UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
RECINTO UNIVERSITARIO SIMON BOLIVAR
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
COMPARACIÓN TÉCNICA-ECONÓMICA DE SISTEMAS DE
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES GENERADAS POR PLANTAS DE ALIMENTOS.
Trabajo de diploma Presentado por:
Br. ARLEN RUTH SALGADO VILLALOBOS Br. TANIA VALERIA QUINTANA MAIRENA
Para optar al titulo de: INGENIERO QUÍMICO
Tutor:
MSc. Ing. MARTIN GAUSS Asesor:
ING. VIDAL CÁCERES
Managua, Nicaragua
I. – INTRODUCCIÓN
Actualmente la contaminación y deterioro del medio ambiente es una de las preocupaciones en el mundo, especialmente en países en desarrollo como Nicaragua, donde el deterioro ambiental ha sido notorio en las últimas décadas, producto del incremento y mal manejo de las aguas residuales tanto domésticas como industriales, sobre todo cuando son vertidas sin ningún tipo de tratamiento o con un tratamiento deficiente a cuerpos receptores.
Históricamente, las empresas Nicaragüenses han desatendido el impacto ambiental negativo que sus afluentes provocan al ser vertidos al medio ambiente sin un tratamiento adecuado. La mayoría de éstas corresponden a empresas procesadoras de alimentos, tales como queseras, granjas avícolas, cervecerías, mataderos, beneficios de café, entre otras; las cuales tradicionalmente no se han preocupado por proporcionar tratamiento a sus afluentes debido a la falta de aplicación de las leyes ambientales, por lo que se han convertido en fuentes activas de contaminación. Las aguas residuales industriales generadas por estas empresas poseen un alto contenido de contaminantes entre ellos se destacan los sólidos en suspensión, materia orgánica, grasas y aceites, nutrientes y patógenos, razón por la cual se debe brindar un tratamiento adecuado a las mismas.
Con la publicación de las disposiciones para el control de la contaminación provenientes de las descargas de aguas residuales domésticas, industriales y agropecuarias contenidas en el decreto 33-95 del MARENA, el cual especifica los parámetros y rangos de contaminantes permisibles en los efluentes, las empresas nacionales han comenzado el proceso de caracterización, diseño y construcción de sistemas de tratamiento, con el propósito que deben cumplir con las normas antes mencionadas. Existen diferentes tecnologías de tratamiento que las empresas pueden utilizar para tratar sus aguas residuales, separándose en dos grupos principales: sistemas de tratamiento que requieren del uso intensivo de energía eléctrica y sistemas que se basan en la biodegradación natural. Los sistemas intensivos, tales como lodos activados, son más eficientes en la remoción de materia orgánica pero se objeta sus costos y la dependencia de repuestos del extranjero. En cambio, los sistemas de biodegradación natural, entre los que se destacan los filtros anaerobios, biofiltros y lagunas de estabilización, tienen bajos costos, y no dependen de repuestos.
De acuerdo a lo antes mencionado, el presente estudio estará dirigido a determinar en el campo, mediante el acceso a sistemas de tratamiento que son representativos de ambas tecnologías, la factibilidad y sostenibilidad técnica y económica de algunas plantas de tratamiento de aguas residuales de la industria alimenticia de Nicaragua, con el propósito de que la información obtenida sirva de guía para la selección de alternativas de tratamiento más adecuadas en función de la capacidad de las empresas.
II.- ANTECEDENTES
Hace 10 años en Nicaragua no existían leyes que obligaran a las industrias a prevenir el deterioro del medio ambiente y proteger el ecosistema, así como el buen aprovechamiento y sostenibilidad de los recursos hídricos.
Existe un capítulo de asistencia en el área ambiental, con el objetivo general de revertir el proceso de degradación ambiental de Nicaragua. Para esto se organizó el Programa Ambiental Nicaragua–Finlandia (PANIF-MARENA), que se centra en la reducción de la contaminación proveniente de la industria alimenticia (café y queso) y de la pequeña minería de oro, y en donde se ha creado una guía que se dirige a procesadores lácteos y funcionarios de instituciones públicas vinculadas a la industria láctea, con el propósito de mejorar el conocimiento sobre la situación ambiental de las queseras artesanales y semi-industriales del país, y esforzar la implementación de sistemas de tratamiento de los residuos líquidos que reduzcan la contaminación que es generada por estas industrias. En el año 1995 el gobierno de Nicaragua aprobó y publicó el decreto 33-95 del MARENA, el cual dispone del control de la contaminación proveniente de las descargas de aguas residuales domésticas, industriales y agropecuarias, que obliga a las industrias a cumplir con las normas de vertido a cuerpos receptores, con el objetivo de prevenir la contaminación procedente de estas industrias.
En el decreto 33-95 del MARENA, Arto.75 se contempla el Plan gradual de descontaminación, el cual ha establecido un período de plazo determinado para que las empresas nacionales traten sus aguas residuales, en dos etapas: la primera deberán caracterizar sus afluentes y construir las obras necesarias para las mediciones de caudales, esto se debe ejecutar en un periodo de 2 años después de haberse oficializado dicho plan. En la segunda etapa se dispondrá de un diseño detallado del sistema de pretratamiento en el caso de que sus aguas sean vertidas al alcantarillado y seleccionar una empresa constructora para la construcción, puesta en marcha y plan de monitoreo, este contempla un periodo de 4 años posteriores al plazo de la primera etapa, y 6 años posteriores a los plazos fijados para la primera etapa, cuando no son vertidos a alcantarillados, sino a cuerpos receptores para la construcción de un tratamiento completo.
Desde la publicación del decreto 33-95 del MARENA solamente unas pocas empresas han cumplido con el tratamiento de sus aguas residuales para que sus efluentes puedan ser vertidos a un cuerpo receptor. Sobre la base de las dificultades y resultados proporcionados por estas empresas, se podrá establecer los pro y contra del uso de los diferentes sistemas de tratamiento empleados.
III.- JUSTIFICACIÓN
Nicaragua en los últimos años se ha desarrollado industrialmente en el procesamiento de alimentos, a la vez estas generan grandes cantidades de aguas residuales con altas concentraciones de contaminantes que contribuyen al deterioro del medio ambiente.
En Nicaragua existen normativas de carácter reglamentarias que regulan sustancialmente las descargas de aguas residuales a cuerpos receptores como el decreto 33-95 del MARENA. Este tiene la disposición de armonizar el desarrollo económico del país con el aprovechamiento racional de los recursos hídricos para el uso de generaciones presentes y futuras, por esto es necesario la protección de la calidad del agua.
La construcción de sistemas de tratamiento de aguas residuales industriales en las empresas Nicaragüenses depende en gran medida de los costos de construcción, operación, y mantenimiento, además del grado de eficiencia de los mismos. En vista de la falta de experiencia que existe en este campo, las empresas nacionales necesitan una guía sobre la aplicación de las diferentes alternativas de tratamiento de aguas residuales industriales, incluyendo costos y eficiencia técnica de los mismos.
Con el presente trabajo se pretende reunir información necesaria que sirva de guía para seleccionar el sistema de tratamiento más apropiado según la carga contaminante de la empresa y factibilidad económica de la misma.
IV.- OBJETIVOS
4.1.- OBJETIVO GENERAL
Evaluar la eficiencia de la remoción de los contaminantes y la sostenibilidad técnica-económica de los sistemas de tratamiento de aguas residuales de las plantas de alimentos. 4.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Realizar muestreos en cuatro sistemas de tratamiento, los cuales son las plantas de: LA MONTAÑA, MASIGUITO Y SAN FRANCISCO DE ASÍS (Procesadoras de lácteos), las dos ultimas comparten el mismo sistema de tratamiento, INDAVINSA (matadero de pollos), y Consorcio Cervecero Centroamericano (procesadora de cerveza) que actualmente están operando para conocer la calidad de sus efluentes.
• Recopilar información actual sobre los costos de construcción, operación y
mantenimiento de cada uno de los sistemas de tratamiento.
• Establecer comparaciones técnicas–económicas entre los diferentes sistemas de
tratamientos en estudio.
• Determinar el costo por metro cúbico de agua residual tratada, en cada uno de los
V.- MARCO TEÓRICO
5.1.- DEFINICIÓN DEL TERMINO AGUAS RESIDUALES
Es la combinación de los residuos líquidos o aguas portadoras de residuos, procedentes tanto de viviendas como de instituciones públicas y establecimientos industriales y comerciales, a los que pueden agregarse, eventualmente aguas subterráneas, superficiales y pluviales. Las aguas residuales no deben ser conducidas a cuerpos receptores de agua sin un tratamiento previo para eliminar los contaminantes.
5.2.- CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES[8]
Las aguas residuales se caracterizan por su composición física, química y biológica ya que son esenciales para el proyecto y funcionamiento de las instalaciones, para su recogida, tratamiento y evacuación así como para la técnica de la gestión de la calidad ambiental. 5.3.- CONTAMINANTES DE IMPORTANCIA EN EL TRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES [8]
Las normas que regulan los tratamientos secundarios están basadas en las tasas de eliminación de la materia orgánica, sólidos en suspensión y patógenos presentes en el agua residual. Gran parte de las normas implantadas, más exigentes, como también las normas implantadas por el gobierno de Nicaragua en el decreto 33-95 del MARENA, incluyen el control de la eliminación de nutrientes y de los contaminantes prioritarios. Cuando se pretende reutilizar el agua residual, las exigencias normativas incluyen también la eliminación de compuestos orgánicos, metales pesados y en algunos casos, sólidos inorgánicos disueltos. A continuación se describen algunos contaminantes de interés en el tratamiento de aguas residuales.
5.3.1.- Características Físicas [4]:
Las características físicas son aquellas que no alteran la naturaleza del agua residual, entre las más importantes se pueden mencionar: Olor, temperatura, densidad, color, turbiedad y el contenido total de sólidos (término que engloba la materia en suspensión, la materia sedimentable, la materia coloidal y la materia disuelta).
• Olores
Estos son debidos a los gases producidos por la descomposición de la materia orgánica. El olor más característico del agua residual, baja en oxígeno disuelto, es el del sulfuro de hidrogeno (H2S), producido por microorganismos anaerobios que reducen los sulfatos a
sulfitos.
• Temperatura[9]
Este es un parámetro muy importante por su efecto en la vida acuática, en reacciones químicas y velocidades de reacción, además por su posible aplicación para otros fines. Por ejemplo, se sabe que el agua caliente disminuye la solubilidad del oxígeno mientras un cambio brusco de temperatura puede dar lugar a un alto porcentaje de mortalidad en la vida acuática.
• Densidad
La densidad es una característica física muy importante del agua residual dado que de ella depende la potencial formación de corrientes de densidad en fangos de sedimentación y otras instalaciones de tratamiento.
• Color
El color junto con el olor ayuda a determinar la condición de un agua residual y su edad. El agua residual nueva suele ser gris y a medida que los compuestos orgánicos son descompuestos por las bacterias, el oxígeno disuelto se reduce y el agua cambia a color oscuro. Muchas aguas industriales añaden un color específico al agua residual que permite suponer la presencia de un contaminante.
• Turbiedad
La medición de la turbiedad se lleva a cabo mediante la comparación entre la intensidad de la luz dispersada en la muestra y la intensidad registrada en una suspensión de referencia en las mismas condiciones. La materia coloidal dispersa o absorbe la luz, impidiendo su transmisión. Aun así, no es posible afirmar que exista una relación entre la turbiedad y la concentración de sólidos en suspensión de un agua no tratada.
• Sólidos totales
Bajo este nombre se distingue todos los constituyentes sólidos de las aguas residuales, sólidos orgánicos e inorgánicos, el cual esta compuesto por materia flotante y materia en suspensión, en dispersión coloidal y en disolución.
• Sólidos suspendidos
Son aquellos que están en suspensión y que son perceptibles a simple vista en el agua. Son los sólidos que pueden separarse del agua residual por medios físicos o mecánicos, como son la sedimentación y la filtración. Se definen mas exactamente como los sólidos que quedan retenidos por la capa filtrante, de asbesto, en un crisol Gooch (recipiente de porcelana cuyo fondo lleva numerosas perforaciones), de los sólidos suspendidos. Incluyen las partículas flotantes mayores que consisten en arena, polvo, arcilla, sólidos fecales, papel, astilla de madera, partículas de alimentos de basura y otros materiales similares.
• Sólidos sedimentables
Son la porción de los sólidos suspendidos cuyo tamaño y peso es suficiente para que se sedimente en un periodo de tiempo determinado, que generalmente es de una hora. Debe entenderse que son los sólidos que se sedimentan en una hora en un cono Imhoff. Generalmente el resultado se expresa en un milímetro de sólidos por litro de agua residual.
• Sólidos disueltos
Este término es utilizado ordinariamente en los estudios de aguas residuales, sin embargo, según la siguiente definición no es técnicamente correcta. No todos estos sólidos están verdaderamente disueltos, puesto que se incluyen algunos sólidos en estado coloidal. De acuerdo con la costumbre, el término incluye todos los sólidos que pasan a través de la capa filtrante de asbesto en un crisol Gooch. De los sólidos disueltos totales, aproximadamente un 90% verdaderamente esta disuelto y un 10% esta coloidal.
5.3.2.- Características químicas
El estudio de las características químicas de las aguas residuales se aborda en los siguientes cuatro aspectos: la materia orgánica biodegradable, la medición del contenido orgánico, la materia inorgánica, y los gases presentes en el agua residual.
• Materia orgánica biodegradable[4]
Son sólidos que provienen de los reinos animal y vegetal, así como de las actividades humanas relacionadas con la síntesis de compuestos orgánicos. Son sustancias que contienen carbonos, hidrógeno y oxígeno, pudiendo estar combinadas algunas con nitrógeno y azufre o fósforo. Los grupos principales son las proteínas, los hidratos de carbono y las grasas y aceites, junto con los productos de descomposición. Están sujetas a degradación o descomposición por la actividad de las bacterias y otros organismos vivos; además son combustibles, es decir, pueden ser quemados. Uno de los principales grupos presentes en el agua residual es las grasas y aceites.
• Grasas y aceites[8]
Son compuestos de alcohol (ésteres) o glicerol (glicerina) y ácidos grasos. Los glicéridos de ácidos grasos que se presentan en estado líquido a temperaturas normales se denominan aceites, mientras que los que se presentan en estado sólido reciben el nombre de grasas, químicamente son muy parecidos, y están compuestos por carbono, oxígeno e hidrógeno en diferentes proporciones. La presencia de grasas y aceites en el agua residual puede provocar problemas tanto en la red de alcantarillado como en las plantas de tratamiento. Si no se elimina el contenido de grasa antes del vertido del agua residual, puede interferir con la vida biológica en aguas superficiales y crear películas y acumulaciones de materia flotante desagradables.
• Medida del contenido orgánico
A lo largo de los años, se han ido desarrollando diferentes ensayos por la determinación del contenido orgánico de las aguas residuales. Los métodos empleados para determinar las concentraciones de contenido orgánico son:
• DBO5 (Demanda bioquímica de oxígeno)
Es la cantidad de oxígeno requerido por un inoculo de bacteria para la descomposición de la materia orgánica, en una muestra, durante 5 días, a una temperatura de 20oC. Estos microorganismos (bacterias que se encuentran en el agua con contaminación orgánica), transforman la materia orgánica presente en los residuos líquidos. Este método es
empleado para determinar la cantidad aproximada de oxígeno que se requerirá para estabilizar biológicamente la materia orgánica biodegradable presente, así como medir la eficiencia de los procesos de tratamiento y controlar el crecimiento de las limitaciones a que están sujetos los vertidos.
• DQO (Demanda química de oxígeno)
Es la cantidad de oxígeno requerido para la oxidación completa de la materia orgánica por agentes químicos altamente oxidante en medio ácido para la determinación del equivalente de oxigeno de la materia orgánica que pueda oxidarse.
Los resultados de la DQO son siempre mayores que los de DBO5, por que es mayor el
número de compuestos orgánicos que pueden ser oxidados químicamente que los que pueden ser oxidados biológicamente a través de los microorganismos.
• Materia inorgánica[4]
Son sustancias inertes que no están sujetas a la degradación. Ciertos compuestos minerales hacen excepción a estas características, como los sulfatos, los cuales bajo ciertas condiciones pueden descomponerse en sustancias más simples, como sucede en la reducción de los sulfatos a sulfuros.
A los sólidos inorgánicos se les conoce frecuentemente como sustancias minerales: arena, grava, cieno (lodo blando) y sales minerales del abastecimiento de agua que producen su dureza y contenido mineral, dentro de los constituyentes inorgánicos tenemos:
• pH[8]
El pH es la medida de la concentración de iones hidrógeno, expresada como el logaritmo negativo de la concentración molar del ión hidrogeno (pH=- log [H+]). El agua residual con una concentración adversa es difícil de tratar por medios biológicos y si la concentración no se altera antes de la evacuación, el efluente puede alterar la concentración de las aguas naturales. El valor del pH adecuado para los diferentes tipos de tratamientos y para la existencia de la mayoría de la vida biológica puede ser muy restrictivo y critico, sin embargo, generalmente es de 6.5 a 8.5.
• Alcalinidad
La alcalinidad de un agua residual está provocada por la presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos como el calcio, el magnesio, el sodio, el potasio o el amoniaco. De entre todos ellos, los más comunes son el bicarbonato de calcio y el bicarbonato de magnesio. La alcalinidad se determina por titulación con un ácido normalizado, expresándose los resultados en carbonato de calcio, CaCO3. La forma más
común para la determinación de alcalinidad consiste en valorar mediante un ácido fuerte hasta pH 4.3, la cual mide la alcalinidad total (AT), realizando una valoración hasta pH 5.75, la cual mide la alcalinidad parcial (AP), aportada básicamente por bicarbonatos. La concentración de alcalinidad en un agua residual es importante en aquellos casos en los que empleen tratamientos químicos, en la eliminación biológica de nutrientes, y cuando haya que eliminar el amoníaco mediante arrastre por aire.
• Nutrientes[8]
El nitrógeno, fósforo, junto con el carbono, son nutrientes esenciales para el crecimiento de las bacterias. Cuando se vierten al entorno acuático, estos pueden favorecer al crecimiento excesivo de una vida acuática no deseada y pueden provocar de esta manera la formación de compuestos tóxicos, por ejemplo: el amoníaco, que en concentraciones mayores de 2 mg/l es letal para los peces. De igual forma, la falta de estos debilita el proceso de crecimiento bacteriano. Cuando se vierten al terreno en cantidades excesivas, también pueden provocar la contaminación de agua subterránea y la eutroficación de los cuerpos receptores de agua.
5.3.3.- Características biológicas
• Organismos patógenos[9]
Los organismos patógenos son evacuados por los seres humanos que se vean afectados con alguna enfermedad o que sean portadores de alguna enfermedad en particular. Dado que el número de organismos patógenos presentes en las aguas residuales y aguas contaminadas son pocos y difíciles de aislar, el organismo coliforme, que es más numeroso y de determinación más sencilla, se utiliza como organismo indicador de contaminantes. La presencia de organismos coliformes se interpreta como una indicación de que los organismos patógenos también pueden estar presentes y su ausencia indica que el agua se halla exenta de organismos productores de enfermedades.
Las bacterias coliformes incluyen los géneros Escherichia y Aerobacter. El uso de los coliformes como organismos indicadores son problemáticos debido a que la Aerobacter y ciertas especies de Escherichia pueden crecer en el suelo. Por tanto, la presencia de coliformes no siempre significa contaminación con residuos humanos. Parece ser que las Escherichia coli (E. coli) son totalmente de origen fecal.
• Algas
Las algas pueden presentar serios inconvenientes en las aguas superficiales, puesto que pueden reproducirse rápidamente cuando las condiciones son favorables. La presencia de algas afecta el valor del agua de abastecimiento, ya que puede originar problemas de olor y de sabor. En cuanto a los usos del agua relacionados con el ocio, las algas también pueden alterar el valor de las aguas superficiales debido al crecimiento de ciertas especies de peces y formas de vida acuáticas. Uno de los problemas a los que se enfrenta la ingeniería sanitaria en el campo de la gestión de la calidad del agua es la de encontrar el proceso de tratamiento que hay que aplicar a las aguas residuales de diferentes orígenes de modo que los efluentes no favorezcan el crecimiento de algas y demás plantas acuáticas. La solución puede implicar la eliminación del carbono, así como de las diferentes formas de nitrógeno y fósforo y alguno de los elementos que se hallan presentes a nivel de traza, como el hierro y el cobalto.
Tabla 5.3.3.-a [1,3,14]:
Comparación de contaminantes de aguas residuales domésticas y agroindustriales. Contaminantes Unidad Agua Residual Domésticas Queseras Mataderos de pollos Cervecerías DBO5 mg/L 260 - 440 2300 – 4000 390 – 820 660 - 2350 DQO mg/L 580- 821 5000 860 – 1000 784 - 2888 Sólidos suspendidos mg/L 363 – 367 700 210 – 710 200 - 1000 NT mg/L 20.5 – 23.1 - 40 – 57 18.1 - 101 PT mg/L 3.2 – 8.0 - 20 58.6 - 316 Coliformes
fecales Unid. 3.3E
7 - * -
*Los datos de coliformes fecales no están reflejados en la tabla pero si están presentes en este tipo de aguas.
5.4.- CALIDAD DEL EFLUENTE REQUERIDO SEGÚN LA NORMA (decreto 33-95 del MARENA)
Tabla 5.4.-a: Parámetros, rangos y límites máximos permisibles de las diferentes
industrias en estudio.
Rangos y límites máximos permisibles promedio diario
Parámetros Unidad Industria de Matanza de animales Industria Láctea y sus derivados Industria de Cerveza y Malta pH 6-9 6-9 6-9
Sólidos Suspendidos Totales mg/L 200 100 150
Sólidos Sedimentables ml/L 1.0 - 1.0
DBO5 mg/L 150 100 150
DQO mg/L 250 250 300
Grasas y Aceites mg/L 30 30 30
5.5.- MÉTODOS PARA EL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES
INDUSTRIALES [2]
En el caso de las aguas residuales industriales, el objetivo principal generalmente es la reducción de contaminantes, por lo que los métodos de tratamiento industrial, generalmente se denominan según la técnica de reprocesamiento aplicada. En consecuencia, los métodos de tratamientos suelen ser similares a los utilizados por las aguas residuales municipales, pero también son específicos solo para ciertos tipos de aguas residuales industriales y posiblemente difieran, en gran medida, incluso dentro de una misma rama industrial. En el caso del tratamiento de aguas residuales municipales, se emplean tres métodos, definidos según su trabajo: Mecánico, Químico y Biológico.
5.5.1.- Tratamiento Mecánico
Se basa en las propiedades físicas del agua e incluyen la separación de sólidos sedimentables y materiales no disueltos de las aguas residuales, como grasas y aceites, para su posterior estabilización. Son comunes los sistemas de separación de material grueso (rejillas, filtros y tamices), separadores por gravedad (Sistemas de flotación y sedimentación); también se incluye en este rubro los tanques de homogeneización.
5.5.2.- Tratamiento Químico
Consiste en la separación o transformación de las sustancias sedimentables, flotantes y disueltas, mediante el uso de sustancias químicas. En casos especiales se usa la esterilización de las aguas residuales que fueron preclarificadas mecánica o biológicamente. En general los métodos de estos tratamientos comprenden procesos de neutralización, floculación, adsorción, extracción por solventes, destilación oxidación, reducción, entre otros métodos físico-químicos especializados.
5.5.3.- Tratamiento Biológico [11]
Se utiliza la actividad de ciertos microorganismos para la oxidación y mineralización de sustancias orgánicas presentes en las aguas residuales, los principales son el tratamiento anaerobio y el tratamiento aerobio. Los términos generales usados para describir los distintos métodos de acuerdo al incremento en el nivel de tratamiento, son: preliminar, primario, secundario y terciario o tratamiento avanzado del agua residual.
5.5.3.1.- Digestión anaeróbica
Este tipo de tratamiento implica la descomposición de materia orgánica en ausencia de oxigeno. De la materia orgánica se obtienen dos tipos de subproductos: el biogás, que es una fuente de energía y el lodo residual. Después de un periodo de descomposición aeróbica, el lodo es transformado en abono orgánico o mejorador de suelos que se aplica para aumentar la fertilidad de campos agrícolas [14].
El biogás consiste en una mezcla de gases cuya composición básica es de metano (CH4) y
dióxido de carbono (CO2), siendo estos los compuestos del carbono más reducido y
oxidados respectivamente. Además el biogás cuenta con la presencia de nitrógeno, hidrogeno amoniaco y sulfuro de hidrogeno en proporciones menores al 1%.
El metano es un gas combustible, incoloro e inodoro, más liviano que el aire. Su combustión produce una llama azul y productos no contaminantes. A pesar de que el ácido sulfhídrico se encuentra en pequeñas cantidades en el biogás, sus efectos son dañinos, ya que posee un olor desagradable y en presencia de agua produce efectos corrosivos en diferentes materiales. El biogás puede ser utilizado como cualquier otro gas combustible y generalmente se almacena en tanques como una campana de acero flotante o bolsas de capas plásticas residentes.
Tradicionalmente la aproximación más usual para la compresión de los fenómenos involucrados en la digestión anaerobia ha sido la de dividir el proceso en dos etapas: una ácida primero y una segunda productora de metano. Sin embargo de acuerdo con los desarrollos mas recientes las etapas básicas en las cuales se pueden dividir el proceso son:
• Hidrólisis
Se da la transformación por vía enzimática de los compuestos de alto peso molecular, como glúcidos, lípidos y proteínas, en compuestos más sencillos. Las bacterias fermentativas no pueden asimilar las largas cadenas polimétricas presentes en el sustrato, de modo que estas primeramente excretan enzimas extra celulares, que en el exterior convierten los polímeros complejos en polímeros solubles o monómeros de bajo peso molecular (azucares fermentables, aminoácidos, ácidos grasos) que pueden atravesar la pared celular de las bacterias.
Algunas enzimas que actúan directamente en este proceso son; lípasas, óxido reductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerazas y ligazas.
La velocidad de la licuefacción está determinada por la composición del substrato (biodegradabilidad) y por su naturaleza física (tamaño y porosidad de las partículas). Cuanto más pequeños sean los sólidos, mayor la superficie expuesta al contacto con los microorganismos.
• Acidogénesis
Una ves asimilado por las bacterias los compuestos generados en la primera etapa son trasformados en ácidos orgánicos principalmente propiónico, butírico y acético, en proporciones variables, que dependen de las condiciones internas del digestor. Paralelamente se produce hidrogeno y dióxido de carbono. Esta etapa es realizada por las bacterias fermentativas.
• Acetogénesis
Existen dos procesos principales del metano, el ácido acético y el hidrógeno, de tal forma que los demás productos de la fase anterior deben ser necesariamente transformados a estos dos. Se realiza con las bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno y las consumidoras de hidrógeno.
• Metanogénesis
Es la etapa más importante del proceso, pues es en ella que se produce la remoción de la materia orgánica disuelta en el agua y la recuperación de la energía en forma de metano, y adicionalmente porque del correcto equilibrio entre esta etapa y las anteriores depende la estabilidad del proceso. Esta etapa la realizan las bacterias metanogénicas.
En un digestor, la conversión de los fangos orgánicos y de los residuos se lleva a cabo mediante la acción conjunta de diferentes organismos anaerobios. Un grupo de microorganismos se ocupa de la hidrolización de los polímeros orgánicos y de los lípidos para formar elementos estructurales básicos como los monosacáridos, los aminoácidos y los compuestos relacionados con estos. Un segundo grupo de bacterias anaerobias fermenta los productos de la descomposición para producir ácidos orgánicos simples, de los que se presenta con mayor frecuencia en los digestores orgánicos es el ácido acético. Un tercer grupo de microorganismos convierte el hidrógeno y el ácido acético, originado por las bacterias formadoras de ácidos, en gas metano y dióxido de carbono.
El proceso anaerobio se ve influenciado por algunos parámetros que, a fin de cuentas, regulan el mecanismo por el cual la materia orgánica compleja es descargada a los compuestos más sencillos y estables, convirtiéndose así en variables de control en la puesta en marcha y operación del digestor. Los más importantes son:
• pH
Es un parámetro de control muy importante en el proceso anaerobio, ya que su valor puede influir en la actividad de diferentes microorganismos presentes en la digestión anaerobia. Se recomienda generalmente un rango de pH entre 6 y 8. El pH de una fermentación resulta principalmente de la reacción de productos del metabolismo ácidos o básicos y del sistema tampón. El tampón más importante de una fermentación de metano es el sistema CO2/HCO3. El CO2 se disuelve en agua, con formación parcial de ácido carbónico que
luego se disocia en HCO3-/H+.
O H HCO OH CO H CO H HCO H CO CO CO g disuelto 2 3 3 2 3 3 2 2 ) ( 2 ) ( 2 + ↔ + + ↔ ↔ + ↔ ↔ − − − +
El ácido carbónico reacciona con iones hidróxilos que proceden de la reacción de amoniaco generado en la degradación de las proteínas.
Las causas de descensos del pH son, entre otras:
• Aumento repentino de la carga
• Incremento en la toxicidad de la materia prima
• Cambio súbito de la temperatura
En los diferentes grupos de microorganismos se tienen diferentes pH; las bacterias hiodrolíticas operan mejor entre pH de 7.2 y 7.4, las acetogénicas en pH debajo de 6.5 disminuye la actividad metanogénica y solo persiste la actividad de los otros grupos, pero limitada. A un pH menor de 4.5 cesa toda actividad microbiana.
• Temperatura
Según la temperatura presente en el digestor, la fermentación anaerobia puede dividirse de acuerdo al trabajo de las diferentes bacterias en las siguientes fases y rangos de temperatura[3]:
• Fermentación psicrofílica: (10-20 °C)
• Fermentación mesofílica (20-50°C)
• Fermentación termofílica (50-60°C)
La mayoría de las bacterias que participan en la generación de metano tiene una temperatura óptima en el rango mesofílico de 33-45°C. Esto significa que una gran parte de las bacterias metanogénicas siempre vivirán a temperaturas menores que su temperatura optima.
• Sustancias de influencia
Estas son sustancias producidas durante la fermentación o introducidas al sistema:
• Antiácidos y desinfectantes
Estos son muy perjudiciales para el proceso, por tal razón se debe evitar al máximo su ingreso al digestor anaerobio, ya que pueden causar severos daños en la flora bacteriana.
• Ácido sulfhídrico
Este se forma por la descomposición de la materia orgánica que contiene azufre por la reducción de sulfitos y sulfatos minerales. No se forma en presencia de un abundante suministro de oxígeno. Se trata de un gas incoloro, inflamable, que tiene olor característico de huevos podridos. El ennegrecimiento del agua residual y del fango se debe generalmente a la formación de sulfuro de hidrógeno que se combina con el hierro presente para formar sulfuro ferroso (SFe). Aunque el sulfuro de hidrógeno es el gas formado más importante desde el punto de vista de los olores, pueden formarse otros compuestos volátiles, tales como el indol, escatol y mercaptanos durante la descomposición anaeróbica que pueden producir olores peores que el del sulfuro de hidrógeno.
• Amoníaco
Es otro agente inhibidor potencial del proceso anaerobio y se encuentra en equilibrio químico con el ión amonio de mayor capacidad tóxica. Este es generado por la actividad de las bacterias proteolítica que degradan la proteína sostenida en el sustrato. Cuando el amoniaco se presenta en ciertas concentraciones es tóxico para las bacterias. La capacidad toxicidad no solamente depende de la concentración absoluta en el sustrato, sino también de la adaptación de las bacterias, del pH y otros factores. Por lo general en el alcance de 1500-1300 mg/L de NH4+ (a un pH > 7.4) se debe contar con una concentración inhibitoria
de NH3, a concentraciones mayores el ión amonio por si mismo ya es tóxico.
• Ácidos grasos volátiles
Son generados en el transcurso de la fermentación por el trabajo de las bacterias fermentativas y acetogénicas, pero existen sustratos que ya tienen un contenido alto de ácidos grasos volátiles. Aunque son productos del metabolismo, en concentraciones elevadas ellos provocan una inhibición del proceso. Es decir en el caso de la actividad demasiado alto de las bacterias fermentativas o muy bajas de las acetogénicas y metanogénicas puede subir la concentración de ácido acético, propiónico, butírico, etc. A un pH apropiado de 6.8 las concentraciones mayores a 3 mg/L de AGV pueden ser tóxicas, a más de 10 g/L se paraliza la producción de metano. La manera mas practica para determinar la concentración de AGV es por la medida de la alcalinidad.
• Alcalinidad
La medida de la alcalinidad indica la capacidad tampón del medio y por tanto, sobre la resistencia del pH a variar en función de las anomalías de operación. Se recomienda operar a valores superiores a 3 g/L de HCO3- por lo que cuando se tiene un efluente de bajo poder
• Nutrientes
Las bacterias necesitan principalmente carbono y nitrógeno para vivir; también necesitan pequeñas cantidades de sodio, calcio, potasio, fósforo, cinc y hierro. Primordial es la relación en la cual se encuentra el carbono y el nitrógeno, pues por lo general los otros nutrientes se encuentran en cantidades suficientes. Se recomienda una relación de C/N de 16:1 y una proporción máxima de 45:1.
• Biogás
El biogás se compone mayoritariamente de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), que
en dependencia del sustrato puede alcanzar valores entre 60 a 90% de metano, obteniendo además otros gases generalmente en concentraciones de trazas, entre los que se encuentran: Sulfuro de hidrogeno (H2S), nitrógeno (N2), hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO).
La DQO eliminada de la corriente de entrada, excepto la destinada al crecimiento celular, se recupera en forma de biogás. Por ello la medida del caudal y su composición del biogás producido es un excelente indicador de la eficiencia del sistema. Un aumento importante de la concentración de dióxido de carbono o un descenso en la proporción de metano es indicativo de variaciones simultáneas en el pH y alcalinidad del líquido y anuncia un proceso de acidificación avanzada.
5.5.3.2.- Tratamiento aeróbico
En los procesos aeróbicos la estabilización de los residuos se consigue mediante microorganismos aerobios y facultativos, quienes utilizan el oxígeno para descomponer la materia carbonácea orgánica. Los productos finales de la descomposición aerobia son: el dióxido de carbono, nitratos, sulfatos, agua y material celular, siendo estos productos muy estables ya que toda la energía del sustrato es utilizada en el crecimiento de los microorganismos.
A menudo se necesita garantizar el ambiente aerobio. Esto se logra mediante el uso de aireación artificial por medio de difusores u otros sistemas mecánicos. Los procesos aeróbicos mas frecuentemente utilizados en el tratamiento de aguas residuales son los fangos activados, filtros percoladores y estanques de estabilización aeróbicas.
5.6.- ETAPAS TÍPICAS DE UN TRATAMIENTO INDUSTRIAL
Según el grado de tratamiento, un sistema de tratamiento de aguas residuales consiste de las siguientes etapas: tratamiento preliminar, tratamiento primario, tratamiento secundario y tratamiento terciario.
A continuación se describen las etapas de tratamientos y los equipos y sistemas respectivos.
5.6.1.- Tratamiento preliminar
El tratamiento preliminar es una operación física ya que se emplea para separar sólidos de gran tamaño, sólidos suspendidos y flotantes, grasas, y compuestos orgánicos volátiles. 5.6.1.1.- Objetivos del tratamiento preliminar
materiales flotantes, que se encuentran en el agua residual cruda y que pueden ocasionar problemas o bajar la eficiencia en las siguientes etapas del tratamiento, específicamente en tuberías y equipos de bombeo, filtración, aireación, etc. Las operaciones del tratamiento preliminar incluyen la remoción de partículas gruesas, natas flotantes, eliminación del material inerte como piedra, arena y ceniza, así como la determinación de las condiciones hidráulicas del afluente al sistema. En este proceso se incluyen los siguientes equipos: rejillas, tamices, desarenadores, tanques de homogeneización.
5.6.1.2.- Equipos utilizados en el tratamiento preliminar
• Rejillas
Son aquellos tipos de enrejado que se utilizan para la separación de sólidos gruesos y se ubican transversalmente al flujo. Al pasar el agua el material grueso queda detenido en el enrejado y debe ser retirado manualmente o con dispositivos mecánicos adecuados. Dependiendo del espacio libre entre las barras de las rejillas, se pueden distinguir entre rejillas para material grueso y rejillas para material fino. Debido a que las rejillas suelen estar ubicadas en el canal de ingreso, el retiro continuo del material atrapado constituye una función clave para mantener el funcionamiento ininterrumpido de la planta.
• Tamices
Los primeros tamices eran de disco inclinado o de tambor, y se utilizaban como mecanismo de separación estos consistía en placas de bronce o de cobre con ranuras fresadas. Los tamices se adaptan especialmente para aplicaciones industriales en el caso de sustancias finas, posibles de tamizar. En algunos casos, se puede recuperar de este modo, materiales útiles.
• Desarenadores
Los desarenadores tienen la finalidad de sedimentar las partículas minerales cuyo tamaño varían entre 0.2 y 2.0 mm, que están presentes en las aguas residuales, con el objetivo de proteger las unidades de tratamientos que están aguas abajo contra la acumulación de arena, detrito y otros materiales inertes, también para evitar el desgaste de las bombas. Existen dos tipos generales de desarenadores [9]:
− Desarenador de Flujo horizontal
Atraviesa el desarenador en dirección horizontal, y consiste en un canal por el que circula el agua a velocidad comprendida entre 20 y 40 cm/s, a esta velocidad se produce la sedimentación de las arenas, que se recogen en el fondo del canal, bien de forma manual o mecánica, la velocidad rectilínea del flujo puede ser controlada mediante las dimensiones de la instalación o el uso de secciones de control provistas de vertederos especiales situados en el extremo de aguas abajo del tanque.
− Desarenador de tipo Aireado
Consiste en un tanque de aireación con flujo espiral, en el que la velocidad es controlada por las dimensiones del tanque y la cantidad del aire suministrado al mismo. La velocidad de la rotación transversal o la agitación determina el tamaño de las partículas de peso específico dado que serán eliminadas. Si la velocidad fuese demasiado grande, la arena
será arrastrada fuera del tanque y, si fuese demasiado pequeña, habrá materia orgánica que se depositara junto con la arena. Con el debido ajuste, se obtendrá una eliminación de casi el 100% y la arena quedara bien lavada. El agua residual se desplaza a través del tanque siguiendo una trayectoria helicoidal y pasa dos o tres veces por el fondo del tanque a caudal máximo, e incluso más veces con caudales menores. El agua residual deberá introducirse en dirección transversal al tanque. La perdida de carga requerida por este tipo de tanque es mínima.
5.6.2.- Tratamiento primario
5.6.2.1.- Objetivos del tratamiento primario
El objetivo del tratamiento primario es remover a través de los procesos de sedimentación, coagulación, precipitación y flotación, contaminantes que se pueden sedimentar, como sólidos sedimentables y suspendidos y aquellos que puedan flotar, como son las grasas, aceite y espuma. Cierta cantidad de nitrógeno orgánico, fósforo orgánico, gérmenes patógenos y metales pesados asociados con sólidos son también removidos durante esta etapa de tratamiento, pero los constituyentes coloidales y disueltos no son afectados. Entre los diferentes tipos de tratamiento primarios se encuentran, trampa de grasa aireado, sistema de flotación acelerada, tanque de sedimentación primario, tanque Imhoff, etc. 5.6.2.2.- Equipos utilizados en el tratamiento primario
• Trampas de grasas
Consisten en un deposito dispuesto de tal manera que la materia flotante (aceite, grasa, jabón, etc.) ascienda y permanezca en la superficie del agua residual hasta que se recoja y elimine, la mayoría de los separadores de grasas son rectangulares o circulares y están provistos para un tiempo de retención de 1 a 15 minutos. La salida, que está sumergida, se halla situada en el lado opuesto a la entrada y a una cota inferior a ésta para facilitar la flotación y eliminar cualquier sólido que pueda sedimentarse.
• Equipo de flotación por disolución de aire (DAF)
Los sistemas de flotación acelerada se utilizan cuando los sólidos en las aguas residuales sedimentan deficientemente o no llegan a hacerlo, debido a su bajo peso especifico. A algunas sustancias se les puede hacer flotar en forma natural, reduciendo la velocidad del flujo, sin embargo, otras solo flotan con la adición de compuestos químicos o burbujas de aire. La flotación por disolución de aire no es más que el impulso ascendente de sustancias no disueltas, provocadas por burbujas de aire que se adhieren a la superficie de una suspensión. Para garantizar la flotación debe contarse con una aireación adecuada y asegurarse que las burbujas de aire se adhieran a las partículas suspendidas; para ello se reduce la tensión superficial del agua mediante la adición de aglomerantes, consiguiéndose así la formación de una espuma más nítida. Algunos sistemas de flotación tienen un proceso de generación de espuma antes de flotación en sí, en este caso, se añade aire y agentes floculantes o espumantes al agua antes que pase al estanque de flotación.
En la mayoría de los casos, el sistema de flotación es utilizado para tratar el agua que contiene aceites, grasa, sólidos suspendidos, fibras e incluso arenas. De esta forma se logran separar algunos residuos utilizables en la planta de subproductos, además de una reducción de la carga contaminante mediante la separación de sustancias coloidales suspendidas, reduciendo simultáneamente el valor de la DBO5.
• Tanques de sedimentación primaria[9]
Tiene como finalidad sedimentar los sólidos fácilmente sedimentables y el material flotante, por tanto, reducir el contenido de sólidos suspendidos. Cuando se utilizan como único medio de tratamiento, estos tanques sirven para la eliminación de sólidos sedimentables capaces de formar depósitos de fango en las aguas receptoras y de gran parte de las materias flotantes. Si se emplea como paso previo a un tratamiento biológico, su función es reducir la carga en las unidades de tratamiento biológico.
Los fangos de sedimentación primaria que estén proyectados y operados eficazmente, deberán eliminar del 50 al 65 % de los sólidos suspendidos, del 25 al 40 % de la DBO5.
Los tanques de sedimentación se diseñan actualmente basándose en la carga superficial para el caudal medio, expresada en metros cúbicos por día y por metro cuadrado del área horizontal. La elección de la carga idónea depende del tipo de suspensión a separarse. El efecto de la carga de superficie y del tiempo de retención en la eliminación de los sólidos suspendidos varía mucho según el tipo de agua residual, proporción de sólidos sedimentables, concentración de sólidos, así como otros factores. Las cargas de superficies que se utilizan en la actualidad dan como resultado tiempos nominales de retención de 2 a 2.5 horas para el caudal medio del proyecto.
El volumen de fango producido en los tanques de sedimentación dependerá: de las características del agua residual sin tratar, incluyendo su edad e intensidad, del periodo de sedimentación y el grado de tratamiento que se vaya a realizar en los tanques, del estado de los sólidos sedimentados, incluyendo el peso especifico, el contenido de agua y cambios de volumen producidos bajo la influencia de los dispositivos mecánicos de eliminación del fango o de la profundidad del tanque, y del periodo de tiempo transcurrido entre las operaciones de extracción de los fangos.
5.6.3.- Tratamiento secundario
5.6.3.1.- Objetivos del tratamiento secundario
Se emplean en procesos biológicos - químicos, cuyo objetivo es eliminar la mayor parte de la materia orgánica, gérmenes, patógenos y nutrientes como nitrógeno y fósforo, a través de los procesos bioquímicos en los cuales los microorganismos son los responsables para la biodegradación. Los microorganismos pueden ser de tipo aeróbicos, anaerobios o facultativos (combinación de aeróbicos y anaerobios). Existen diferentes tipos de tratamiento secundario los cuales se distinguen en sistemas anaerobios, aerobios y facultativos, según los procesos aplicados, y que pueden ser combinados para lograr un mayor grado de remoción de contaminantes. Entre los más usados en Nicaragua se encuentran: Lodos activados, filtros percoladores, lagunas de estabilización, biofiltros, filtros anaerobios, etc.
5.6.3.2.- Equipos utilizados en el tratamiento secundario
• Digestor anaerobio
Existen muchos tipos de digestores anaerobios, sin embargo todos ellos comparten características invariables; consisten en depósitos cerrados herméticamente, son construidos con techo en forma de domo donde se deposita el biogás, poseen deflectores o sistemas de agitación y se construyen con purgas para la evacuación periódica de los lodos
generados en su interior. Las diferencias entre los tipos de digestores radican principalmente en la forma de alimentación, su geometría, tiempo de retención, recirculación, la utilización de lechos filtrantes, características de operación entre otros.
− Sobrecargas orgánicas / choques térmicos[15]
Un incremento de carga orgánica o una disminución térmica, provoca una disminución en la actividad de los microorganismos implicados y, por ende, un aumento en la relación carga orgánica y actividad microbiana. Por ellos los efectos finales sobre el reactor suelen ser similares o estar en dependencia del sustrato utilizado, tipo de reactor y rango de temperatura de operación. El fenómeno más importante y temido es el de acidificación total del digestor, el cual se ha esquematizado en una serie de síntomas previos que se presentan a continuación:
a) Aumento de la concentración de hidrógeno y gases trazas, como el CO, debido a la
imposibilidad de los microorganismos hidrogenófilos, y en su caso los sulfatos y nitratos reductores, de metabolizar el hidrógeno reducido en exceso por los microorganismos acidogénicos.
b) Acumulación de Ácidos Grasos Volátiles (AGV), principalmente ácido butírico
(HnBu) y ácido propiónico (HPr) en un primer momento. Este fenómeno trae con sigo la disminución de alcalinidad de bicarbonatos, aumentando la relación de alcalinidad intermedia/ alcalinidad total (factor de alcalinidad). Se produce además una síntesis y posterior acumulación de ácidos de cadena más larga, apareciendo también compuestos ramificados. Si se trata de una sobrecarga orgánica los casos a y b van acompañados de un incremento en la producción de biogás.
c) Se agota la reserva alcalina de bicarbonato, observándose por tanto un momento en la concentración de CO2 en gas y una disminución apreciable del pH.
d) Por el efecto combinado pH-concentración de AGV se inhibe la actividad de las
bacterias metanogénicas acetoclastas, aumentando en mayor proporción la concentración de acetato, obteniéndose como resultado final del ciclo el cese de la metanogénesis y una disminución final del pH, momento en el que se dice que el reactor está acidificado.
Las acciones a emprender están basadas en tratar de restablecer la relación carga / actividad de microorganismos, por lo que algunas de las medidas posibles serán; cargar el digestor con lodos activos adicionales (proceso conocido como doping), aumenta temporalmente la temperatura (en el caso de que no se opere en un optimo superior), disminuir la carga orgánica o caudal de alimentación o proceder a una dilución del afluente. Las diferentes actuaciones no son equivalentes, pues la segunda medida favorece un lavado del sistema sobre todo si este no dispone de un proceso de retención eficaz de la biomasa.
− Sobrecarga hidráulica[15]
La sobrecarga hidráulica consiste en la alimentación del sistema a un caudal superior al del diseño, y está vinculado muchas veces con una sobrecarga orgánica. Los efectos que puedan observarse son similares de los antes explicados aunque, si los procesos de retención de la biomasa no funcionan adecuadamente, pueden producirse afectaciones del sistema al ser eliminadas una parte significativa de su biomasa.
− Inhibidores
Por accidente o por mala operación en la planta de proceso donde se generan las aguas residuales pueden entrar sustancias inhibitorias al sistema de tratamiento. Dependiendo de los efectos que ejercen, pueden ser considerados como inhibidor metabólico, inhibidor fisiológico o bactericida.
Aunque en el primer momento los efectos que se observan pueden ser similares, la perdida de actividad del sistema y los efectos a medio y largo plazo son muy diferentes. Así, los compuestos del primer tipo causan una inhibición reversible, recuperándose la actividad bacteriana original una vez que el compuesto haya desaparecido del medio.
Los inhibidores fisiológicos mantienen sus efectos durante algún periodo posterior, ya que afectan a componentes subcelulares de las bacterias. Los agentes bactericidas ejercen una acción catastrófica ya que causan la muerte de una gran parte de la flora microbiana.
• Filtro anaerobio[7]
Es una técnica en la cual se realiza un proceso biológico de depuración en ausencia de oxígeno molecular disuelto. El filtro se basa en la posibilidad de lograr una alta concentración de biomasa o microorganismos en el interior de un reactor, esto se alcanza a través de los siguientes mecanismos: Adhesión de microorganismos a un medio de soporte, formando una película biológica y atrapamiento de flóculos bacterianos en los intersticios del material que rellena el filtro percolador.
El filtro percolador es una cámara en la cual se coloca el soporte o relleno (medios filtrantes), para favorecer la filtración. De acuerdo a las características del líquido residual a tratar existen diferentes combinaciones en las que se mencionan:
¾ Flujo ascendente y lecho ordenado ¾ Flujo ascendente y lecho desordenado
¾ Flujo descendente y lecho ordenado
¾ Flujo descendente y lecho desordenado
El filtro cuando el relleno es desordenado con flujo ascendente; el filtro anaerobio retiene la biomasa en suspensión por lo que el proceso puede ser considerado como una combinación de un lecho de lodos y un lecho fijo.
− Operación del filtro anaeróbico y características ambientales
El efluente pasa por un proceso de tamizado, con el objetivo de separar los sólidos en suspensión, y así evitar posibles obstrucciones en el lecho filtrante o material de soporte, corto circuitos o desviación del flujo ideal. El efluente se introduce al reactor mediante un sistema sencillo de distribución de la alimentación (canales, tuberías, etc.). Entre los materiales usados en el soporte del filtro anaerobio se tiene: piedra, anillo de cerámica o plástico, fragmentos arcillosos y materiales porosos. El material de soporte se coloca disperso para evitar la formación de caminos preferenciales, evitando de esta forma las zonas muertas.
Es importante que el filtro o soporte posea una alta superficie y una amplia relación entre vacíos que permitan un mayor contacto entre la capa biológica y el agua residual. Se recomienda un periodo de retención de 12 a 24 horas. El filtro anaerobio puede utilizarse
en procesos de recirculación cuando las entradas de cargas orgánicas son considerables, así como las variaciones del pH en el afluente. En el proceso de digestión anaerobia se produce biogás, el cual es altamente volátil, por lo que puede se usado como fuente de energía. La elevada concentración de microorganismos dentro del reactor permite que puedan alcanzar bajos tiempos de retención hidráulica y altas eficiencias. La actividad óptima se sitúa alrededor de los 35°C. Se puede trabajar a valores de pH entre 6 y 8 sin pérdidas significativas de actividad metanogénica. Se agota la reserva alcalina de bicarbonato, observándose por tanto un aumento en la concentración de CO2 en el gas y
una disminución apreciable del pH.
− Ventajas y desventajas de los filtros anaerobios
Entre las ventajas se puede mencionar: elevada capacidad de tratamiento, apto para diferentes aguas residuales, requiere poca superficie y son resistentes a fluctuaciones de carga orgánica aplicada.
Como desventajas se tiene: Puesta en marcha muy lenta, riesgo de oclusiones, se limitan a aguas residuales con poco sólidos suspendidos, sensibles a altas concentraciones de calcio y elevado costo del medio filtrante.
Figura 5.6.3.2.-a: Esquema de un filtro Anaeróbico de Flujo Ascendente (FAFA)
1- Entrada del afluente. 2- Salida del efluente. 3- Salida del gas. 4 – Salida del lodo. 5-Relleno.
• Biofiltros[1]
El biofiltro es un filtro biológico que utiliza un lecho filtrante de grava o piedra volcánica, sembrado en su superficie con plantas de pantano y atravesado de forma horizontal o vertical con aguas residuales pretratadas. Este ambiente sostenedor y promotor de la vida microbiana se mantiene principalmente gracias a la presencia de dos ciclos naturales mayores: el del agua como fuente de abastecimiento y el del carbono como nutriente. También puede añadirse como indispensables los ciclos del nitrógeno, del fósforo, del
azufre y de otros elementos, ya que las fuentes de nutrientes orgánicos y los microorganismos poseen esos elementos en distintas concentraciones.
Este tipo de sistema resulta ser efectivo en el tratamiento secundario de aguas residuales, funcionando automáticamente y sin gastos para suministros de energía, aplicación de aditivos químicos o control instrumentado. El sistema no tiene piezas móviles o partes de tecnología avanzada, por eso el mantenimiento y/o reparaciones no es costoso ni exigente.
− Funcionamiento
Las bacterias, responsables para la degradación de la materia orgánica, utilizan la superficie del lecho filtrante para la formación de una película bacteriana y de esta manera existe una población bastante estable que no es arrastrada hacia la salida del sistema. El suministro del oxígeno de la atmósfera al subsuelo en el biofiltro se realiza a través de las raíces de plantas de pantano, formándose alrededor de las raíces una población de bacterias aeróbicas. Las plantas aportan oxígeno atmosférico a la rizósfera a través de las hojas, tallos y rizomas. El agua residual se trata así aeróbicamente por la actividad microbiana en la rizósfera y anaerobiamente en los poros de las piedras del lecho filtrante.
− Descripción del biofiltro de flujo horizontal
El biofiltro de flujo horizontal consiste de pilas rectangulares con profundidades que oscilan entre 0.6 y 1m, rellenados con grava o piedras volcánicas y sembradas con plantas de pantano. En este tipo de sistemas de aguas residuales fluyen lentamente, desde su distribución a la entrada de la pila, a través del lecho filtrante en una trayectoria horizontal hasta que llegan a la zona de recolección y salida del efluente. Durante este recorrido que dura normalmente varios días, el agua residual esta en contacto con zonas aeróbicas y anaerobias, de las cuales las zonas aeróbicas están ubicadas alrededor de las raíces y rizomas (tallos subterráneos) de las macrófitas, y las zonas anaerobias están ubicadas en las áreas lejanas a los rizomas donde las bacterias anaerobias usan las piedras del lecho filtrantes como base para el desarrollo de la película bacteriana.
Durante el paso del agua residual a través de las diferentes etapas de tratamiento, es depurada por la degradación microbiológica y procesos físicos-químicos para mantener la eficiencia del sistema durante muchos años y evitar la obstrucción de los poros del lecho filtrante por lo que se necesita un pretratamiento eficiente, que incluye la separación del material grueso, nata flotante y sólidos sedimentables y suspendidos, a través de una rejilla, un desarenador y un tanque de sedimentación (tanque Imhoff, tanque séptico de 2 ó 3 cámaras).
− Características principales del biofiltro de flujo horizontal
1.- La cantidad de oxigeno transportado por medio de las hojas y tallos hacia las raíces de las macrófitas, es un factor limitante para la descomposición aeróbica en la rizósfera, dándose la nitrificación solo a niveles bajos.
2.- Las raíces de las macrófitas crecen vertical y horizontalmente, abriendo así una vía o ruta hidráulica a través de la cual fluye el agua.
3.- Los sistemas de este tipo varían dependiendo de las siguientes condiciones: topografía y pendiente del terreno donde se construye la planta de tratamiento, disposición y tipos de
los materiales locales de construcción, selección de las obras para la distribución y recolección de las aguas residuales y selección de plantas de pantano a sembrar.
4.- El tiempo de retención oscila en el rango de 3 a 7 días, en dependencia del grado deseado de remoción de microorganismos patógenos.
Figura 5.6.3.2.-b: Esquema de un Biofiltro de flujo horizontal utilizado en Nicaragua[1]
• Lagunas de estabilización [2,8]
El termino lagunas de estabilización se describe como un estanque construido de tierra, de profundidad reducida (< 5m), diseñados para el tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales, por medio de la interacción de la biomasa, materia orgánica de desecho y otros procesos naturales. La finalidad de este proceso es entregar un efluente de características múltiples establecidas.
Existen varias formas de clasificar las lagunas; de acuerdo con el contenido de oxígeno pueden ser: anaerobias, aeróbicas y facultativas. Si el oxígeno es suministrado artificialmente con aireación mecánica o aire comprimido se denominan lagunas aireadas. De acuerdo con el lugar que ocupan, con relación a otros procesos, las lagunas pueden clasificarse como primarias o de aguas residuales crudas, secundarias si reciben efluentes de otros procesos de tratamiento y, de maduración si su propósito fundamental es reducir el número de microorganismos patógenos.
• Lagunas anaerobias
Este proceso de tratamiento opera bajo una condición de ausencia de oxígeno libre y esta caracterizado por el empleo de una alta carga orgánica y por consiguiente un corto periodo de retención. El aspecto físico de estas lagunas es de coloración gris o negra, cuando por efecto de una carga adecuada, presentan condiciones de fermentación de la materia orgánica. Sin embargo se han observado lagunas diseñadas como anaeróbicas que en la etapa de operación inicial y con cargas reducidas, no han llegado a establecer las
Cuerpo de piedra gruesa de
φ 2” - 4” para drenaje del efluente
Al cuerpo receptor o riego agrícola
Nivel del agua
Capa impermeable de arcilla compactada
Tubería de drenaje
Caja de recolección Macrófitas
Canal de distribución del afluente al Biofiltro
Lecho filtrante de piedrín o escoria volcánica Cuerpo de piedra
gruesa (2” - 4”) 100 cm
Nivel del lecho filtrante
condiciones anaeróbicas y presentan una coloración rosada, lo cual es característico de la presencia de bacterias del sulfuro.
Las lagunas anaerobias pueden ser usadas por una primera etapa en el tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales y presentan una serie de factores positivos y negativos que tienen que ser considerados antes de su uso.
Entre las ventajas podemos mencionar: bajos costos debido a que los requerimientos de área son reducidos, son aptas para tratar altas concentraciones y son empleadas con éxito en el tratamiento de una variedad de desechos industriales biodegradables.
Como desventajas se tienen que el proceso es muy sensible a factores ambientales y operativos como: temperatura, variaciones bruscas de carga y de pH, lo cual reduce su eficiencia produciendo un efluente de mala calidad. La acumulación de natas presenta un aspecto desagradable y condiciones estéticas desfavorables, lo cual normalmente incide en el mantenimiento. El efluente del proceso tiene un alto contenido de materia orgánica y color, lo que hace necesario una siguiente fase de tratamiento. Los malos olores ocasionales y sobre todo en los primeros años de la operación, con bajas cargas las hacen indeseables en la cercanía de viviendas, por lo que deben ser construidas a considerables distancias con límites urbanos. Debido a su reducida área la acumulación de sólidos es más rápida que en otros tipos de lagunas, lo cual produce una degeneración de la calidad del efluente y requiere de una limpieza de lodos mas frecuente.
• Lagunas facultativas[15]
Son estanques de 1.2 a 2 m. de profundidad y su contenido de oxígeno varía de acuerdo a la profundidad y la hora del día. Su ubicación como unidad de tratamiento en sistemas de lagunas puede ser como laguna primaria única o unidad secundaria después de lagunas anaeróbicas o aireadas.
El mecanismo característico de las lagunas facultativas ocurre en el estrato superior y corresponde a una simbiosis o comensalismo de bacterias aeróbicas y algas. Las bacterias heterotróficas descomponen la materia orgánica produciendo compuestos inorgánicos solubles y bióxidos de carbonos. La cantidad de oxígeno requerido para esta degradación es suministrada principalmente por el proceso de fotosíntesis. Las bacterias forman el oxígeno proveniente de las algas para la descomposición de la materia orgánica y estas a su ves lo producen a través del mecanismo de fotosíntesis, cuya reducción de producción se debe a la formación de CO2, NH3, PO4, H2O y otros compuestos simples.
En la laguna facultativa existen 3 zonas:
¾ Una zona superficial en las que existen bacterias aeróbicas y algas en una relación simbiótica.
¾ Una zona inferior anaerobia en la que se descompone activamente los sólidos
acumulados por la acción de las bacterias anaerobias.
¾ Una zona intermedia que es parcialmente aerobia–anaerobia en la que la
• Lagunas de maduración [2,5]
Son lagunas de escasa profundidad entre 0.8-1m, que reciben efluentes previamente tratados, de modo que la luz penetre totalmente y las condiciones aeróbicas se den en todo el estanque. La oxidación de las bacterias aeróbicas y la fotosíntesis de las algas, que proliferan en gran medida, son los principales procesos biológicos que se producen en ella. Según la OMS, un efluente de una laguna facultativa, con una DBO5 soluble de 50 a 70
mg/L, puede tratarse mediante una o más lagunas de maduración y reducírsele su DBO5
soluble a menos de 25 mg/L.
Las lagunas de maduración se construyen generalmente con tiempos de retención de 3 a 10 días cada una, mínimo 5 días cuando se usa una sola y profundidades de 1.0 a 1.5 metros. En la practica, el número de lagunas de maduración lo determinan el tiempo de retención necesaria, que permita alcanzar la remoción de coliformes fecales requerida.
• Lagunas de estabilización aireadas [5,15]
Una laguna aireada es un depósito en el que el agua residual se trata en la modalidad de flujo continuo sin o con recirculación de sólidos. La principal función en este proceso es la conversión de la materia orgánica. Normalmente se suele aportar oxígeno con aireadores superficiales o con sistemas de difusión de aire. Al igual que en otros sistemas de cultivo en suspensión, la turbulencia creada por los sistemas de aireación se utiliza para mantener en suspensión el contenido del depósito.
Dependiendo del tiempo de retención, el efluente de una laguna aireada puede contener entre un tercio y la mitad de la DBO5 afluente, en forma de tejido celular. La mayor parte
de estos sólidos se debe eliminar por decantación antes de la descarga del efluente (un tanque de sedimentación o un estanque suele ser elementos habituales en la mayoría de los sistemas de lagunaje). Si se realiza la recirculación de sólidos a la laguna, el proceso no presenta diferencia alguna con proceso de fangos activados modificado.
Se utilizan para reducir las sustancias orgánicas que contienen el desagüe crudo o tratado mecánicamente, en ves de oxígeno de las algas o de su incorporación natural de la atmósfera, se introduce aire en la laguna por medios mecánicos o distribuidores de aire. Un estanque de estabilización aerobia contiene bacterias y algas en suspensión, existiendo condiciones aeróbicas en toda su profundidad. Existen dos tipos básicos de estanques aerobios. En el primer tipo, el objetivo es maximizar la producción de algas, la profundidad de este tipo de estanques se suele limitar entre 15 y 50 cm.
El segundo tipo de estanque, el objetivo es maximizar la cantidad de oxígeno producido, y se emplean profundidades de hasta 1.5 m. En ambos tipos, el oxígeno, además del producido por las algas, penetra en el líquido por la difusión atmosférica. Para optimizar los resultados, es conveniente mezclar periódicamente el contenido de los estanques por medio de bombas o de aireadores de superficie.
En los estanques aerobios, la eficacia de la eliminación de la DBO5 es alta, situándose por
encima del 95%. Sin embargo, es necesario recordar que, aun cuando se halla conseguido eliminar la DBO5 soluble del agua residual a tratar, el alto contenido en algas y bacterias
• Sistemas de lodos activados
El lodo activado consiste en una masa floculenta de microorganismos, materia orgánica muerta y materiales inorgánicos; tiene la propiedad de poseer una superficie altamente activa para la absorción de materiales coloidales y suspendidos, a la cual debe su nombre de activado. El resultado final es una porción de materia orgánica, susceptible de descomposición biológica, convertida en compuestos inorgánicos y el resto transformada en lodo activado adicional.
El medio ambiental de un sistema de lodos activados puede considerarse un medio acuático, es colonizado por microorganismos muy variados, como bacterias, hongos, protozoos y metazoos pequeños; la agitación constante y la recirculación de los lodos hacen, sin embargo el medio inhóspito para la macro fauna acuática.
Básicamente, la comunidad de lodos activados puede ser muy variable y depende de: ¾ Naturaleza del suministro alimenticio
¾ Concentración del alimento
¾ Turbulencia
¾ Temperatura
¾ Tiempo de aireación
¾ Concentración de lodos
- Descripción del proceso
Las aguas residuales crudas fluyen en el tanque de aireación con su contenido de materia orgánica (DBO5) como suministro alimenticio. Las bacterias metabolizan los residuos
produciendo nuevas bacterias utilizando oxigeno disuelto y liberando dióxido de carbono. Los protozoos consumen bacterias para obtener energía y reproducirse. Una porción del crecimiento bacterial muere, liberando su contenido celular en la solución para una nueva síntesis en células microbiales. La mezcla líquida, aguas residuales con floc biológico en suspensión, es separada en un sedimentador; se recircula floc sedimentado continuamente al tanque de aireación y se descarga el efluente clarificado. El sistema de lodos activados es un proceso estrictamente aerobio, ya que el floc microbial se mantiene siempre en suspensión en la mezcla aireada del tanque, en presencia de oxígeno disuelto. La transferencia de oxígeno ocurre en dos etapas, las burbujas de aire se crean, mediante aire comprimido, a través de un difusor o por medio de aireación mecánica, para introducir oxigeno en el líquido mediante mezcla turbulenta.
• Sistema convencional de lodos activados
Los lodos recirculados y el agua residual proveniente del sedimentador primario, si lo hay, entra en el tanque de aireación, donde son aireados y mezclados a medida que la mezcla líquida (lodos + agua residual) fluye a lo largo del tanque. Los microorganismos estabilizan aeróbicamente la materia orgánica en el tanque de aireación y fluye el sedimentador secundario donde el floc biológico es separado del agua residual dejando un efluente claro de bajo contenido orgánico. Una porción de los lodos es recirculada al tanque de aireación como simiente y el exceso, enviado al sistema de tratamiento y disposición de lodos.
