FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS Y ADMINISTRACIÓN
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
Puesta en Marcha y Operación de una
Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de
Laboratorio para el Tratamiento de RILes
de la Industria Cervecera
PROFESORES: Dra. María Cristina Diez
Dr.-Ing. Cristian Bornhardt
INTEGRANTE: Gerhard
Schleenstein
Agradecimientos
caminando, caminando / voy buscando libertad
ojalá encuentre camino / para seguir caminado
ojalá encuentre camino / para seguir caminado
(Víctor Jara)
Agradecimientos al Prof. Dr.-Ing. Martin Jekel de la Universidad Técnica de Berlín, quien hizo posible la estancia en Chile por otorgar la beca del Programa ALFA de la Unión Europea; al Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de La Frontera de Temuco (UFRO), Dra. María Cristina Diez y Dr.-Ing. Cristian Bornhardt, por guiar el trabajo; al Jefe de Suministros y Medio Ambiente de la Compañía Cervecerías Unidas (C.C.U.) S.A. Planta Temuco, Mauricio Pérez y sus colaboradores; a Jorge Cabrera, Jorge Ross y a las analistas del Laboratorio de RILes UFRO, por su ayuda en la concreción del presente trabajo; y a las compañeras y compañeros de la carrera de Ingeniería Ambiental, quienes me han acompañado y apoyado en el camino y en la búsqueda de una salida cuando la realización del proyecto estuvo extraviada.
Abstract
A first set up of an coupled anaerobic-aerobic treatment plant for liquid residues on laboratory scale was carried out. Functionality and operation of the plant were evaluated and verified by employing liquid industrial residues of a brewery industry, through controlling operation parameters such as volumetric and sludge loads, nutrients, pH, temperature, aeration-agitation, sludge return and discharge. High dissolved organic loads, a good biodegradability and susceptibility to failure of nutritional balance characterize these residues. In the case of the local brewery plant, the following average parameters were reported: CODtotal = 2750 mg/L,
BOD5/COD ratio of 0,63 and TSS = 375 mg/L. All measurements were based on standard
methods.
The coupled anaerobic-aerobic treatment plant consists in an UASB anaerobic reactor, a traditional activated sludge system, and measurement instruments for temperature, pH and dissolved oxygen, that permit their automatic adjustment. Obtained data is transferred by an controller (RTU) to a personal computer for its afterward use. After inoculation and set up, the plant was operated during six weeks, while reducing hydraulic retention time of the aerobic phase from 24 to 4,2 h. The heating system of the UASB showed weaknesses, which in combination with low pH of the crude feed led to removal efficiencies for the organic load of only 15 to 70%. Subsequently, operating parameters like volumetric and sludge load of the activated sludge were subject to heavy changes, leaving its optimal operation ranges. Light flocs and drastic bulking problems were observed, with a SVI reaching 1000 mL/g and decrease of MLVSS below 1000 mg/L, which limited plant operation and made a new inoculation necessary. Despite of this, removal efficiencies for the organic load of up to 92% in the aerobic phase were reached, resulting in a total efficiency of about 97% for the entire plant, apparently independent of the employed loads.
Changes of the electric and electronic configuration of the plant were carried out, but besides necessary pH sensors, it is necessary to invest in the heating system of the anaerobic reactor and acquisition of additional peristaltic pumps, that are able to work autonomously through extended periods. There was no way to connect the control unit RTU, wherefore it was returned to the manufacturer, what made nearly impossible its deep analysis. RTU’s internal programming design is proposed such way, that it can store measured data throughout extended periods and guarantee autonomous operation of the plant, lacking presence of PC and
Resumen
Se realizó la puesta en marcha de una planta combinada anaerobia-aerobia a escala de laboratorio para el tratamiento de residuos líquidos. Se evaluó y verificó el funcionamiento y comportamiento de la planta usando un RIL tipo de la industria cervecera, controlando los parámetros de operación: carga volumétrica, carga másica, nutrientes, pH, temperatura, aireación-agitación, reciclo y descarte de lodos. Estos RILes se caracterizan por un alto contenido de materia orgánica disuelta, una buena biodegradabilidad y una predisposición al desequilibrio nutricional. En el caso de la planta cervecera local, Chile, se reportan valores promedio de DQOtotal = 2750 mg/L, una razón de DBO5/DQO de 0,63 y SST = 375 mg/L. Las
mediciones se realizaron según metodologías normalizadas.
La planta secuencial anaerobia-aerobia consta de un reactor anaerobio tipo UASB y un sistema de lodos activados tradicional; cuenta con medidores de T°, pH, OD y dispositivos para su ajuste automático. Los datos obtenidos por los medidores son transferidos a través de un controlador (RTU) para su posterior utilización a un PC. Luego de inocular y poner la planta en marcha se operó durante seis semanas, disminuyendo el TRH de la fase aerobia de 24 a 4,2 h. La planta mostró fallas en el sistema de calentamiento del UASB que, junto con bajos pH en la alimentación cruda, llevaron a rendimientos de remoción de la carga orgánica de entre un 15 y 70% solamente. Subsecuentemente, los parámetros de operación del sistema de lodos activados - carga volumétrica y carga másica - cambiaron fuertemente, abandonando sus rangos óptimos de operación. Se observó flóculos livianos y un problema de Bulking gravísimo, con IVLs de hasta 1000 mL/g y una disminución de los MLVSS bajo los 1000 mg/L, que agravaron la operación de la planta e hicieron necesaria una nueva inoculación. Se logró eficiencias de remoción de la carga orgánica de hasta 92% para la fase aerobia, dando como resultado un 97% de rendimiento total, aparentemente independientes de las cargas aplicadas. Se realizaron cambios en la configuración eléctrica y electrónica de la planta, pero es necesario efectuar inversiones para lograr su máxima funcionalidad en los campos del sistema de calentamiento del reactor anaerobio, adquisición de bombas peristálticas adicionales adecuadas para un funcionamiento autónomo durante periodos de tiempo prolongados, y los sensores necesarios de pH. No se logró conectar la unidad de control RTU, por lo cual fue devuelta al fabricante, situación que hizo casi imposible un análisis profundo. Se propuso un diseño de programa interno de la RTU de tal modo que pueda almacenar los datos de medición durante periodos prolongados, para garantizar la operación autónoma de la planta sin presencia del PC y del programa controlador y visualizador RTU-Terminal.
Índice
1 Introducción y Objetivos ... 1 1.1 Introducción ... 1 1.2 Objetivos ... 2 1.2.1 Objetivos Generales ... 2 1.2.2 Objetivos Específicos ... 2 2 Antecedentes ... 32.1 El Proceso de Lodos Activados ... 3
2.1.1 Factores que influyen en el Proceso... 4
2.1.2 Parámetros de Control ... 5
2.2 El Problema del Bulking... 6
2.2.1 Factores que influyen en el fenómeno ... 7
2.2.2 Posibles Soluciones ... 10
2.3 Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales ... 11
2.3.1 Metabolismo Anaerobio ... 11
2.3.2 Factores que influyen en el Metabolismo Anaerobio... 13
2.3.3 Reactor UASB ... 14
2.4 Industria Cervecera y Tratamiento de RILes... 18
2.4.1 Elaboración de Cerveza ... 18
2.4.2 Elaboración de Gaseosas... 19
2.4.3 Generación y Composición de RILes... 19
2.4.4 Características del RIL afluente al Tratamiento Secundario de la Planta Cervecera local ... 22
2.4.5 Técnicas del Tratamiento de RILes ... 25
2.4.6 Planta de Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera local... 26
3 Materiales y Métodos ... 30 3.1 Descripción de la Planta ... 30 3.1.1 Fase Anaerobia ... 31 3.1.2 Fase Aerobia ... 32 3.1.3 Temporizadores ... 35 3.1.4 Bombas Peristálticas ... 35 3.2 Unidad de Control... 36 3.2.1 RTU... 36
3.3 Métodos Analíticos y Programa de Muestreo... 37
3.4 Operación de la Planta ... 40
3.4.1 Parámetros de Operación... 40
3.4.2 Suministro de Nutrientes Adicionales ... 41
4 Resultados y Discusión ... 43
4.1 Funcionamiento de la Planta ... 43
4.1.1 Fase Anaerobia ... 43
4.1.2 Fase Aerobia ... 47
4.2 Análisis de la Unidad de Control ... 51
4.2.1 RTU... 51
4.2.2 RTU-Terminal... 53
4.3 Operación de la Planta con un RIL de la Industria Cervecera... 54
4.3.1 Descripción del Período de Operación ... 54
4.3.2 Caracterización de RILes Usados en la Planta... 55
4.3.3 Parámetros de Control ... 57
5 Conclusiones y Recomendaciones ... 65
6 Nomenclatura... 67
7 Bibliografía ... 69 Anexo A Análisis físico-químico ... I Anexo B Análisis Demanda Química de Oxígeno (DQO) ... II Anexo C Análisis Sólidos Suspendidos (SS) ... III Anexo D Parámetros de Operación...IV Anexo E Programación de los Temporizadores ...V Anexo F Diseño de la Placa Decantadora...VI Anexo G Programación de los Medidores MONEC ...VII Anexo H Descripción Breve del RTU-Terminal y las Configuraciones Apropiadas ...VIII
Índice de Figuras
Figura 1: Probabilidad individual y sumatoria de pH del RIL afluente al tratamiento secundario
de la planta cervecera ... 22
Figura 2: Probabilidad individual y sumatoria de SST del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera ... 23
Figura 3: Probabilidad individual y sumatoria de la DQO del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera... 24
Figura 4: Planta acoplada anaerobia-aerobia utilizada en el proyecto... 30
Figura 5: Planta con caudales y concentraciones relevantes ... 37
Figura 6: Modificación de la placa decantadora ... 44
Figura 7: Tiempo de servicio para distintos modos de trabajo de las bombas peristálticas ... 45
Figura 8: Influencia del número de revoluciones del impulsor sobre la concentración del oxígeno disuelto durante fallas de difusores ... 48
Figura 9: Memoria requerida de la RTU para guardar los datos de muestreo durante los días de funcionamiento autónomo a distintas frecuencias de medición ... 53
Figura 10: DQOtotal durante el período de operación ... 59
Figura 11: SSTAE, SSVAE y IVL durante el período de operación... 61
Figura 12: SST y SSV en los Caudales de la Alimentación Cruda, Entrada AE y Salida Clarificador... 62
Índice de Tablas
Tabla 1: IVL y microorganismos predominantes observados para distintas aguas residuales
(Wagner, 1982) ... 9
Tabla 2: Carga volumétrica aplicable y flujo ascendente máximo para reactores UASB ... 17
Tabla 3: Características de RILes de la industria cervecera (Rosenwinkel et al., 1996) ... 20
Tabla 4: Parámetros de diseño del RIL de la planta cervecera local (Kristal, s/a)... 21
Tabla 5: Concentración de nutrientes y relaciones DQO:N:P del RIL afluente al tratamiento biológico de la planta cervecera local ... 25
Tabla 6: Valores referenciales de diseño de reactores UASB empleados en el tratamiento de RILes en la industria cervecera (Böhnke et al., 1993)... 25
Tabla 7: Características de las bombas peristálticas... 35
Tabla 8: Puntos y técnicas de muestreo... 38
Tabla 9: Programa de muestreo... 38
Tabla 10: Niveles de Bulking, IVL y cantidad visible de filamentos (Wagner, 1982) ... 40
Tabla 11: Relaciones geométricas para un fermentador estándar (según Vidal, 2000) y del tanque de aireación de la planta... 49
Tabla 12: Caracterización de los RILes utilizados y los TRH empleados ... 56
Tabla 13: Análisis de la razón DQO:N:P de los RILes empleados durante el proyecto ... 56
Tabla 14: Relaciones DBO5:DQO para distintas fases del tratamiento... 60
1 Introducción y Objetivos
1.1 Introducción
En Chile, la creciente conciencia frente a perjuicios al medio ambiente producidos por la actividad del ser humano culminó en marzo de 1994, en la promulgación de la Ley N° 19.300 de Bases del Medio Ambiente, marco jurídico que establece mediante normas y reglamentos, derechos y obligaciones que toda actividad industrial debe tomar en consideración, con la finalidad de proteger y preservar el medio ambiente. La Norma Chilena NCh 2280/1.c96 define además las características físico-químicas que deben cumplir descargas de residuos industriales líquidos a sistemas públicos de recolección de aguas. El Decreto Supremo Nº 609 regula los efluentes de las industrias a la red de alcantarillado y las plantas de tratamiento de aguas servidas. Establece, además, los límites para 25 contaminantes.
En este marco, el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de La Frontera Temuco (UFRO) ha llevado a cabo numerosos estudios en cooperación con distintas industrias durante la última década. Su objetivo general y finalidad es el establecimiento de medidas internas de manejo y minimización de efluentes como la reducción de sustancias contaminantes de los Residuos Industriales Líquidos (RILes) generados y liberados a recipientes líquidos y al medio ambiente, además de estudiar alternativas de tratamiento.
En la actualidad el Laboratorio de RILes UFRO cuenta con una planta de tratamiento biológico acoplado que consiste en un reactor anaerobio tipo Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), junto a un sistema de lodos activados a escala de laboratorio, que puede ser utilizado para el estudio del tratamiento de RILes de distintas industrias y para fines de docencia.
Este informe tiene como finalidad documentar los resultados y experiencias de una primera puesta en marcha de dicha planta y proponer posibles mejoramientos al sistema a través de la operación de la planta con RILes de una industria cervecera.
El presente trabajo se realizó en la UFRO durante un intercambio estudiantil del proyecto B4 "Science and Engineering for Environmental Protection" del programa ALFA de la Unión Europea.
1.2 Objetivos
Los objetivos del presente trabajo, se desglosan en objetivos generales y objetivos específicos, detallados a continuación.
1.2.1 Objetivos
Generales
• Poner en marcha la planta a escala de laboratorio de tratamiento de efluentes líquidos, verificando el funcionamiento de todos sus dispositivos
• Evaluar el funcionamiento de la planta con un RIL tipo, controlando los parámetros de operación: carga volumétrica (CV), carga másica/factor de carga (F/M), nutrientes, pH, temperatura (T°), aireación-agitación, retorno y descarte de lodos.
1.2.2 Objetivos
Específicos
• Verificar el funcionamiento correcto tanto de los medidores de oxígeno disuelto (OD) y de pH, como de sus ajustes automáticos en el tanque de aireación a través de un compresor de aire y la adición de ácido respectivamente
• Conectar los medidores a la unidad de control RTU y establecer la comunicación con el programa de control RTU-Terminal
• Evaluar las capacidades de presentación de datos de medición del RTU-Terminal
• Documentar la programación correcta de los parámetros más importantes de los medidores, de la RTU y del RTU-Terminal
• Llevar a cabo los cambios necesarios en la configuración de la planta, añadir los dispositivos requeridos y hacer propuestas para futuras configuraciones
• Poner en marcha la planta con un RIL de la industria cervecera
• Llevar a cabo un seguimiento completo de los reactores, determinando todos los parámetros necesarios para establecer las balances de masa: Sólidos suspendidos (SS), demanda química de oxígeno (DQO), demanda bioquímica de oxígeno durante cinco días (DBO5) y
nutrientes (nitrógeno, fósforo)
• Determinar la eficiencia de remoción de contaminantes alcanzada
• Documentar los parámetros de control: Tiempo de residencia hidráulica (TRH), carga volumétrica, carga másica/factor de carga, Índice volumétrico de lodos (IVL).
2 Antecedentes
2.1 El Proceso de Lodos Activados
Entre los procesos secundarios o biológicos de tratamiento de aguas residuales urbanas e industriales, el proceso de lodos activados ha sido utilizado a partir de 1913, desarrollándose a partir de lagunas aireadas de estabilización (Wiesmann, s/a). El proceso de lodos activados es el más empleado para el tratamiento de residuos líquidos que presentan contaminación orgánica (Wagner, 1982). El proceso de lodos activados consiste en una población microbiana densa mezclada en suspensión con el agua residual bajo condiciones aerobias, donde tasas extremamente altas de crecimiento y respiración microbiana se llevan a cabo purificando el agua a través de la metabolización de la materia orgánica presente a productos finales inorgánicos oxidados como CO2 o NO3- y la biosíntesis de nuevos microorganismos. A
diferencia de los antiguos procesos extensivos, se le llama intensivo por su característica de alcanzar elevadas concentraciones de lodos biológicos dentro de un tanque aireado, a través del empleo de una decantación secundaria junto al retorno de los lodos separados al tanque aireado. (Gray, 1990)
El proceso de lodos activados consiste en dos fases: la aireación y la decantación secundaria de los lodos. En la primera fase, el agua residual es introducida al tanque de aireación, el cual contiene la población microbiana; el aire es suministrado a través de aireadores que cumplen la doble función de mantener un nivel mínimo de oxígeno para la respiración microbiana en el medio y de mantener los flóculos microbianos en un estado continuo de suspensión agitada, asegurando de esa manera el contacto máximo entre la superficie de los flóculos y el agua residual. La mezcla continua no solo es importante para asegurar una adecuada alimentación, sino también para mejorar la transferencia de masa a través de un alto gradiente de concentración de oxígeno y para apoyar la difusión de productos metabólicos desde el centro de los flóculos. Cuando el agua residual entra al tanque de aireación, desplaza el licor mezclado hacia el clarificador. En esta segunda fase, la biomasa floculenta decanta rápidamente de la suspensión, formando lodos espesados y dejando el efluente completamente libre de sólidos, el cual es descargado subsecuentemente como efluente final. La mayor parte de los lodos espesados es retornada al tanque de aireación, donde actúa como inóculo de microorganismos, asegurando una concentración suficiente y adecuada para la oxidación del agua residual
durante su retención dentro del tanque de aireación. Los lodos en exceso son purgados del clarificador y enviados a su posterior tratamiento. (Gray, 1990)
2.1.1 Factores que influyen en el Proceso
Existe una variedad de factores que influyen en el metabolismo aerobio, siendo los más importantes en la práctica: la temperatura, el pH, la concentración de oxígeno disuelto y la composición de sustrato.
• Temperatura
La cinética de un proceso biológico, según la ley de Arrhenius, depende de la temperatura en que éste se desarrolla. Además incide sobre la velocidad de transferencia de gases, la concentración máxima de equilibrio de oxígeno disuelto y las características de sedimentación de los flóculos, debido a la influencia sobre la viscosidad del agua. (Metcalf & Eddy, 1995; Ronzano et al., 1995)
• pH
El pH óptimo del licor para un adecuado funcionamiento está comprendido entre 6,5 y 8,5. El RIL que entra al sistema de lodos activados es diluido con los contenidos del tanque de aireación y neutralizado por el CO2 producido por la respiración microbiana. El bicarbonato
resultante presenta buena capacidad de buffer alrededor de pH 8,0 y en el caso de su mantenimiento este pH no variará aun bajo suministro de efluentes ácidos o básicos. (Eckenfelder, 1989)
• Concentración de oxígeno disuelto
Dentro de las propiedades de transferencia de masa, el oxígeno es fundamental y generalmente la etapa controlante de la velocidad del proceso. Desde del punto de vista ingenieril determinar la capacidad de aireación de un equipo es fundamental para su funcionamiento y para la optimización de costos, siendo imprescindible la determinación de factores asociados a la aireación. (Ramalho, 1993)
Generalmente se intenta garantizar una concentración límite de oxígeno de 2 mg/L, la cual puede ser mayor, dependiendo de la carga másica aplicada (Ronzano et al., 1995).
• Composición de sustrato y equilibrio nutricional
La actividad biológica de los lodos y sus propiedades con respecto a la decantación son afectadas por la composición del agua residual. En sistemas convencionales de lodos activados se requiere una tasa de DBO5:N:P de 100:5:1 para mantener el balance de
considera un agua desequilibrada cuando esta tasa no es alcanzada (ATV, 1975; ATV, 1985; Matsché et al., 1998; Ronzano et al., 1995; Wagner, 1982).
2.1.2 Parámetros de Control
Los parámetros de control son la edad de lodos y la carga de alimentación aplicada, los que deben mantenerse dentro de ciertos rangos establecidos para un tipo de agua residual en particular. Este control se logra regulando adecuadamente el caudal de recirculación y el descarte o purga de lodos.
• Sólidos suspendidos
La concentración de sólidos suspendidos en el licor de mezcla (ingl. Mixed Liquor Suspended Solids, MLSS) es una manera primaria de evaluar la biomasa activa en el tanque de aireación. Como parte de los MLSS son inorgánicos, se expresa la biomasa a través de la fracción orgánica, o sea sólidos suspendidos volátiles del licor de mezcla (ingl. Mixed Liquor Volatile Suspended Solids, MLVSS). Concentraciones normales de MLSS varían entre 1500 a 3500 mg/L para unidades convencionales y hasta 8000 mg/L en unidades especiales (Gray, 1990). Para plantas de tratamiento de RILes de la industria cervecera se emplean concentraciones de MLSS entre 1500 a 4000 mg/L, y como valor promedio una concentración de 2500 mg/L (Rosenwinkel et al., 1996).
• Edad del lodo
La edad del lodo o el tiempo de residencia celular (TRC) afecta el carácter y las condiciones de los flóculos dentro del tanque de aireación y es un factor operacional de control de la actividad de los lodos, por su influencia recíproca a la velocidad de crecimiento específico celular. Unidades convencionales sin nitrificación trabajan a TRC de 3-4 días, el cual puede extenderse hasta 30 días en unidades de aireación prolongada. (Ronzano et al., 1995)
• Factores de carga
Es útil expresar cargas en términos de DQO o DBO5 aplicada por unidad de volumen del
tanque (CV) si hay aguas residuales de cargas variables. En tratamientos convencionales de lodos activados la CV está comprendida entre 0,4 hasta 1,5 kg DBO5/(m3*d) y en el
régimen de aireación prolongada de solamente 0,03 a 0,15 kg DBO5/(m3*d) (Gray, 1990;
Rosenwinkel et al., 1996). El factor de carga (F/M) de los lodos es muy útil para el control del proceso de lodos activados y es un parámetro manipulable. Se refiere a la relación entre la materia orgánica del afluente y la cantidad de microorganismos en el reactor para
óptimo de la relación F/M se encuentra dentro de los límites de 0,3 a 0,6 kg DBO5/(kg MLVSS*d) (Ramalho, 1995). Este se puede reducir hasta por debajo de
0,1 kg DBO5/(kg MLVSS*d) en la modalidad de aireación prolongada (Rosenwinkel et al.,
1996).
2.2 El Problema del Bulking
Para un buen funcionamiento del proceso son necesarias buenas propiedades de los lodos sobre todo el crecimiento floculento de los microorganismos. Los flóculos no solo tienen que ser eficientes en la adsorción y absorción subsecuente de la fracción orgánica del agua residual, sino tienen que ser separados rápidamente y efectivamente en el decantador secundario.
De tal modo, se suele definir distintos problemas de proceso relacionados con la calidad del lodo.
• Espumas o lodos flotantes están constituidos por burbujas pequeñas a las cuales son agregados microorganismos y sustancias tensoactivas. Condición previa para la formación de aquellas burbujas es la existencia de sustancias superficialmente activas y de estabilizadores que se concentren en la interfase agua/gas. Espumas blancas causadas por sustancias tensoactivas no son persistentes, en contraposición a las espumas negras formadas por microorganismos como Microthrix parvicella, Nostocoida sp., actinomicetos del género Nocardia, entre otros. (ATV-AG 1988; Lemmer et al., 1998)
• Pin-Point describe la situación de flóculos ligeros y pequeños, sin la presencia de organismos filamentosos, o de bajo número, que no perturban la decantación y el espesamiento, expresado por un bajo IVL. Sin embargo, el sobrenadante queda turbio. Este fenómeno de crecimiento disperso ocurre cuando la concentración de sustrato es muy baja o muy alta. (Ronzano et al., 1995)
• Bulking se llama a la presencia predominante de organismos filamentosos en flóculos resistentes y grandes que perturban la decantación y espesamiento, expresado por un alto IVL, mientras el sobrenadante queda claro (Ronzano et al., 1995). Otra forma menos observada, es el llamado Bulking extremadamente mucoso. Los flóculos voluminosos en este caso no son causados por microorganismos filamentosos, sino por bacterias de la familia
Zooglea y fácilmente evitables. (Li, 1993)
Puede considerarse que el Bulking empieza cuando comienzan los problemas de decantación, debido a una insuficiente velocidad de sedimentación de los flóculos. Generalmente, los lodos
activados se suponen en Bulking cuando el IVL supera los 150 mL/g (ATV-AG, 1988; Matsché et al., 1998). Ronzano et al. (1995) define como valor umbral un IVL de 200 mL/g. Otro indicador empleado es la relación MLVSS/MLSS. Los valores críticos son superiores a 0,75, mientras a valores inferiores a 0,6 no aparece el Bulking (Wagner, 1984).
Estudios estadísticos en Alemania han demostrado que más de la mitad de las plantas de purificación basadas en un sistema de lodos activados de una sola etapa, a veces presentan mal funcionamiento causado por el Bulking (Wagner, 1982). Ronzano et al. (1995) indican que el 40% de las plantas de depuración presentan Bulking durante períodos de tiempo muy variables, y a veces en continuo. En la industria agroalimentaria la situación es peor, y casi todas las plantas en alguna ocasión han sufrido Bulking.
2.2.1 Factores que influyen en el Fenómeno
Un sistema de lodos activados se puede caracterizar como ecosistema abierto, en el cual los distintos organismos compiten por alimento. En este ambiente, el suministro de sustrato junto a diferentes propiedades morfológicas, fisiológicas y cinéticas de crecimiento entre microorganismos filamentosos y microorganismos formadores de flóculos conducen a distintas velocidades específicas de crecimiento y determinan sus relaciones proporcionales en los lodos activados. Sin embargo, las causas del Bulking todavía carecen de esclarecimiento (Li, 1993).
Son dos las hipótesis sobre la formación del Bulking (según Li, 1993): • Relación superficie/volumen
Los filamentos sobresalientes en los flóculos tienen una relación superficie/volumen más elevada que un flóculo compacto y pueden así captar mejor el oxígeno o nutrientes disueltos, lo que lleva a una mayor velocidad de crecimiento específico. En cambio, las aguas residuales ricas en partículas suspendidas favorecen a los formadores de flóculos, ya que los microorganismos filamentosos no pueden utilizar aquellas como alimentos y no pueden aprovechar su gran superficie. Wagner (1982) añade que los formadores de flóculos poseen una mejor variedad de enzimas para romper estructuras complejas hacia moléculas pequeñas, capaces de ser absorbidas por las células.
• Efecto selectivo de sustancias nocivas
Las distintas sustancias nocivas perjudican de manera diferente los microorganismos filamentosos y los formadores de flóculos. Se ha demostrado por ejemplo, que la alta
cambio, el H2O2 presenta un efecto opuesto. Esta hipótesis se está aprovechando para
combatir el Bulking.
2.2.1.1 Condiciones del proceso
Se ha demostrado que la carga másica no es un buen indicador para la descripción del Bulking (ATV-AG, 1988). En una planta de lodos activados con cargas másicas de 0,3 a 0,5 kg DBO5/(kg MLVSS*d), el IVL puede variar entre 100 y 600 mL/g (Ronzano et al., 1995).
Para valores inferiores a 0,1 kg DBO5/(kg MLVSS*d) con RILes de la industria cervecera, se
puede contar con un proceso estable y poca formación de lodos voluminosos (Seyfried, 1969). Chudoba et al. (1973) muestran una significativa dependencia del tipo de flujo hidráulico, con mejores IVL para la mezcla integral bajo cargas altas. Wagner (1982) encuentra un IVL máximo con cargas volumétricas entre 0,4 y 0,7 kg DBO5/(m3*d).
Debido a que su superficie es relativamente mayor, los microorganismos filamentosos aprovechan mejor el oxígeno que los formadores de flóculos cuando su concentración es baja (Ronzano et al., 1995). El Bulking se presenta muchas veces por deficiencias de oxígeno, por ejemplo, como resultado de sobrecarga prolongada (Jenkins et al., 1993). Generalmente se intenta garantizar una concentración límite de oxígeno de 2 mg/L, la cual puede ser mayor, dependiendo de la carga másica aplicada (Ronzano et al., 1995).
En general, los gradientes de velocidad necesarios para obtener una oxigenación suficiente son bastante más elevados que los valores óptimos para producir una correcta floculación, y la destrucción de los flóculos - debido al sufrimiento de altas fuerzas en las bombas del sistema de recirculación - facilita el crecimiento de microorganismos filamentosos (Ronzano et al., 1995). 2.2.1.2 Tecnología de operaciones y procesos
Se ha demostrado la predisposición de tanques de aireación con mezcla integral/perfecta al Bulking, en comparación con los de flujo pistón. En el fondo, los microorganismos filamentosos generalmente tienen valores de la velocidad máxima de crecimiento específico (µmax) y de la
constante de saturación (KS) más bajos que los microorganismos floculentos. Además,
concentraciones de sustrato disponibles menores a 10 mg/L en tipos de flujo hidráulico como el de mezcla integral favorecen a los microorganismos filamentosos, mientras que en partes importantes del recorrido del licor, en tanques con flujo pistón, la concentración de sustrato es
alta y el crecimiento de los organismos floculentos es superior al de los filamentosos (Chudoba et al., 1973; Ronzano et al., 1995).
La reducción del tiempo de residencia hidráulica en la decantación primaria aumenta la concentración de partículas suspendidas, lo que conduce a una situación más favorable para los microorganismos floculentos, según la primera hipótesis sobre la formación del Bulking y, además, carga a los flóculos, aumentando su densidad (Wagner, 1982). Se ha reportado que el agua putrefacta, por permanecer tiempos prolongados bajo condiciones anóxicas, causa Bulking (Wagner, 1982; Li, 1993). Adicionalmente, al producirse ácidos orgánicos de cadena corta, el posible desarrollo de H2S puede fomentar el crecimiento de microorganismos
filamentosos como Thiothrix sp. y Tipo 021N (Ronzano et al., 1995; Matsché et al., 1998). Igualmente desfavorables son los prolongados tiempos de residencia de los lodos en la decantación secundaria (Schlegel, 1986).
2.2.1.3 Composición del agua a tratar y equilibrio nutricional
Las aguas sanitarias con contenidos orgánicos fácilmente degradables y disueltos, especialmente RILes que presentan altos porcentajes de hidratos de carbono de bajo peso molecular, azúcares y ácidos orgánicos, por ejemplo de la industria alimenticia, están predispuestos al Bulking (ATV-AG, 1988). Por razones todavía desconocidas, un desequilibrio en nutrientes favorece el Bulking.
La Tabla 1 presenta una estadística que relaciona el origen de las aguas servidas con el IVL observado y los microorganismos predominantes durante acontecimientos de Bulking.
Origen IVL de 50% IVL de 84% Microorganismos
predominantes
Aguas servidas domésticas 103 148 021N, M. parvicella, 0041
Destilería 103 191 021N, 0041, N. limicola
Industria cervecera 169 283 S. natans, 021N, 1701
Industria de papel 265 613 0041, 021N, actinomicetos
Tabla 1: IVL y microorganismos predominantes observados para distintas aguas residuales (Wagner, 1982)
2.2.2 Posibles
Soluciones
Las posibles soluciones son muy variadas y dependen principalmente del problema concreto, de los microorganismos involucrados y del agua a tratar (Matsché et al., 1998). En su mayoría ellos intentarán evitar las condiciones desfavorables mencionadas en el capitulo anterior. Principalmente son factibles además cambios y medidas en las áreas que se describen a continuación:
2.2.2.1 Empleo de Productos Químicos
Según Kroiss (1998), el empleo de productos químicos no es factible para garantizar a largo plazo propiedades mejoradas del lodo, sin embargo evitan evoluciones no agradables.
Para atacar los filamentos se está añadiendo oxidantes H2O2 (Schwarzer et al., 1980) o cloro
(Jenkins et al., 1982) en la recirculación, pese a la generación de AOX (Matsché et al., 1998).
El hierro es empleado en concentraciones entre 20 y 50 g Fe por m3 de agua, como agente de coagulación y floculación, para cargar artificialmente los flóculos y por su función como inhibidor a algunos organismos filamentosos (Ronzano et al., 1995; Li, 1993). Rosenwinkel et al. (1996) evitan el Bulking en una planta de tratamiento de RILes de una industria cervecera añadiendo FeCl3 en una concentración de 1,16 mg Fe/L hasta lograr un porcentaje de 10% con respecto a
los MLSS. Este actúa no solamente aumentando el peso específico de los flóculos, sino también ayuda a ligar el azufre en la formación de los pellets anaerobios y es un micronutriente para los microorganismos anaerobios.
Nutrientes adicionales como la urea, se usa para garantizar la relación óptima DBO5:N:P de
100:5:1 para los microorganismos heterótrofos (Li, 1993). 2.2.2.2 Tecnología de Operaciones y Procesos
Se está evitando la formación del H2S disminuyendo los tiempos de residencia en la
decantación primaria y/o una aireación previa en la entrada del tanque de aireación (Li, 1993). Para reactores con mezcla integral se está empleando un tanque selector (Ronzano et al., 1995). Rosenwinkel et al. (1996) evitan el Bulking en dicha planta de tratamiento de RILes de una industria cervecera aumentado la tasa de recirculación de 200% a 400%.
2.3 Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales
En los últimos años se han desarrollado numerosos procesos para residuos de alto contenido en materia orgánica de aguas residuales: uno de ellos es el tratamiento anaerobio. Es uno de los procesos más antiguos empleados en la estabilización de la materia orgánica y sólidos biológicos. Algunas de las ventajas del tratamiento anaerobio sobre el aerobio reside en bajos costos de servicio, debido a que no se emplean equipos de aireación, tienen un coeficiente de producción de biomasa inferior que los sistemas aeróbicos, por lo tanto una menor generación de lodos al operar cargas orgánicas superiores que para el caso de los procesos aeróbicos, lo que lleva a reactores más pequeños y por último en la producción de metano como potencial ventaja debido a su valor como combustible (Böhnke et al., 1993). Las desventajas del tratamiento anaerobio son principalmente el sistema complejo biológico, la regeneración lenta de la biomasa después de perturbaciones, la falta de la eliminación de los nutrientes como nitrógeno y fósforo y la necesidad del posterior tratamiento adicional del efluente, que sale del reactor (Kraut et al., 1996).
2.3.1 Metabolismo
Anaerobio
Bajo condiciones anaerobias, los microorganismos no pueden respirar, o sea oxidar sustancias orgánicas complejas, sino solamente fermentarlas, es decir, reducirlas. Aquellas sustancias como hidratos de carbono, proteínas o grasas son transformadas a productos intermedios como ácidos orgánicos o alcoholes de alto contenido de energía. Hay que pretender su completa transformación al llamado “biogás” (CH4, CO2), lo que lleva a su remoción del agua y su
purificación. Según conocimientos actuales, la fermentación de metano se desarrolla en cuatro pasos consecutivos bajo participación de distintos grupos de microorganismos (Böhnke et al., 1993):
• Hidrólisis: Transformación por vía enzimática de los compuestos polímeros de alto peso molecular a compuestos disueltos, de bajo peso molecular.
• Acidificación: Descomposición de los compuestos orgánicos por bacterias anaerobias facultativas y anaerobias estrictas a ácidos orgánicos de cadena corta, alcoholes, H2 y CO2.
• Acetogénesis: Ácidos orgánicos y alcoholes son transformados a ácido acético, H2 y CO2.
• Metanogénesis: Conversión de ácido acético, H2 y CO2 en metano por bacterias
Como se trata de pasos consecutivos, la transformación de sustancias orgánicas en metano se lleva a cabo a la velocidad a la cual el sustrato utilizable por las bacterias metanogénicas es producido. En general, los pasos de acidificación y la metanogénesis a partir del acetato, no provocan dificultades. Desde este punto de vista, la fase de acetogénesis es la limitante de la velocidad para la conversión final, sobre todo en la fermentación de polímeros fácilmente degradables. Como la cantidad y composición del biogás es afectada por la concentración de sustratos convertibles en metano, es factible deducir la actividad de la acetogénesis de la producción del gas (Böhnke et al., 1993).
Para cualquier sustancia orgánica, se puede formular las reacciones de la siguiente manera (Roedinger, 1967):
CcHhOoNnSs + y H2O → x CH4 + (c - x) CO2 + n NH3 + s H2S donde:
x = 1/8 * (4c + h - 2o - 3n - 2s) y = 1/4 * (4c - h - 2o + 3n + 2s)
Como los RILes de la industria cervecera presentan altos contenidos en hidratos de carbono y en proteínas (Böhnke et al., 1993), se obtiene:
Hidratos de carbono: C6H12O6 → 3 CO2 + 3 CH4 (50% : 50%)
Proteínas: C13H25O7N3S + 6 H2O → 6,5 CO2 + 6,5 CH4 + 3 NH3 + H2S (38% : 38% : 18% : 6%)
El sulfuro de hidrógeno se combina con el hierro de los lodos, lo que da a los lodo anaerobios su color negro característico. Además, cada molécula de amoniaco se combina con una molécula de dióxido de carbono, lo que lleva finalmente a la razón del gas saliente CH4:CO2 = 71%:29%.
2.3.2 Factores que influyen en el Metabolismo Anaerobio
Existe una variedad de factores que influyen en el metabolismo anaerobio, siendo los más importantes en la práctica la temperatura, el pH y la composición de sustrato.
2.3.2.1 Temperatura
De las leyes de la termodinámica se puede deducir que la velocidad de reacciones químicas aumenta a temperaturas ascendentes. Esto tiene su limitación para el caso de las reacciones bioquímicas, cuando temperaturas altas inhiben la actividad del metabolismo microbiano normal. Lo que resulta, es un rango óptimo de la temperatura, dependiendo del organismo. Los formadores de metano y los microorganismos que forman parte en la hidrólisis son termosensibles y mayoritariamente forman parte de los organismos mesófilos, con un rango óptimo de 30 a 40 °C con su máximo entre 35 y 37 °C. (Böhnke et al., 1993)
2.3.2.2 pH
El desarrollo de microorganismos está en estrecha relación con un pH óptimo, ya que la actividad enzimática depende fuertemente del mismo. El rango de tolerancia para microorganismos anaerobios se encuentra entre 6,8 a 7,5 de pH, lo que implica, sobre todo para RILes, la necesidad frecuente de corrección anticipada del pH. La estabilidad del proceso anaerobio depende además de la capacidad buffer dentro del reactor. Como la fermentación se lleva a cabo a través de ácidos orgánicos como productos intermedios, su concentración influye fuertemente en el pH, sobre todo con sustratos de baja capacidad buffer (Böhnke et al., 1993). La reducción del pH inhibe la formación de metano, lo que hace necesario la implementación de contramedidas como la reducción de la carga volumétrica, el aumento del pH a través de agentes como Ca(OH)2, Na2CO3 o NaOH, e incluso la medida de añadir agua de dilución
(Kroiss, 1986).
2.3.2.3 Composición de Sustrato
Los microorganismos necesitan el sustrato como fuente de energía y para sintetizar material celular. Las condiciones óptimas de nutrientes predominan con valores de DQO:N:P = 800:5:1 y azufre en concentraciones bajas (ATV-FA, 1990), pese a que la cuantificación a través de la DQO suma todas las sustancias oxidables y no solo las orgánicas: tampoco dice nada sobre la degradabilidad y disponibilidad (Böhnke et al., 1993).
El suministro de hierro en forma de FeCl3 es practicado muchas veces debido a su carácter de
micronutriente, coagulante e interceptor del H2S. Un valor de referencia en la industria
cervecera es 1,16 mg Fe/L (Rosenwinkel et al., 1996).
Algunas sustancias tienen un potencial inhibitorio o tóxico sobre los microorganismos, dependiendo principalmente de su concentración.
• Oxígeno: Tóxico para anaerobios estrictos, sin embargo no tiene relevancia en la práctica (Böhnke et al., 1993).
• Azufre: El sulfuro de hidrógeno es tóxico y es la forma presente a pH bajos (50% a pH 7, 90% a pH 6). Concentraciones elevadas de sulfato inhiben los microorganismos metanogénicos, debido a falta de sustrato como consecuencia de la competencia con bacterias desulfuricantes. En la práctica se puede observar la concentración de H2S en el
biogás y tomar contramedidas, en el caso de concentraciones elevadas, aumentado el pH, añadiendo sales de hierro, reduciendo la carga volumétrica y/o diluyendo el efluente (Kroiss, 1986).
• Ácidos orgánicos: Tienen un efecto inhibitorio (ver cap. anterior)
• Metales pesados: Pueden estar presentes en RILes, dependiendo de la industria. La literatura (Böhnke et al., 1993) menciona una variedad de valores umbrales para procesos anaerobios.
2.3.3 Reactor
UASB
A mediados de los años ’70, el desarrollo de reactores anaerobios modernos de alta eficiencia fue empujado por la implementación de reactores de manto de lodo de flujo ascendente (Upflow Anaerobic Sludge Blanket, UASB) por Lettinga et al. (1980) y van der Meer (1979). Estos reactores de la llamada segunda generación presentan tiempos de residencia celular (TRC) superiores e independientes a los tiempos de residencia hidráulica (TRH) en comparación a los reactores tradicionales de la primera generación, que carecen de una retención de los lodos, en donde TRH = TRC. Los reactores UASB están caracterizados por la retención interna de los lodos a través de un sistema de separación trifásico en la parte superior del reactor, que actúa por sedimentación independiente, o sea por la fuerza de gravedad. Además se distingue de los demás reactores de segunda generación por sus lodos que están formados por gránulos de lodo, los llamados “pellets”, los cuales no contienen ningún tipo de relleno para soportar el crecimiento biológico. Las ventajas que presenta el UASB con respecto a otros sistemas anaeróbios son: su bajo costo de inversión, el volumen del reactor es pequeño, las
fermentaciones ácidas y metánicas tiene lugar en el mismo reactor, el consumo de potencia es bajo ya que no se requiere de ninguna agitación mecánica, la retención de biomasa es muy buena y por lo tanto no es necesario reciclar los lodos y por último la concentración de biomasa a tratar es alta, por lo que el sistema es resistente a la presencia se sustancias tóxicas y fluctuaciones de carga. Su aptitud son aguas residuales o RILes de concentraciones bajas o medianas (5 – 15 g DQO/L) con porciones pequeñas de sólidos suspendidos. Su funcionamiento y aptitud fue comprobado para una gran variedad de RILes y existen muchos estudios y documentos sobre su empleo, lo que hace su uso preferible a otras técnicas. (Böhnke et al., 1993)
En general, el agua residual entra por debajo del reactor, pasa por un distribuidor de flujo, atraviesa el lecho de lodo donde se produce la metabolización del sustrato, lo que lleva a la formación del biogás y el ascenso de burbujas y flotación de gránulos hacia la parte superior del reactor, donde se separan las tres fases: gas, líquido tratado, y biomasa en un separador trifásico, y el afluente tratado sale por la parte superior, al igual que el biogás se ve recolectado para su futuro uso, mientras los gránulos son retenidos y descienden hacia el lecho. La flotación de los gránulos se produce debido al entrapamiento de burbujas en el interior de los gránulos o debido a la adhesión de burbujas.
Según van der Meer (1979), con este tipo de reactores se puede llegar a altas eficiencias de purificación, siempre y cuando se cumplan los siguientes requerimientos:
• Formación de un sistema que consiste en un lecho de lodos y un manto de lodos. • Distribución uniforme del afluente en el fondo del reactor.
• Mezcla de los contenidos del reactor a través del gas producido. • Efectiva separación de gas, efluente y biomasa.
2.3.3.1 Sistema Lecho de Lodos y Manto de Lodos
La formación de los gránulos (pellets) es una importante condición para el servicio eficiente y económico de reactores de manto de lodo. Esto depende fuertemente de la composición del RIL, de la técnica de procedimiento utilizada y de la puesta en marcha. Normalmente se inoculará con lodos de un reactor existente. La biomasa en el UASB esta formada por gránulos de 3 a 4 mm con altas velocidades de sedimentación, de entre 2 a 70 m/h. La concentración de biomasa en el lecho alcanza valores de sólidos suspendidos totales (SST) de 75 a 150 kg/m3,
siendo la concentración de sólidos suspendidos volátiles (SSV) dentro del reactor de 10 a 50 kg/m3. (Böhnke et al., 1993)
Una posible acidificación completa interfiere negativamente en la formación de los gránulos, por lo cual Lettinga et al. (1990) mencionan tasas óptimas de acidificación entre un 20 a 40%. De esa manera se puede llamar al reactor UASB un sistema de una sola fase, en contrario a los de dos fases, donde se separa en dos reactores la hidrólisis/acidificación de la acetogénesis/metanogénesis. En la práctica, los procesos industriales discontinuos se deben equipar de un ecualizador que actúa como una primera fase debido a exigencias de seguridad del proceso bajo flujos y composiciones del RIL cambiantes, o la presencia por momentos de sustancias inhibitorias.
2.3.3.2 Distribución Uniforme
El uso de un número limitado de puntos de entrada, junto al hecho que el afluente tiene una densidad inferior comparado con el lecho de lodo, hace resultar en un flujo preferencial a través del lecho, lo que lleva a canales, cortocircuitos y áreas muertas. Las burbujas ascendentes producidas en el lecho, fortalecen los efectos cortocircuitos, pero reducen las áreas muertas (van der Meer, 1979).
2.3.3.3 Separación Trifásica
La separación trifásica interna empleada en los reactores UASB tiene la ventaja de minimizar las fuerzas sobre el lodo, una condición para la formación de los gránulos.
Junto a la separación trifásica se emplea un sistema de decantación que en el caso de los reactores UASB se puede caracterizar del tipo interno y de flujo vertical. Condición importante es la ausencia de turbulencia dentro del sistema de decantación, lo que hay que asegurar con la separación del área donde se produce la purificación, para no intervenir el régimen de flujo dentro del decantador. Es favorable emplear tiempos de residencia cortos para el sistema de decantación. Además hay que interceptar el gas en el separador trifásico, antes que entren los lodos al sistema de decantación. Con pérdidas no tolerables de lodos, a veces se emplea un decantador externo adicional. (van der Meer, 1979)
2.3.3.4 Valores de Diseño del UASB
Según Lettinga et al. (1990), el volumen del reactor depende de los siguientes factores: • Carga diaria máxima del DQO.
• Carga máxima permitida del separador trifásico. • Temperatura mínima del afluente.
• Concentración y composición del afluente. • Eficiencia de purificación requerida.
• Carga volumétrica permitida bajo una retención específica dada de lodo, siendo el último factor de diseño el más importante.
DQO del afluente (mg/L) Porción suspendida de DQO (%) CV aplicable a 30 °C, lodos granulados (kg DQO/(m3*d)) Flujo ascendente máximo (m/h) Lettinga et al. (1990) < 2000 10 – 30 30 – 60 60 – 100 2 – 4 2 – 4 UASB inútil 3 1 – 1,5 Lettinga et al. (1990) 2000 – 6000 10 – 30 30 – 60 60 – 100 3 – 5 4 – 6 4 – 8 3 1 – 1,5 Böhnke et al. (1993) 5 – 15 0,5 – 2 Rosenwinkel et al. (1996) 6 (a 20 – 24 °C) 10
Tabla 2: Carga volumétrica aplicable y flujo ascendente máximo para reactores UASB
Otros autores proponen el diseño según la edad del lodo, comparable al tratamiento aerobio (Kraut et al., 1996).
2.4 Industria Cervecera y Tratamiento de RILes
2.4.1 Elaboración de Cerveza
El proceso de la elaboración de cerveza consiste en una variedad de operaciones y procesos, los cuales incluyen la selección de materias primas, cocimiento, fermentación, reposo, filtración, dilución y envasado (CCU, 1998).
• Selección de materias primas: Empieza con la descarga, limpieza y el almacenamiento.
• Cocimiento: Consiste en la producción del mosto que fermentarán las levaduras en la etapa de fermentación. Sub-procesos son la preparación y acondicionamiento de las materias primas a través de procesos térmicos (autoclavado) y la separación del mosto de sólidos insolubles (orujo). El mosto se somete a un proceso de cocción o ebullición con el fin de lograr su estabilización, el desarrollo del sabor y su concentración. Posteriormente atraviesa un filtro y es enfriado hasta la temperatura de inicio de la fermentación.
• Fermentación: Proceso anaerobio mediante el cual las levaduras transforman el mosto en cerveza. Después de siete días, tiempo total de la fermentación, una parte importante de la levadura flocula, recuperándose y reutilizándose en nuevas fermentaciones.
• Reposo: La cerveza concentrada reposa en los estanques de reposo durante siete días, período en el cual se produce una gran cantidad de reacciones biológicas que son responsables del aroma, sabor, clarificación, maduración y estabilización de la cerveza. • Dilución y filtración: La cerveza reposada es diluida con agua, carbonatada, desaireada y
enfriada. Posteriormente se la somete a una filtración con el objeto de remover sustancias suspendidas, logrando como producto final una cerveza transparente.
• Envasado: Se realizan las operaciones de lavado de envases, llenado, pasteurizado, etiquetado, encajonado y paletizado. Los productos terminados son almacenados en bodega.
2.4.2 Elaboración de Gaseosas
Principalmente, la elaboración de gaseosas se limita a la solubilización y dilución de extractos frutales y concentrados con agua, CO2, azúcar, edulcorantes, etc. (Böhnke et al., 1993). En la
planta cervecera local se considera tres áreas de producción: producción de azúcar líquido, producción de jarabes y embotellación (CCU, 1998):
• Azúcar líquido: El azúcar es disuelto con agua en un estanque de solubilización.
• Jarabe: En esta área se elaboran los diferentes tipos de jarabes requeridos para la producción de las distintas variedades de gaseosas. El jarabe se formula a partir del azúcar líquido, aditivos (preservantes, colorantes y otros) y agua.
• Embotellación: Considera además del lavado de botellas las operaciones de embotellación del producto, realizándose en esta etapa la disolución del jarabe con agua y la carbonatación. Posteriormente las botellas son envasadas, etiquetadas, empacadas y paletizadas.
2.4.3 Generación y Composición de RILes
Las diferentes operaciones unitarias involucradas en el proceso de producción de la cerveza generan cantidades importantes de materia orgánica y deterioran la calidad del agua en sus parámetros físico-químicos. Las más relevantes son las operaciones de lavado de botellas, operación de lavado de estanques de fermentación, de reposo, de levadura, filtro de tierra y lavado de maquinarias relacionadas con el envasado del producto final. A estas corrientes se les suman las pérdidas de producto, tanto como rompimiento de botellas, como derrames de producto, los que también aportan cantidades importantes de materia orgánica (Kristal, s/a).
Debido a la producción discontinua, los RILes de la industria cervecera se caracterizan por flujos, concentraciones y pH fuertemente cambiantes; además presentan bajas temperaturas, entre 20 y 30 °C, un DQO relativamente bajo para el tratamiento anaerobio y una relación favorable de DQO/DBO5 de 1,8 – 2, debido a sus altos contenidos de hidratos de carbono y de
proteínas (Böhnke et al., 1993). La siguiente Tabla 3 resume características promedio en RILes de la industria cervecera.
Contenido Concentración (mg/L) DBO5, mezclada 1100 – 1500 DBO5, sedimentada 900 – 1200 DQOmezclada 1800 – 3000 DQOsedimentada 1500 – 2500 Nitrógenototal 30 – 100 Fósforototal 10 – 30 Materia sedimentable 10 – 60
Tabla 3: Características de RILes de la industria cervecera (Rosenwinkel et al., 1996)
La buena biodegradabilidad de los RILes de la industria cervecera se expresa también en una alta tasa de acidificación (principalmente ácido acético yácido propiónico) entre 60 y 75% hasta unos 98% bajo elevados tiempos de retención en el ecualizador (Rosenwinkel et al., 1996).
Los contenidos de nitrógeno en su mayoría son de origen orgánico, provenientes de proteínas y de levaduras, y en menor cantidad el nitrógeno inorgánico en forma de nitrato, proveniente del uso de ácido nítrico como detergente. Si hubiera buena eficiencia en la recuperación y remoción de la levadura y no se usara ácido nítrico para la limpieza, se obtendrían concentraciones muy bajas de nitrógeno en el RIL. El fósforo se origina principalmente del uso de detergentes en base a fosfatos y ácido fosfórico en actividades de limpieza. Los RILes además contienen concentraciones pequeñas de azufre y amonio (Rosenwinkel et al., 1996).
Según la literatura, la producción específica de RILes con respecto al producto final varia entre 0,27 y 1,16 m3/HL y el valor promedio entre 0,4 y 0,6 m3/HL, la cual es mucho más alta que la producción específica de RILes en la elaboración de gaseosas con valores referenciales promedio de 0,15 m3/HL (Böhnke et al., 1993; Rosenwinkel et al., 1996). Teniendo en cuenta que la planta cervecera local produce cuatro veces más cerveza que gaseosas, y que la línea de elaboración de gaseosas genera concentraciones inferiores de DQO, es factible despreciarla y concentrarse en el área cervecera.
Estudios realizados en distintas cervecerías obtuvieron concentraciones de compuestos tensioactivos aniónicos de 0,05 a 0,40 mg/L y de no iónicos de 0,56 a 3,84 mg/L provenientes de sustancias como desinfectantes y detergentes, que pueden influir fuertemente en los
procesos biológicos debido a su potencial inhibitorio y/o tóxico. En el proceso de elaboración de cerveza se utilizan detergentes para eliminar residuos orgánicos e inorgánicos. Los desinfectantes son agentes para matar microorganismos patógenos y gérmenes. Los ingredientes más importantes de ambos agentes son: ácidos, lejías, fosfatos y silicatos, de origen inorgánico. Además contienen sustancias orgánicas como tensioactivos, antiespumantes y formadores de conjuntos, entre otros. Menos relevantes son los contenidos en adhesivos y aluminio provenientes de las etiquetas (Rosenwinkel et al., 1996).
En la industria cervecera local el efluente líquido contiene una gran carga de desechos orgánicos; la producción de un hectolitro de cerveza produce agua residual con una contaminación aproximada de 800 g de DBO5. Las aguas residuales se componen
principalmente del líquido de recuperación de levaduras y del agua de lavado de varios departamentos, por ejemplo: las aguas que proceden del lavado de botellas tienen una concentración de 200 a 400 mg/L de DBO5, las del lavado de los tanques de fermentación o de
los filtros tiene 3000 mg/L de DBO5, y las del lavado de tanques hasta 16000 mg/L de DBO5. En
el proceso de recuperación de la levadura, el efluente consta de: residuos de filtros que resultan de la preparación de soluciones de nutrientes agotados, aguas de lavado (alto contenido en fósforo) y efluente de la filtración. El volumen de las aguas residuales es del 10 - 20% del volumen de producción de cerveza, y por su contenido en nutrientes agotados, causa el 75 80% del DBO5 total. (CCU, 1998) La siguiente Tabla 4 resume los parámetros de diseño del
RIL afluente a la planta de tratamiento de la industria cervecera local.
Parámetro Valor Carga
Caudal medio 40 L/s
Días de descarga por mes 26 Volumen mensual 89856 m3 Temperatura 30 °C pH 5,0 – 9,0 DBO5 2333 mg/L 8062 kg/d SST 600 mg/L 2074 kg/d Aceites y Grasas 60 mg/L 207 kg/d Fósforo total 30 mg/L 104 kg/d
2.4.4 Características del RIL afluente al Tratamiento Secundario de la Planta
Cervecera local
2.4.4.1 Temperatura
No hay ningún calentamiento del RIL y de los reactores UASB, por lo tanto, ellos trabajan a temperaturas que fluctúan entre 20 y 30 °C, dependiendo del proceso y de la temperatura del ambiente. La temperatura de diseño es 30 °C. (CCU, 2000a)
2.4.4.2 pH
Debido a la modificación del pH en el ecualizador, el valor de entrada no baja de 6,0 y la gran mayoría de los datos se encuentra dentro del rango de 6,4 y 7,2. Excepcionalmente ocurren valores superiores a 8. La siguiente Figura 1 muestra las probabilidades individuales (intervalos de 0,1) y sumatorias del pH del RIL afluente al tratamiento secundario, o sea afluente a los reactores UASB. Los datos representan 164 muestras tomadas durante los meses de abril y octubre del año 2000 (calculado según CCU, 2000b).
Figura 1: Probabilidad individual y sumatoria de pH del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0 pH Probabilidad sumatoria (%) 0 4 8 12 16 20 Probabilidad individual (%)
2.4.4.3 Sólidos Suspendidos Totales (SST)
El 95% de los valores de SST varía entre 100 y 1100 mg/L, concentraciones inferiores o superiores apenas ocurren. La concentración de diseño es 600 mg/L con una carga resultante de 2074 kg/d (Kristal, s/a): sin embargo la concentración promedio afluente al tratamiento secundario es 375 mg/L. La siguiente Figura 2 muestra las probabilidades individuales (intervalos de 50 mg/L) y sumatorias de los SST que entran a los reactores UASB. Los datos representan los 146 promedios diarios que fueron obtenidos en base a muestras tomadas cada dos horas del día durante abril y octubre del 2000 (calculado según CCU, 2000b).
Figura 2: Probabilidad individual y sumatoria de SST del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera
2.4.4.4 Demanda Química de Oxígeno (DQO)
En el 85% de los casos, la DQO se encuentra entre 1000 y 4500 mg/L, con un promedio de 2750 mg/L, aunque sujeto a cambios bruscos. Excepcionalmente se presentan concentraciones por encima de 7500 mg/L. La siguiente Figura 3 muestra las probabilidades individuales (intervalos de 250 mg/L) y sumatorias de la DQO afluente a los reactores UASB. Los datos representan los 166 promedios diarios calculados en base a muestras tomadas cada dos horas al día durante los meses abril y octubre del 2000 (calculado según CCU, 2000b).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 SST (mg/L) Probabilidad sumatoria (%) 0 4 8 12 16 20 Probabilidad individual (%)
Figura 3: Probabilidad individual y sumatoria de la DQO del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera
2.4.4.5 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5)
Los RILes de la planta cervecera local muestran relativamente una alta biodegradabilidad, la que se expresa en una relación de DQO/DBO5 de 1,59, o sea DBO5/DQO = 0,63 (CCU, 2000a).
La concentración de diseño es 2333 mg/L, con una carga resultante de 8062 kg/d (Kristal, s/a). 2.4.4.6 Nutrientes
La concentración de nitrógeno varía entre 3 y 55 mg/L y la de fósforo entre 6,6 y 663,3 mg/L, con promedios de NTK = 29,2 mg/L y fósforototal = 177,2 mg/L. Los altos contenidos en fósforo
se puede explicar por el uso de desinfectantes basados en ácido fosfórico (CCU, 2000a). La concentración de diseño de fósforo total es 30 mg/L (Kristal, s/a) que según los datos presentados es seis veces superada. Las relaciones entre DQO, nitrógeno y fósforo que entran a los reactores UASB se muestra en la siguiente Tabla 5. Los datos representan tomas de muestras semanales durante el período de agosto – octubre del año 2000 (calculado según CCU, 2000b). 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 DQO (mg/L) Probabilidad sumatoria (%) 0 4 8 12 16 20 Probabilidad individual (%)
Datos de muestreo Relación entrada AN DQO (mg/L) NTK (mg/L) Ptotal (mg/L) DQO (mg/L) NTK (mg/L) Ptotal (mg/L) 5997 55,0 87,8 800 7,3 11,7 3530 32,7 62,0 800 7,4 14,1 3179 2,98 30,4 800 0,7 7,7 4686 49,8 28,1 800 8,5 4,8 5351 32,9 66,0 800 4,9 9,9 2666 22,2 125,4 800 6,7 37,6 4347 6,21 663,3 800 1,1 122,1 3323 31,9 355,0 800 7,7 85,5 4135 29,2 177,2 800 5,5 36,7
Tabla 5: Concentración de nutrientes y relaciones DQO:N:P del RIL afluente al tratamiento biológico de la planta cervecera local
2.4.5 Técnicas del Tratamiento de RILes
La gran mayoría de las 136 plantas documentadas de tratamiento instaladas en la industria cervecera a nivel mundial durante el período 1980 - 1996, consiste en un tratamiento acoplado anaerobio-aerobio. De ellos, la tecnología más utilizada es el reactor UASB junto a un sistema de lodos activados tradicional, sobre todo en países de América del Sur como Brasil, Venezuela, Colombia y Argentina. En Chile existen reactores instalados por ejemplo en la planta C.C.U. S.A. Antofagasta. A diferencia, en Alemania los RILes normalmente son descargados al sistema de alcantarillado público, a excepción de unas pocas plantas que cuentan con reactores de lecho fijo o con reactores UASB modificados con recirculación interna (Böhnke et al., 1993; Rosenwinkel et al., 1996). La siguiente Tabla 6 resume valores de diseño referenciales de 12 reactores UASB empleados en el tratamiento de RILes de la industria cervecera:
TRH (h) ηηηηDQO (%) Temperatura (°C) Carga volumétrica
(kg DQO/(m3*d))
Rango 4,6 – 11,3 70 – 85 20 – 40 5,25 – 15
2.4.6 Planta de Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera local
Los RILes de la fábrica local de cervezas son tratados en una planta de tratamiento diseñada para obtener una salida de agua con calidad de regadío, la cual es descargada al estero La Laucha, afluente del río Cautín. El caudal máximo del RIL con la planta a plena capacidad es de 0,09 m3/s. El caudal estimado en los meses de mayor producción es de 4200 m3/d y las características físico-químicas que debia cumplir el efluente de la planta de tratamiento corresponde a lo requerido por la Norma Técnica relativa a Descargas de Residuos Industriales Líquidos Directamente a Cursos y Masas de Aguas Superficiales y Subterráneas publicada en 1992 por la Superintendencia de Servicios Sanitarios y la Norma Chilena 1333 of. 78, que define los requisitos para Aguas de Regadío. (CCU, 1998) Desde septiembre del 2001, el nuevo cuerpo legal vigente es el Decreto Supremo 90/00, que establece la norma de emisión para la regulación de contaminantes asociados a las descargas de residuos líquidos a aguas marinas y continentales superficiales.
Las aguas residuales provenientes del proceso de elaboración de cerveza son tratadas por vía biológica mediante un proceso acoplado anaerobio-aerobio. El proceso anaerobio utiliza un reactor UASB empacado parcialmente y por otra parte, el proceso aerobio involucra un sistema de lodos activados en la modalidad de aireación extendida. La secuencia de tratamiento consta de las siguientes operaciones y procesos unitarios (Kristal, s/a; CCU, 2000a):
2.4.6.1 Pretratamiento Rejilla de cribado:
Los RILes ingresan al pretratamiento por la rejilla de barras verticales ubicada al inicio del canal de desarenación con el propósito de remover los sólidos gruesos que pudieran causar daños a los equipos mecánicos o interferir con subsecuentes etapas de tratamiento.
Desarenador:
El RIL continúa su paso a gravedad por el canal desarenador del tipo de sedimentación de velocidad constante, cuya finalidad es la retención de sólidos inorgánicos densos que no hayan sido separados en la rejilla de barras.
Pozo de bombeo:
El agua recolectada por el pozo (volumen de 74 m3) alimenta a la criba estática por medio de bombas sumergibles, cuya operación es programada de tal manera que trabajen alternadamente.
Criba estática autolimpiante:
Su objetivo es eliminar los sólidos finos (orujo y cascarilla) mayores a 0,5 mm y evitar que ingresen al sistema biológico de tratamiento, ya que representan una carga orgánica importante que requeriría tiempos de residencia demasiado elevados para su degradación. En esta unidad se estima una eficiencia de remoción de sólidos suspendidos del 10%.
Hidrociclón:
El RIL proveniente de la criba estática entra tangencialmente al ciclón, estableciendo un flujo espiral o de vórtice. Como resultado, los sólidos son lanzados sobre las paredes del cono hacia el punto de salida inferior y el efluente sale con un contenido menor de sólidos, aproximadamente un 50%.
Tanque de homogenización y neutralización:
El agua prácticamente libre de sólidos es conducida hacia el tanque de homogenización y neutralización. Para evitar la acumulación de sólidos orgánicos en el fondo y asegurar la homogenización, el tanque cuenta con un agitador de baja velocidad. El tanque tiene un volumen de 840 m3 y por lo tanto está diseñado para un TRH de 5,6 horas.
En el mismo tanque se lleva a cabo la neutralización del RIL y la adición de nutrientes. Para la neutralización, la planta está dotada con dos unidades, una para la dosificación de soda cáustica y otra para el ácido clorhídrico, según sea el ajuste de pH que se necesite. Para la adición de nutrientes, la planta cuenta con unidades para la dosificación de FeCl3 y urea.
2.4.6.2 Tratamiento Biológico Reactor anaerobio UASB:
El RIL proveniente del tanque de homogenización y neutralización entra al reactor anaerobio modificado, tipo UASB por medio de un sistema de distribución que asegura un reparto uniforme del agua en el fondo del reactor, sin que haya taponamientos o canalizaciones. El biogás es captado en la parte alta del reactor y se dirige al sistema de incineración. Con el propósito de retornar alcalinidad al sistema y de asegurar una velocidad de ascenso mínima del agua residual de 0,5 m/h, el reactor cuenta con un sistema de recirculación de un flujo máximo de 291 m3/h. Las bombas pueden operar en función de la velocidad ascendente que se desee dentro del reactor, la cual puede variar entre 0,5 a 1,0 m/h. El reactor consta de cuatro módulos iguales con un volumen útil de 430 m3 cada uno, de los cuales actualmente se utilizan
solamente tres, mientras el cuarto sirve como almacén de lodos. El TRH de los tres módulos utilizados es de 11,6 horas.
Reactor aerobio:
Después del tratamiento anaerobio, el efluente se dirige por gravedad hacia el reactor aerobio. El proceso consta de un tanque de aireación de dos módulos con un volumen total de 1960 m3 en cuyo fondo se encuentra el sistema de tuberías y difusores de burbuja fina por donde se distribuye el aire, el que es suministrado por medio de un soplante de lóbulos, el cual tiene una capacidad de suministro de 944 m3/h de aire y es activado siempre y cuando la concentración de oxígeno disuelto (OD) quede debajo de 2 mg/L y es desactivado superando una concentración de 3 mg/L. El TRH en esta unidad es de 13,5 horas. El TRC es de 20 d.
Clarificador secundario:
En el clarificador secundario sedimentan los lodos provenientes del reactor aerobio. Éstos son recolectados continuamente por el sistema de rastras y tornamesa central; posteriormente son tomados por bombas centrífugas, las cuales están diseñadas para retornar un flujo de 250 m3/h. El agua clarificada es evacuada por vertederos en la parte superior del clarificador y de ahí es conducida por gravedad al tratamiento terciario. El clarificador secundario es de sección circular, con diámetro de 21,5 m y altura cilíndrica de 3,35 m.
2.4.6.3 Tratamiento Terciario Desinfección:
Como tratamiento final, el agua residual ingresa al tanque de contacto con cloro a TRH de 58 minutos, donde se dosifica este reactivo en forma de gas. El tanque de contacto con cloro tiene un volumen de 138 m3 con instalaciones para inducir un régimen de flujo pistón. La eficiencia en el proceso de desinfección es del 99%.
Decloración:
En la etapa final del tratamiento se remueve el cloro residual total combinado que existe después de la cloración. La eliminación del cloro residual se realiza utilizando sulfito de sodio en el tanque de decloración, cuyo volumen es de 194 m3.