimental en campo.
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En los términos de referencia del proyecto se consideró 22.92-83.33 ml/min equivalente a 0.032-0.117 m3/día
8Al respecto, se ha encontrado en el mercado una bomba con un caudal programable que varía de 0.06
ml/min a 2900 ml/min. Es importante estar seguros que se trabajará con caudal preciso para dar una validez científica a la investigación. Por otra parte no es posible aumentar el tamaño del reactor pues según las
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consultas realizadas en el mercado no es posible construir este reactor más grande en acrílico.
Detalles de monitoreos
Durante el estudio se recomienda hacer pruebas por 2 semanas como mínimo variando el tiempo de retención a razón de 2 horas (de esta manera se probarán tiempos de retención de 4.2, 6.2, 8.2, 10.2, 12.2 y 14.2 horas).
El periodo de 2 semanas se ha seleccionado a fin de permitir una estabilización y los tiempos de retención han sido seleccionados considerando valores tentativos de otros investigaciones previas en otros países (Mahmoud, 2002).
Cabe precisar que la regulación de tiempos debe probarse en campo una vez programado el caudal teórico correspondiente, debido a que el lodo también produce una pérdida de carga, la misma que deberá ser determinada en campo.
La velocidad de ascenso calculada es de 0.08 y 0.3 m/h en la zona de digestión, considerando como antecedentes los estudios de capacidad de filtración de lodos anaerobios (Mahmoud et al., 2005). Estas velocidades de ascenso van a ser incrementadas de acuerdo al caudal de ingreso del lodo proveniente del digestor. No obstante, cabe precisar que estas velocidades serán incrementadas conforme se vayan obteniendo los resultados del estudio. Estas velocidades serán graduadas con el cabezal a la bomba de recirculación9.
Tabla 13 Tabla resumen de principales características de diseño del reactor UASB Descripción Simbología Valor
Rango de caudales m3/día 0.042 - 0.115
Rango de variación del tiempo de
h 4.2 - 15.4
retención
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Altura útil de la zona de digestión m 1.20
Volumen útil m3 0.021
Velocidad de ascenso sin recirculación m/h 0.08 - 0.3
