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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
DETERMINACIÓN DEL EFECTO DE LA VELOCIDAD DE FLUJO ASCENSIONAL Y LA CONCENTRACIÓN DE LOS SÓLIDOS SUSPENDIDOS EN
EL CRECIMIENTO DE LOS GRANOS EN UN REACTOR RAFA
Tesis
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO AMBIENTAL
Presentado por:
CAMPOS HUAMAN, Ruth Yulisa CUSI VARGAS, Yanet
HUANCAYO, PERÚ 2021
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ASESOR:
Dr. ORLANDO VILCA MORENO CO-ASESOR:
Ms. EVER F. INGARUCA ALVAREZ
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DEDICATORIA
Dedico esta investigación a mi madre, Juanita, mi soporte;
quien me impulsa con su comprensión, su paciencia y motivación para lograr mis objetivos y desarrollarme como profesional y a mi padre, Cesar, que con su sacrificio me brinda la oportunidad de desarrollarme profesionalmente.
Asimismo a mis hermanos por su apoyo y a Bryam por todo el esfuerzo en el desarrollo de esta investigación.
Yanet
A Felisa, mi madre, quien con su apoyo incondicional, su amor, y su esfuerzo me motiva a continuar luchando por mis objetivos. A Saturnino, mi padre, quien con esfuerzo y arduo trabajo me da la oportunidad de ser profesional. A mi hermano Alex por su compañía y ser la fuente de alegría durante este tiempo.
Ruth Yulisa
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AGRADECIMIENTO
Dios, tu amor, bondad, paciencia y conocimiento no tienen fin, gracias por guiarnos en la investigación desarrollada.
Agradecer a la Universidad Nacional del Centro del Perú por brindarnos la oportunidad de ser parte de esta prestigiosa institución, a la facultad de Ingeniería Química y sus docentes por brindarnos conocimientos y valores.
A nuestro asesor Dr. Orlando Vilca Moreno, quien nos brindó su guía y apoyo durante todo el desarrollo del trabajo de investigación y en los experimentos realizados
Al Ms. Ever Florencio Ingaruca Álvarez, por compartir sus conocimientos y darnos las facilidades dentro del laboratorio de Nanotecnología de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
Al Dr. Emilio Fredy Yavar Villanueva de la Facultad de Ingeniería en Industrias Alimentarias – UNCP, por permitirnos realizar nuestros experimentos complementarios dentro del laboratorio a su cargo.
Gracias a nuestro familiares, por su comprensión, inmensa bondad, paciencia y apoyo total en el desarrollo de nuestra investigación.
5 RESUMEN
El crecimiento de la población en ciudades como Huancayo, va acompañado de un incremento del volumen de las aguas residuales municipales con alta carga de sólidos suspendidos.
Las aguas pluviales arrastran sólidos como arena, arcilla, entre otros materiales suspendidos que afectan a los tratamientos de depuración de aguas residuales municipales existentes.
En el presente trabajo de investigación se determinó el efecto de la velocidad del flujo ascensional y la concentración de los sólidos suspendidos en el crecimiento de los granos (agregados de microorganismos) en un Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (RAFA).
Se inicia con la caracterización de los sólidos suspendidos (arcilla caolinita), utilizando el EDS (Espectrometría de Energía Dispersiva) acoplado al SEM se determinó su composición química, que fue de: SiO2 (83,17%), MgO (0,21%), Al2O3 (13,52%) y KBr (3,11%). Mientras que haciendo uso del equipo dispersión de luz dinámica (DLS), se determinó el diámetro de partícula, que resultó de 0,32 a 0,87 um.
La segunda etapa fue evaluar la influencia de la velocidad del flujo ascensional sobre la formación y el crecimiento de los granos, que consistió en trabajar con velocidades de flujo ascensional de 0,3; 0,6 y 0,9 m/h, controlados mediante una bomba peristáltica de alimentación y otra para la recirculación, midiéndose el tamaño del diámetro de grano semanalmente en el equipo SEM, resultando granos de 10,8; 13,05 y 11,6 um en promedio respectivamente.
En la última etapa se analizó la influencia de la concentración de sólidos suspendidos en la formación y el crecimiento de los granos, a tres diferentes concentraciones de: 212,5; 220; 280 mg SST/L. La concentración de sólidos suspendidos se controló en la alimentación y efluente, haciendo uso del analizador de sólidos suspendidos. Además mediante métodos estándar se
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determinó la concentración de sólidos suspendidos dentro del reactor, para finalmente medir el tamaño de granos con el equipo SEM, obteniéndose granos que varían de 7,6 a 12,91 um de diámetro de granos.
A una velocidad de flujo ascensional de 0,3 m/h, los lodos se sedimentan y se compactan impidiendo la formación y el crecimiento de granos, mientras que a una velocidad de flujo ascensional 0,9 m/h existe lavado de lodos. Así mismo las concentraciones altas frenan y alteran el crecimiento constante de granos. Por lo tanto se determina que a una velocidad de flujo ascensional de 0,6m/h y una concentración de sólidos suspendidos de 212,5 mg/L, se obtuvo un crecimiento de grano con diámetros de hasta 13,05 um. Estos granos presentaban estabilidad durante la operación con estas variables y el reactor mantuvo su eficiencia de remoción.
7 ABSTRACT
Population growth in cities like Huancayo is accompanied by an increase in the volume of municipal wastewater with a high load of suspended solids. Rainwater carries solids such as sand, clay, among other suspended materials that affect existing municipal wastewater treatment treatments.
In the present research work, the effect of the upward flow rate and the concentration of suspended solids on the growth of grains (aggregates of microorganisms) in an Upward Flow Anaerobic Reactor (RAFA) was determined.
It begins with the characterization of the suspended solids (kaolinite clay), using the EDS (Energy Dispersive Spectrometry) coupled to the SEM, its chemical composition was determined, which was: SiO2 (83.17%), MgO (0.21% ), Al2O3 (13.52%) and KBr (3.11%). While making use of the dynamic light scattering equipment (DLS), the particle diameter was determined, which resulted from 0.32 to 0.87 um.
The second stage was to evaluate the influence of the upward flow velocity on the formation and growth of the grains, which consisted of working with upward flow velocities of 0.3; 0.6 and 0.9 m / h, controlled by a peristaltic feed pump and another for recirculation, measuring the size of the grain diameter weekly in the SEM equipment, resulting in grains of 10.8; 13.05 and 11.6 mu on average, respectively.
In the last stage, the influence of the concentration of suspended solids on the formation and growth of the grains was analyzed, at three different concentrations of: 212.5; 220; 280 mg TSS / L. The concentration of suspended solids was controlled in the feed and effluent, making use of the suspended solids analyzer. In addition, the concentration of suspended solids within the reactor
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was determined by means of standard methods, to finally measure the size of grains with the SEM equipment, obtaining grains that vary from 7.6 to 12.91 um of grain diameter.
At an upward flow rate of 0.3 m / h, the sludge settles and compacts preventing the formation and growth of grains, while at an upward flow rate of 0.9 m / h there is sludge washing. Likewise, high concentrations slow down and alter the constant growth of grains. Therefore, it is determined that at an upward flow rate of 0.6m / h and a suspended solids concentration of 212.5 mg / L, grain growth was obtained with diameters of up to 13.05 um. These grains showed stability during operation with these variables and the reactor maintained its removal efficiency.
9 INTRODUCCIÓN
En la actualidad se buscan alternativas más eficaces para el tratamiento de aguas residuales municipales de bajo costo y que sean eficientes, por lo que existen múltiples antecedentes bibliográficos con respecto al estudio del reactor anaerobio de flujo ascensional, conocido también como UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket).
El tratamiento adecuado de agua residual municipal en un reactor RAFA, depende principalmente de la formación de los granos de los microrganismos anaerobios, que a su vez es afectado por la concentración de sólidos suspendidos, temperatura del tratamiento, la velocidad del flujo ascensional, pH, etc.
Durante el tratamiento de aguas residuales, un problema en zonas de fuerte precipitación pluvial es el incremento de sólidos suspendidos totales, estas pueden contener materiales arcillosos, como la caolinita que son arrastradas por las aguas de lluvia a las redes de alcantarillado y que pueden ocasionar una alteración en el proceso de tratamiento de las aguas residuales municipales. Con el fin de tomar precaución ante este problema en el tratamiento de ARM (Agua Residual Municipal), se realiza este trabajo de investigación de esta manera determinar hasta que concentraciones de sólidos en suspensión se puede lograr un crecimiento de grano, que favorezca al tratamiento de ARM utilizando un RAFA. Siendo así que la concentración de sólidos suspendidos sea una variable de estudio.
Otra de las variables en el tratamiento de aguas residuales municipales en reactores RAFA que se estudió, es la velocidad de flujo ascensional, debido a que interviene en la retención o lavado del lodo anaerobio. La velocidad de flujo ascensional es un factor restrictivo para calcular el volumen de reactor de diseño, para tratar aguas residuales con un alto contenido de sólidos suspendidos(Iñiguez-Covarrubias & Camacho-López, 2011).
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En el presente trabajo de investigación evaluaremos velocidad del flujo ascensional y la concentración de los sólidos suspendidos que afectan el crecimiento del grano en un reactor RAFA.
En el capítulo I, se hace una revisión de los antecedentes con relación a los objetivos de esta investigación y que ayudaron a determinar la metodología que fueron utilizadas en el presente de trabajo de investigación. También se menciona y describe conceptos a utilizarse como base teórica, menciona la concentración de los sólidos y sólidos en suspensión en agua, las características e información de la arcilla caolinita. Se indica también las aguas residuales municipales, sus elementos y su posterior tratamiento por proceso anaerobio en general, y específicamente utilizando reactores anaerobios de flujo ascendente. Así mismo las ventajas y desventajas del uso del RAFA, el diseño, características y etapas del tratamiento con este tipo de reactores. Finalmente las generalidades de la velocidad ascensional.
En el capítulo II, se desarrolla la parte experimental haciendo uso de los equipos y materiales del laboratorio de Nanotecnología de la Facultad de Ingeniería Química, de la Universidad Nacional del Centro del Perú. En esta etapa se detalla la evaluación de cada uno de los objetivos, los materiales, equipos y la metodología para determinar su efecto en el crecimiento de los granos. Finalmente en el capítulo III, se muestran y discuten los resultados para responder de acuerdo a los objetivos planteados.
11 OBJETIVOS Objetivo General:
Estudiar el efecto de la velocidad del flujo ascensional y la concentración de los sólidos suspendidos en el crecimiento de los granos en un reactor RAFA.
Objetivos Específicos:
Preparar el agua residual sintética con características de agua residual municipal y caracterizar los sólidos suspendidos de la arcilla caolín.
Evaluar el efecto de la velocidad del flujo ascensional sobre la formación y el crecimiento de los graos en un reactor RAFA.
Analizar el efecto de la concentración de sólidos suspendidos en la formación y el crecimiento de los granos en un reactor RAFA.
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SIMBOLOGÍA UTILIZADA TRH : Tiempo de residencia hidráulica (h)
Q : Caudal (ml/min)
STD : Sólidos totales disueltos (mg/L)
SST : Sólidos Suspendidos Totales (mgSST/L) DBO : Demanda bioquímica de oxígeno (mgDBO/L) DQO : Demanda química de oxígeno (mgDQO/L)
T : Temperatura (°C)
RAFA : Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente SEM : Microscopio Electrónico de Barrido COT : Carbono Orgánico Total
N : Nitrógeno total
Vasc : Velocidad ascensional
SSLM : Sólidos suspendidos de licor mezclado
SSVLM : Sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado AGV : Ácidos grasos volátiles
EPS : Sustancias Poliméricas Extracelulares ARM : Agua residual municipal
DLS : Dispersión de luz dinámica
EDAR : Estación depuradora de aguas residuales pH : Potencial de hidrógeno
D : Diámetro de granos
13 TABLA DE ÍNDICE
RESUMEN ...5
ABSTRACT ...7
INTRODUCCIÓN ...9
OBJETIVOS ...11
CAPÍTULO I: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ...18
1.1. Antecedentes de Investigación ... 18
1.2 Bases Teóricas ... 23
1.2.1. Sólidos suspendidos ... 23
1.2.2. Tratamiento Anaerobio ... 31
1.2.3. Crecimiento del Grano ... 33
1.2.4. Reactor RAFA ... 35
1.2.5. Velocidad de flujo ascensional (Vasc) ... 40
1.3. Marco Conceptual ... 43
CAPÍTULO II: METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ...45
2.1. Materiales e insumos... 45
2.2. Bomba Peristáltica ... 45
2.2. Equipo Analizador de Sólidos Suspendidos ... 45
2.3. Equipos para medir el diámetro de grano de lodo ... 46
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2.4. Reactor anaerobio de flujo ascendente ... 46
2.3 Metodología ... 50
2.3.1 Caracterización de los sólidos suspendidos ... 50
2.3.2 Metodología para la evaluación de la velocidad de flujo ascensional ... 56
2.3.3 Metodología para determinar la concentración de sólidos suspendidos y el tamaño de granos dentro del reactor ... 61
CAPÍTULO III: RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...64
3.1. Resultados de la caracterización de los sólidos suspendidos ... 64
3.2. Resultados de la velocidad de flujo ascensional y la concentración de sólidos suspendidos ... 67
3.4. Determinación del crecimiento de grano del lodo extraído del reactor. ... 73
CONCLUSIONES ...76
RECOMENDACIONES ...78
BIBLIOGRAFÍA ...79
ANEXOS ...83
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Tamaño de partícula de materiales que conforman los sólidos suspendidos
en agua ... 23
Tabla 2 Propiedades Fisicas y Quimicas del Caolin ... 27
Tabla 3 Elementos y variables Fisicas, Quimicas y Biologicas de las aguas residuales ... 28
Tabla 4 Estándares de calidad para agua ... 30
Tabla 5 Límites Máximos Permisibles para efluentes de PTAR ... 30
Tabla 6 Las Ventajas y desventajas del tratamiento anaerobio ... 34
Tabla 7 Ventajas y desventajas del reactor RAFA ... 38
Tabla 8 Especificaciones del reactor RAFA ... 46
Tabla 9 Composición del agua residual sintética con una DQO de 506,776 mg/L48 Tabla 10 COT Y DQO para una razón C/N de 3 ... 49
Tabla 11 Resultados de la calibración de la bomba peristáltica ... 58
Tabla 12 Flujo total para controlar el flujo de velocidad ascensional. ... 60
Tabla 13 Fracción de recirculación ... 61
Tabla 14 Resultados de solidos suspendidos de la arcilla...64
Tabla 15 Tamaño de particulas con el equipo DLS ... 67
Tabla 16 Flujo de recirculación del reactor ... 68
Tabla 17 Promedio semanal de crecimiento de granos y eficiencia del reactor ... 68
Tabla 18 Matriz de Experimentos de sólidos Suspendidos... 72
Tabla 19 Promedio de crecimiento del tamaño de grano en la semana 2 y 3 ... 74
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Tabla 20 Caracterización de Sólidos Suspendidos... 843
Tabla 21 Concentración de Sólidos Suspendidos ... 843
Tabla 22 Sólidos suspendidos extraidas del reactor ... 854
Tabla 23 Matriz de Experimentos de Tamaño de Grano ... 86
Tabla 24 Tamaño de granos de las velocidades de 0.3, 0.6 y 0.9 m/h respectivamente ... 85
Tabla 25 Matriz de Experimentos de Tamaño de Grano... 86
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Estructura típica que presenta el caolín...25
Figura 2 Estructura química de la Caolinita.….……….…26
Figura 3 Esquema de un reactor RAFA con sus principales dispositivo...37
Figura 4 Reacciones durante la digestión anaerobia...………...………39
Figura 5 Reactor anaerobio de flujo ascendente...47
Figura 6 Pesado y acondicionamiento de las placas Petri y Filtros…………51
Figura 7 Bomba de Vacío con el Sistema de Filtración………52
Figura 8 Secado de Disco de Fibra de Vidrio en el desecador………53
Figura 9 Medición de Sólidos Suspendidos……….54
Figura 10 Lectura de composición y morfología………55
Figura 11 Preparación de muestras de arcilla………..……56
Figura 12 Calibración Bomba Peristáltica………..… 57
Figura 13 Gráfico de tendencia del caudal de la Bomba Peristáltica…………58
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Figura 14 Muestras en el Stub´s………....62 Figura 15 Muestras en el Metalizador de Oro………...63 Figura 16 Composición de la arcilla a una concentración de 1320 y 1330 mg SST/L……….………..…65 Figura 17 Morfología de la Arcilla Caolín………...… 66 Figura 18 La concentración de alimentación y salida respecto a la velocidad de flujo ascensional……….……….……69 Figura 19 La concentración de SST de alimentación y salida………70 Figura 20 Concentración de sólidos suspendidos de disco de fibra de vidrio de 0,45um y 1um………..71 Figura 21 Crecimiento del grano con respecto a la concentración de sólidos suspendidos……….…73 Figura 22 Tamaño de diámetro de los granos………75
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CAPÍTULO I: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1. Antecedentes de Investigación
Para la formación de granos de microorganismos en un reactor RAFA de 11,4 litros de capacidad, trabajando a las siguientes condiciones: carga orgánica de 340 ± 130 mg DQO/L, una velocidad de flujo ascensional de 50 cm/h (0,5m/h), un Tiempo de Residencia Hidráulica (TRH) de 2,3 horas y temperatura ambiente de 26.4 ± 5.0 ◦ C, Watari (2020) logró el tamaño de grano de hasta 3,8 mm de diámetro. Además Watari (2020) indica que las bacterias desnitrificantes (Esfingebacterias, Deltaproteobacterias, y Saprospirae) eliminaron hasta 22,5 mg-Nitrógeno de los 50 mg-Nitrógeno alimentado en forma de nitrato de sodio.
En el estudio de un reactor RAFA, para el agua residual de yuca con carga orgánica de 5 a 18 kg/m3 DQO, se utilizó la relación de DQO: nitrógeno/fósforo (DQO/N/P) recomendado por Jiraprasertwong (2019), el cual es de: 100/0,5/0,1. Bajo estas condiciones Jiraprasertwong (2019) logró una eliminación de carga orgánica de hasta 92,5% mg DQO/L y la producción más alta de hidrógeno y metano, de 0,43mlH2/g DQO y 328 ml CH4/g DQO alimentado.
En el estudio del efecto del cambio de temperatura de mesófila a termófila utilizando como sustrato la glucosa y etanol, a una temperatura promedio de 37 ± 0,5 ◦ C. en un reactor RAFA. Li (2018) determinó que gracias al sustrato etanol las variaciones de temperatura no afectaron la eficiencia del reactor y que mantuvo un rendimiento mayor a 93% y una producción de metano de 75%, mientras el sustrato glucosa ayudó a generar el incremento en la comunidad bacteriana de las Klebsiella, fue una de las bacterias que promovió la transferencia de electrones y ayudaron en los cambios de temperatura.
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En el tratamiento de agua residual utilizando un reactor RAFA, se miden parámetros como:
pH, alcalinidad, sólidos suspendidos volátiles, Sólidos en Suspensión de Licor Mezclado (SSLM), Sólidos en Suspensión Volátiles de Licor Mezclado (SSVLM), Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), Demanda Química de Oxígeno (DQO) mediante métodos estándar. Así mismo existen técnicas para determinar la carga orgánica, es así que Loganath (2018) midió carbono orgánico total (COT) mediante combustión a 690°C para determinar la carga orgánica dentro de un reactor, alcanzando una eficiencia de eliminación hasta 96% y 98% de COT y SST respectivamente y determinó una relación de DQO / COT de 2,67.
En un estudió de la tecnología del reactor anaerobio de flujo ascendente, Stazi (2018) menciona la importancia del estudio de lecho de lodo granular expandido, la necesidad de optimizar el contacto de las aguas residuales del lodo y superar problemas tales como flujos preferenciales, zonas muertas y atajos hidráulicos que podrían ocurrir en el reactor RAFA.
Menciona que la formación de granos a partir de la floculación del lodo disminuye la posibilidad de que exista un lavado y se pierda biomasa activa y que la retención de los sólidos suspendidos ayuda al desarrollo biológico, pero al tratar aguas residuales con altos niveles de sólidos suspendidos presenta ciertas limitaciones, como la afectación a la hidrolisis.
En la formación de granos microbianos en un reactor RAFA con agua residual sintética, Sudmalis (2018) utilizó un medio nutriente compuesto por: NH4Cl, MgSO4.7H2O, CaCl.2H2O, KH2PO4, NaHCO3, FeCl2.4H2O, HBO3, ZnCl2, CuCl2.2H2O, MnCl2.4H2O, (NH4)6Mo7O27.4H2O, CoCl2.6H2O y NiCl2.6H2O; la carga orgánica (DQO) estuvo conformado por: D-Glucosa, Acetato de sodio y como medio de nitrógeno, la triptona. Sudmalis (2018) Concluyó que es posible lograr formación de granos en este medio.
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Para estudiar el efecto de tamaño de gránulos en el rendimiento de 3 reactores RAFA, Jijai (2015) trabajó con diferentes tamaños de gránulos que provienen de: una fábrica de yuca (Reactor 1), una fábrica de mariscos(Reactor 2), y un molino de aceite de palma (Reactor 3), los cuales tenían el rango de tamaño de 1,5 - 1,7 mm; 0,7-1,0 mm y 0,1- 0,2 mm respectivamente. Jijai (2015) concluyó que los tamaños de los gránulos afectaron en gran medida el rendimiento del reactor y la producción de biogás, ya que el en reactor 1 la eficiencia fue de hasta 91,49%, mientras que en el reactor 3, la eficiencia máxima alcanzada fue de 32,69%. También que determinó es que al disminuir el TRH de 5 días a 1 día, las eficiencias de eliminación de DQO y la producción de biogás disminuyeron.
Para tres tipos de reactores: Reactor Anaeróbico de Flujo Ascendente (RAFA), Reactor de Lodo Granular Expandido (EGSB) y un Reactor de Lecho Granular Estático (SGBR). Lim (2014) recopiló información importante con respecto a la granulación en tratamientos anaerobios y factores que afectan el proceso de granulación por ejemplo, los microorganismos capaces de formar gránulos se conocen como: bacterias desnitrificantes, bacterias nitrificantes, bacterias acidificantes, y/o metanótrofos, por lo tanto es indispensable adicionar al sustrato una fuente de nitrógeno. Otra información importante es adicionar Sustancias Poliméricas Extracelulares (EPS) debido a que son fundamentales en la formación y crecimiento de gránulos anaeróbicos, estos están conformados principalmente por polisacáridos, proteínas, lípidos, fenoles, y ácidos nucleicos. Lim (2014) recomienda un contenido orgánico del EPS de entre el 0,6% y el 20% de sólidos suspendidos volátiles.
El efecto de la velocidad de flujo ascensional sobre la eficiencia de remoción biológica en un reactor anaeróbico de lodo de flujo ascendente, se obtuvo aplicando las siguientes velocidades ascensionales 1,2, 0,6 y 1,2 m/h en tres etapas sucesivas durante e 116 días de operación para agua
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residual municipal sintética de 530 ± 30 mg DQO / L y a una temperatura de 4°C. Ozgun (2013) obtuvo los siguientes resultados, que a la velocidad ascensional de 1,2 m/h las concentraciones de DQO disminuyeron hasta los 215 ± 10 mg/L en el efluente. Luego disminuyó la velocidad ascensional a 0,6 m/h, obteniendo una disminución de la DQO de hasta 130 mg/L, finalmente elevó la velocidad ascensional a 1,2 m / h y se observó nuevamente un aumento en la concentración total de DQO.
Para evaluar los mecanismos de iniciación y desarrollo de gránulos dentro del reactor UASB, Habeeb (2011) menciona parámetros que afectan a la formación de los gránulos, los cuales son: temperatura, tasa de carga orgánica, pH, alcalinidad, nutrientes y cationes pesados; además nos indica que la composición de los gránulos implica componentes orgánicos, células de microorganismos y polímero extracelular en diferentes tasas. Para tener mejores resultados de eficiencia de remoción de carga orgánica aconseja mantener un pH mayor a 6,3; es decir cercano a neutro. Con respecto al nutriente indica que el nitrógeno, fósforo y azufre ayudan en la formación de gránulos, asimismo cationes y metales pesados, como el calcio.
En el efecto de la velocidad ascendente sobre la pérdida de biomasa (SSV), durante el tratamiento de las aguas residuales de una empresa de bebidas fermentadas en un reactor RAFA de 2,500 m3. Iñiguez (2011) obtuvo una menor pérdida de biomasa a una velocidad ascensional de alimentación de 0,5 m/h,
En el efecto de la actividad enzimática extracelular en el rendimiento de un RAFA, en aguas residuales municipales a condiciones mesófilas (32 ± 2°C). Yetilmezsoy(2011) empleó la Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) para obtener información de la morfología y la composición elemental del lodo granular antes y después de la actividad enzimática extracelular.
Para el muestreo previo al recubrimiento con oro de las muestras de lodo, realizó una serie de
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procedimientos para fijar la muestra, primero a una temperatura de 4°C lavó la muestra con 2% de paraformaldehído, 2% de glutaraldehído y tampón de cacodilato anaeróbico 0,05 M y luego tetraóxido de osmio al 1% durante 1 h. Luego las muestras se deshidrataron con una serie graduada de mezcla de etanol-agua destilada (30-100% v/v) y se colocaron en 100% etanol. Finalmente, las muestras se secaron mediante el método de secado del punto crítico antes de aplicar un recubrimiento catódico con oro para posteriormente observar la imagen en el SEM.
Con el fin de conocer el efecto de la tasa de carga orgánica en el rendimiento de un reactor RAFA, se tienen en cuenta los siguientes indicadores: demanda química de oxigeno (DQO) y variabilidad del efluente: sólidos en suspensión, ácidos grasos volátiles y estabilidad del pH.
Azbar( 2009)
23 1.2 Bases Teóricas
1.2.1. Sólidos suspendidos
Según (Raudel, 2008), se describe como la fracción de sólidos que están presentes en el agua y es un material insoluble. Se encuentran en coloides o partículas sumamente finas, lo que causa la propiedad de turbidez. Por lo tanto se da la relación que a mayor cantidad de sólidos en suspensión mayor será el grado de turbidez. Estas partículas o sólidos suspendidos se conforman de material orgánico e inorgánico. Así que el material orgánico es principalmente algas o microorganismos y el inorgánico son: arcillas, silicatos, feldespatos, etc.
Según (Domingo, 1999), las determinaciones de sólidos en agua son importantes en el control de procesos de tratamiento físico y biológico de Aguas Residuales Municipales (ARM).
Para medir el tamaño de los sólidos en suspensión, (Domingo, 1999) menciona que se determina pasando una muestra de sedimento a través de una serie de tamices, cada tamiz debe ser más fino que el anterior como se muestra en la siguiente tabla 1.
Tabla 1
Tamaño de partícula de materiales que conforman los sólidos suspendidos en agua
Descripción de partículas Tamaño de partículas
Propiedades de cohesión (mm)
Arena muy gruesa 2-1 ---
Arena gruesa 1-0,5 ---
Arena mediana 0,5-0,25 Sedimentos no cohesivos
Arena fina 0,125-0,063 ---
Arcilla 0,004-0,00024 Sedimento cohesivo
Fuente: (Jaya, 2017)
24 1.2.1.1. Arcilla Caolín
El termino caolín deriva de la palabra china Kauling, cuyo significado es cordillera alta.
Según su forma morfológica en lo que se refiere a su formación la caolinita es mineral que está extendido en la tierra.
Según (Technology, 2014), describe que, al caolín se le conoce como silicato de aluminio hidratado, que resulta de la desintegración de rocas feldespáticas y prevalece el mineral caolinita.
Esta arcilla tiene gran poder cubriente, absorbente y baja viscosidad en altos porcentajes de sólidos, de igual forma resiste a altas temperaturas, no es tóxico, tiene elevada refractariedad y es de fácil dispersión.
Según de Ross & Kerr (1931) citado por (Technology, 2014), se refiere al caolín con una definición mineralógica, haciendo entender por caolín al material arcilloso compuesta esencialmente de aluminio, silicio, bajas cantidades de hierro con una composición aproximada:
2Si02. Al203. 2H20, otras impurezas o materiales presentes como: cuarzo, fedelpastos, micas, óxidos de hierro y titanio. Usualmente presenta un color blanco.
En la naturaleza el caolín pueden encontrarse como:
Rocas sedimentarias en diferentes estados de oxidación o recristalización.
Zonas de alteración hidrotermales en forma de embudo a lo largo de rocas más antiguas ricas en alúmina como los granitos.
Asimismo, (Technology, 2014) nos menciona que el caolín tiene fuertes enlaces de sílice- oxígeno y aluminio-oxígeno (Figura 2), lo que los convierten en un mineral muy resistente a los ataques químicos en un amplio rango de pH. Esta gran resistencia química permite utilizar al caolín como un pigmento de relleno para papeles ácidos, Kraft, y alcalinos.
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Ahora según la mineralogía: los minerales de caolinita tiene como fórmula teórica:
Al2Si2O5 (OH)4 y su composición es de 46,5% de Si02; 39,5% de Al203; y 14,0 % de H20. Esta y demás propiedades físicas y químicas se presentan en la tabla 2.
De acuerdo a su clasificación, la caolinita pertenece a los filosilicatos, que presentan cierta particularidad en su estructura: tienen capas de tetraedros de infinitas dimensiones en dos direcciones del espacio, como se aprecia en la Figura 1.
Figura 1
Estructura típica que presenta el caolín.
Fuente: Bustamante (2015)
De acuerdo a su composición química, la caolinita presenta una estructura laminar octaédrica de alúmina y una lámina tetraédrica de sílice, Figura 2. Estas capas forman cristales triclínicos, es decir sus longitudes son desiguales.
26 Figura 2
Estructura química de la Caolinita
Fuente: Museo Virtual de Minerales y Moléculas ™ (2,000)
Los caolines en su estado natural contienen entre 85 a 95 % de caolinita, y el resto es principalmente cuarzo, en menor grado muscovita, biotita, esmectita, ilmenita, anatasa, rutilio, goethita y trazas de circonio, turmalina, cianita y grafito.
27 Tabla 2
Propiedades Físicas y Químicas del Caolín
Químicas
Composición química: Al2Si2O5(OH)4
La hidrofilidad del caolín, nos permite preparar suspensiones acuosas de hasta 70% de contenido de sólidos.
También los fuertes enlaces de sílice-oxígeno y aluminio-oxigeno lo convierte en un mineral resistente a los ataques químicos.
El caolín flocula a un PH de 6 en presencia de dispersantes químicos.
Físicas
Color
Tiene un color blanco
En la industria se define según su porcentaje de brillo.
Tamaño y forma de la
partícula
Como porcentajes son reportados debajo de 2μm.
Fuente: (Rojas., 2015) 1.2.1.2. Agua residual
Según definición de (OEFA, 2014), las aguas residuales son aquellas que debido a las diversas actividades antropogénicas sus características naturales han sido modificadas, afectando así su calidad inicial, en consecuencia requieren un tratamiento previo para ser desechadas a los cuerpos naturales de agua o ser reutilizadas.
1.2.1.3. Agua residual municipal
Según RJ N° 224-2013-ANA, define al agua residual municipal como la combinación de agua residual domestica con agua residual industrial, para ser vertidas en los sistemas de alcantarillado.
28
1.2.1.4. Elementos y variables físicas, químicas y biológicas del agua residual municipal.
Los elementos de agua residual municipal están conformados por características físicas, químicas y biológicas (LAMIÑA, 2015), los cuales se detalla en la Tabla 3:
Tabla 3
Elementos y variables Físicas, Químicas y Biológicas de las aguas residuales CARACTERÍSTICA VARIABLE PROCEDENCIA
Propiedades Físicas
Color Agua residual domestica e industrial, desintegración de material orgánico.
Olor Agua residual de descomposición, vertimiento industrial.
Sólidos
Agua de suministro, Agua residual domestica e industrial, erosión del suelo, infiltración y conexiones incontroladas.
Temperatura Agua residual domestica e industrial.
Orgánicos
Carbohidratos Agua residual comercial e industrial.
Grasa animal y
aceite Agua residual doméstica, comercial e industrial.
Pesticidas Residuos Agrícolas.
Fenoles Vertidos industriales
Proteínas Agua residual doméstica y comercial.
Otros Desintegración natural de materiales orgánicos
Inorgánicos
Alcalinidad Agua residual doméstica agua de suministro, infiltración de aguas subterráneas.
Cloruros Agua de suministro, Aguas residuales domésticas, infiltración de aguas subterráneas.
Metales pesados Vertimientos industriales, Aguas Residuales domésticas y residuos agrícolas.
Nitrógeno Agua residual doméstica y residuos agrícolas.
PH Vertimientos industriales.
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Fosforo Agua residual doméstica, industrial, escorrentía residual.
Azufre Agua de suministro, agua residual, domestica e industrial.
Compuestos
tóxicos Vertido industrial.
Propiedades Biológicas
Animales Cursos de agua y planta de tratamiento.
Plantas Cursos de agua y planta de tratamiento.
Protistos Agua residual doméstica, planta de tratamiento Virus Agua residual doméstica, planta de tratamiento Bacterias Agua residual doméstica, planta de tratamiento Fuente: (LAMIÑA, 2015)
Con el fin de proteger la calidad del agua, (MINAM, 2017), mediante el DS. N°004-2017- MINAM, aprobaron los Estándares de Calidad Ambiental (ECA). Entre una de las categorías, se refieren a las aguas destinadas para el riego de vegetales y bebida de animales, que deberían mantener una demanda química de oxígeno de 40 mg DQO /L. Mientras que para la conservación del medio acuático de los ríos en costa y sierra del Perú debería mantenerse la concentración de solidos suspendidos por debajo de los 100 mg SST/L, se observa en la Tabla 4.
30 Tabla 4
Estándares de calidad para agua ECA AGUA ESTANDARES DE
CALIDAD DE AGUA-PERÚ
Categoría 3:
Riego
Categoría 4:
Conservación del ambiente Acuático Riego de vegetales de
tallo alto y tallo bajo
E1:
Lagunas y lagos
E2:
Ríos Costa y Sierra Parámetro Unidad
DBO mg/L 15 5 10
DQO mg/L 40 ** **
Conductividad µS/cm 2500 1000 1000
Nitrato mg/L 100 13 13
Sólidos Disueltos Totales mg/L - < 25 < 100 - 400 Sólidos suspendidos
totales
mg/L - ≤25 ≤ 100
Fuente: (MINAM, 2017)
De igual manera, (MINAM, 2010), aprobó los Límites Máximos Permisibles (LMP) para los efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas o municipales, en los que indican la concentración máxima de parámetros físicos, químicos y biológicos que deben cumplir las PTAR en su punto de efluente final, los parámetros se observa en la tabla 5.
Tabla 5
Límites Máximos Permisibles para efluentes de PTAR
Parámetros Unidad de medida Límite máximo permisible Demanda bioquímico de oxigeno
(DBO)
mg/L 100
Demanda químico de oxigeno (DQO)
mg/L 200
PH 6,5 – 8,5
Solidos totales suspendidos mg/L 150
Fuente : (MINAM, 2010)
31 1.2.2. Tratamiento Anaerobio
Según (Rodr & Asociada, 2002), la Digestión Anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de las aguas residuales. El proceso se caracteriza por la conversión de la materia orgánica a metano y CO2, en ausencia de oxígeno y con la interacción de diferentes poblaciones bacterianas.
La digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica, como no hay presencia de un oxidante en el proceso, la capacidad de transferencia de electrones de la materia orgánica permanece intacta en el metano producido. En vista de que no hay oxidación, se tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la materia orgánica digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es convertida en lodo (3 a 10%). En las reacciones bioquímicas que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía libre es liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química en el metano producido.(Rodr & Asociada, 2002).
1.2.2.1. Aplicación de la digestión anaerobia
La digestión anaerobia ha sido utilizada ampliamente para el tratamiento de aguas residuales diluidas como es el caso de las aguas residuales domésticas, con bastante éxito en zonas de clima tropical, y aguas residuales concentradas como las industriales (destilerías, cervecerías, malherías, papeleras, alimentos, etc.). (Rodr & Asociada, 2002)
32
1.2.2.2. Razones generales del diseño de un proceso de un tratamiento anaerobio a) Característica del agua residual
Según (Márquez & Martínez, 2011), una gran complejidad de aguas residuales se pueden tratar mediante métodos anaerobios, provenientes del procesos como son: refinación del azúcar, manufactura química, industria del papel, farmacéutica, etc.
En el agua residual municipal se considera a altas concentraciones de materia orgánica. Por ejemplo, en un proceso de destilería adquiere una concentración en torno a los 3000 mg/L de DQO.
Asimismo se tiene en cuenta otras consideraciones, como la existencia de sustancias toxicas, variaciones de caudal, concentraciones de inorgánicos y variaciones temporales de carga esto se puede emplear para las diferentes fuentes de agua residual.
. b) Variaciones de flujo y carga.
Existes diversas diferenciaciones del flujo en el afluente como también la carga orgánica implica el balance entre la fermentación ácida como la metanogénesis. En el caso del sustrato soluble y simplemente degradable como son: azúcares y almidones. Estas reacciones acidogénicas son bastante veloces a altas cargas y pueden aumentar las concentraciones de ácidos grasos volátiles e hidrógeno y reducir el pH. La conversión de ácido butírico y propiónico es inhabilitado a altas concentraciones de hidrógeno asimismo la metanogénesis es inhabilitado a bajo de pH.
Debe proveerse una igualación del flujo o capacidad adicional para resistir las circunstancias pico de flujo y carga. (Márquez & Martínez, 2011).
c) Temperatura y concentración orgánica.
Los tratamientos son más estables en reactor RAFA a temperaturas de 25°C a 35°C.
Habitualmente las concentraciones de DQO ascendentes a 1500 - 2000 mg/L, producen suficientes cantidades de metano que podrían calentar el agua residual. A temperatura menor entre 10° y 20°C
33
el tratamiento anaerobio puede ser sostenible pero a esta temperatura, la tasa de degradación de las largas cadenas de ácidos grasos es restrictivo. De esta manera si acumulan puede formar espumas en el reactor (Márquez & Martínez, 2011).
Fracción de material orgánico no disuelto.
La composición del agua residual y su componente disuelto, afecta la selección del tipo de reactor anaerobio y su diseño. Cuando esta con un alto contenido de sólidos se tratan mejor con el proceso de crecimiento suspendido a diferencia del crecimiento adherido. Mientras más grande sea la conversión de material orgánico particulado, el Tiempo de Retención de Sólidos (TRS) aumentará para llevar a cabo la hidrólisis de los mismos, lo cual será restrictivo en balance con la fermentación ácida y la metanogénesis en el tratamiento anaerobio. (Márquez & Martínez, 2011).
1.2.3. Crecimiento del Grano
Según (Chuquitarqui & Velásquez, 2017), durante el tratamiento de agua residual de flujo ascendente y un flujo de alimentación aproximadamente continua se forma agregado de microorganismos, el cual se conoce como grano de lodo. Además los diferentes tipos de lodo granular se desarrollan como: bastón, filamentosos y "con puntas" por lo tanto depende de diversos aspectos como: la composición del sustrato y la naturaleza de la puesta en marcha.
Para observar el tamaño y la forma de un lodo, se realiza un análisis microscópico de una muestra representativa de cada punto de muestreo seleccionado en el sistema. La muestra previamente lavada, ya que el color oscuro del lixiviado impide la correcta observación de la distribución de los gránulos.
El índice volumétrico de lodo en un reactor RAFA según (Cristina, 2006), describe como el volumen que ocupa 1g de licor mezclado o líquido en un reactor. Para encontrar su valor se toma la muestra de licor mezclado del reactor y se determina los sólidos suspendidos totales (SS) en
34
mg.L-1 asimismo se toma un litro del licor mezclado dejándose sedimentar en una probeta durante 30 minutos. La relación volumen de lodo sedimentado/g SS es igual al IVL (Índice Volumétrico de Lodo).
Un aspecto trascendental de un reactor es producir un granulo típico del lodo anaeróbico.
Este lodo muestra una alta actividad específica, según (Cristina, 2006), cita que el bajo valor del IVL, cerca de 50 ml/g o menos también la velocidad de sedimentación modifica de 2 a 90 m/h en sistemas no "cargados". Este lodo granulado tiene la capacidad de flotar en cargas elevadas con una velocidad de sedimentación de 40 m/h.
Ventajas y Desventajas del Tratamiento Anaerobio
El tratamiento anaerobio, tiene ventajas con respecto a otras técnicas de tratamiento de aguas residuales pero también presenta ciertas desventajas. Estos se detallan en la tabla 6.
Tabla 6
Las ventajas y desventajas del tratamiento anaerobio
Ventajas
Se demanda menor energía.
Menor producción de lodos.
Poca cantidad de nutrientes requeridos.
Producción de metano,
fuente potencial de energía.
Menor volumen de reactor.
Con aclimatación, se pueden trasmutar una mayor suma de compuestos.
Rápida respuesta a la añadidura de sustrato después de largos periodos sin alimentarse.
Desventajas Largos periodos de arranque.
Puede pedir la adición de algún ion específico o de alcalinidad.
35
Puede solicitar tratamientos posteriores para conseguir la normatividad.
No es permitido la remoción de fósforo y nitrógeno.
Son más sensibles a los efectos adversos de bajas temperaturas en la tasa de reacción.
Son susceptibles de perturbarse debido a sustancias tóxicas.
Potencial producción de olores y gases corrosivos.
Fuente: http://aula.aguapedia.org/pluginfile.php/11619/mod_resource/content/0/RAFA.pdf 1.2.4. Reactor RAFA
Según (Quispe, 2005), tiene un diseño que permite conservar en suspensión el agua residual, posee como una unidad de tratamiento biológico del tipo anaerobio, haciendo integrar el afluente por la parte inferior a través de un sistema de distribución localizado en el fondo de la unidad. El agua residual que ingresa asciende, pasando por un manto de lodos conformado por microorganismos de tipo anaerobio. Asimismo por la parte superior consta de un separador de fases (sólido-líquido-gas), que provee la separación de la fase líquida y gaseosa, de tal modo que el efluente clarificado emerge hacia el post tratamiento, el tiempo de permanencia son limitadamente cortos.
Según (Comision Nacional del Agua, 2019), menciona en el manual de agua potable y alcantarillado que el reactor anaerobio de flujo ascendente es un reactor que puede ser aplicado a bajas temperatura entre 10-20 °C, aparte de que son reducidos que necesitan más tiempo de retención de sólidos en las tasas de reacción.
El agua residual es para que el afluente fluye en sentido ascendente a través de un manto de lodos (microorganismos anaerobios) trasladándose al tratamiento del agua residual.
36
El reactor RAFA según su geometría consta de un tanque que incluye la zona superior del reactor, el sedimentador, los vertedores y el sistema de recolección de gas, este recolector de biogás se puede hallar en la parte superior del reactor.
Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (RAFA), es utilizado para tratar aguas residuales de todo tipo, en su mayoría aguas residuales provenientes de industrias dedicadas a la producción de conservas de alimentos, cervezas, industrias de celulosa y papel, entre otros. (Alphenaar, 1995).
1.2.4.1. Diseño del reactor anaerobio de flujo ascendente
En la figura 3, se observa el diseño para un reactor anaerobio de flujo ascendente compuesto por sus componentes principales. En la parte recolector de gas, se encuentra la zona de separación de gases, sólidos y líquidos. Esta zona permite recolectar el gas metano mediante la campana ubicada en el reactor, además el paso del agua tratada por el efluente y que los granos conformados por microorganismos permanezcan en contacto con el agua residual dentro del reactor y ocurra la digestión anaerobia. En la parte inferior se ubica el manto de lodo anaerobio, esta zona hace posible la digestión anaerobia.
El agua residual ingresa por el fondo del reactor y sigue de forma ascendente a través del reactor, pasando por la zona de digestión y luego por el separador de gases, sólidos y líquidos.
37 Figura 3
Esquema de un reactor RAFA con sus principales dispositivos
Fuente: Elaboración propia
1.2.4.2. Características del reactor RAFA:
El RAFA, tiene ciertas características esenciales que se mencionan a continuación:
Sus dimensiones permiten la formación de diferentes comunidades de microorganismos.
Permite tratar aguas residuales con elevadas cargas orgánicas, porque posee altas concentraciones de bacterias anaerobias y mayor velocidad de transferencia de materia,.
Dentro del reactor existe gran cantidad de lodos volátiles.
1.2.4.3. Ventajas y desventajas del RAFA
El tratamiento anaerobio en este tipo de reactor ha resultado ser provechoso, a causa de que es capaz de operar a elevadas cargas orgánicas, en comparación a otros métodos. (Ruiz et al.,
Afluente Efluente
Fase liquido gas
Recolección del biogás
Recirculación Separador para el gas
38
1998), asimismo el lecho de lodo anaerobio, durante el tratamiento se convierte en lodo granular, permitiendo mayor contacto con el agua residual, en consecuencia genera mayor estabilidad y permite alimentar agua residual a mayores velocidades de carga orgánica, pero presenta algunas desventajas en comparación con otros reactores, estos se presentan en la tabla7.
Tabla 7
Ventajas y desventajas del reactor RAFA
Ventajas Desventajas
la operación no requiere energía para el proceso, por lo tanto no se generan gastos adicionales.
Las bacterias anaerobias (particularmente las metanogénicas) son grandemente susceptibles de inhibición por numerosos compuestos.
El proceso tolera elevadas cargas orgánicas.
Si no se cuenta con el lodo activo, el proceso es limitadamente lento.
Los sistemas pueden ser aplicados en cualquier parte y a cualquier escala.
El efluente requiere de un post tratamiento correcto para efectuar los límites de vertimiento.
La producción de lodo en exceso es baja, de la misma forma el lodo está estabilizado adecuadamente y es de factible secado.
Tecnología determinada en clima tropical, sim embargo en vías de desarrollo a temperaturas menores a 20°C.
Fuente: (Ruiz et al., 1998)
1.2.4.4. Etapas de la digestión anaerobia en el RAFA
Durante el tratamiento con RAFA ocurren una variedad de reacciones fisicoquímicas, descritas en la figura 4. Estas reacciones se generan en etapas, esto debido a los diferentes tipos de bacteria que habitan dentro del reactor y que podrían ser favorables o desfavorables para el tratamiento. Por lo tanto se debe mantener condiciones adecuadas para obtener resultados esperados.
39 Figura 4
Reacciones durante la digestión anaerobia
Fuente: (Rojas., 2015)
De acuerdo a la figura 4, en la primera etapa se genera la hidrólisis de proteínas, polisacáridos y lípidos, que es realizado por las bacterias hidrolíticas. En la segunda etapa ocurre la acidogénesis, generado por bacterias acidogénicas que fermentan los aminoácidos, azúcares, ácidos grasos y los alcoholes, producidos en la etapa anterior. Esta etapa da como resultado a ácidos grasos, como: Ac. Acético, fórmico, propionico y butírico, además de etanol, H2 y CO2, los cuales en la tercera etapa de acetogénesis pasaran a ser descompuestas por las bacterias acetogénicas a acetato, H2 y CO2. Finalmente por acción de las bacterias metanogénicas, el acetato se convertirá en metano y CO2, o podrían reducir el CO2 a metano (CONSUELO, 2002) .
40
Durante la digestión anaerobia presentado en la figura 4, resaltan dos cuestiones importantes, referentes a las etapas:
Se distingue que únicamente el 30% de materia orgánica se convierte en metano siguiendo las etapas mencionadas en la figura 4, lo que implica que de buscar un óptimo tratamiento de materia orgánica, se debe asegurar que la metanogénesis se realice de manera correcta.
La fermentación ocasiona la disminución pH a causa de que se generan ácidos grasos volátiles, pero la etapa de metanogénesis es posible si el pH es próximo a 7. Esto indica, que si se tiene una elevada producción de ácidos grasos volátiles durante la metanogénesis conllevaría a una disminución del pH en el reactor, originando la muerte de las bacterias metanogénicas (Alphenaar, 1995).
1.2.5. Velocidad de flujo ascensional (Vasc)
Según (Gosálvez, 2013), es el caudal de fluido dividido por la sección transversal del reactor, esta variable juega un papel muy significativo en el correcto trabajo de un reactor RAFA, ya que es la que posibilita mantener el lecho fluidizado y aporta una mayor superficie de contacto de la materia orgánica con los microorganismos anaeróbicos que existen.
El caudal, es directamente proporcional a la velocidad ascensional, por tanto si el primero disminuye, la segunda, también lo hará.
La velocidad de flujo ascensional se calcula a partir del flujo de alimentación, el flujo de recirculación y el área transversal de reactor, considerada en el diseño y se aplica la siguiente ecuación:
Vasc Q
A………..ecuación (1)
Donde:
Vasc= velocidad de flujo ascensional (m/h).
41 Q= Caudal total de agua residual (m3/h).
A= Área transversal de diseño considerada en el diseño (m2).
1.2.5.2 Caudal
Es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del ducto (tubería, cañería, oleoducto, río, canal, etc) por unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.
𝑄𝑎 = 𝑉𝑅
𝑇𝑅𝐻 ………ecuación (2)
Donde:
Qa: caudal de alimentación (m3/h) VR: Volumen del Reactor (m3)
TRH: Tiempo de residencia hidráulica (h) a) Tiempo de residencia hidráulica
El tiempo de residencia hidráulica es inversamente proporcional al caudal, por tanto si disminuye el primero, aumentará el segundo (Adsuar, 2013)
Los siguientes aspectos son perjudiciales con el tiempo de residencia hidráulica:
Pérdida excesiva de biomasa que sufre lavado con la corriente efluente, a causa de elevadas velocidades de flujo ascendente en las zonas de digestión y de sedimentación
Tiempo de retención de sólidos reducido (edad de lodos), y su consecuente bajada del grado de estabilización de los sólidos.
La posibilidad de fallo del sistema, cuando el tiempo de residencia de la biomasa en el sistema es más cortó que la velocidad de crecimiento.
Bomba Peristáltica
42
Una bomba peristáltica es un tipo de bomba hidráulica de desplazamiento positivo usada para bombear una variedad de fluidos es decir, tiene una parte de succión y otra de expulsión, por lo que es utilizada para bombear una gran variedad de fluidos. El fluido es transportado por medio de un tubo flexible colocado dentro de una cubierta circular de la bomba.
Principio de funcionamiento
Las bombas peristálticas operan de forma similar a la estrategia que utilizan los cuerpos de los seres vivos para desplazar líquidos en su interior. Se comprime un conducto flexible en forma progresiva desplazando el contenido a medida que la compresión va avanzando por el conducto.
Es similar a lo que ocurre cuando presionamos un tubo de dentífrico o pintura. Para emular el movimiento muscular progresivo, el mecanismo más utilizado está compuesto de 2 o 3 rodillos que giran en un compartimiento circular comprimiendo en forma progresiva una manguera especial flexible. Los rodillos son solidarios a través de algún mecanismo con el eje de un motor, de manera que al girar el mismo, los rodillos presionan la manguera en forma progresiva y hacen avanzar el contenido dentro de la misma. Es interesante que en este sistema nunca el contenido que está siendo bombeado está en contacto con el mecanismo, sólo con el interior del conducto.
El bombeo además puede ser tan lento como uno lo desee.
43 1.3. Marco Conceptual
Anaerobio
Metabolismo, célula u organismo que funciona sin la intervención del oxigeno
Digestión anaerobia
Descomposición biológica de la materia orgánica del lodo en ausencia de oxígeno.
Lodo Granular
Posee elevada densidad y alta actividad Metanogenica.
Actividad Metanogenica
Capacidad máxima que poseen los microorganismos anaerobios para producir metano.
pH
El pH indica cuán ácida o básica es el agua. Su rango varía de 0 a 14, siendo 7 neutro. Los pH inferiores a 7 indican acidez, mientras que un pH superior a 7 indica una base. El pH es una medida de la cantidad relativa de iones de hidrógeno e hidroxilo libres en el agua, se expresa en unidades logarítmicas.
Efluente tratado
El efluente tratado cumple las características que indica en la norma vigente, esto es necesaria para su disposición final.
Contaminación del agua
Es cualquier cambio químico, físico o biológico en la calidad del agua que tiene una consecuencia dañina en cualquier cosa viva que consuma esa agua.
Destilación
44
El destilado se refiere a la separación: consiste en evaporar un líquido y condensarlo de nuevo en otro lugar físico; al vapor condensado y al líquido que se destila se llama destilando o carga.
Agua residual sintética
Son componentes físicos, químicos y biológicos; es una mezcla de materiales orgánicos e inorgánicos suspendidos o disueltos y presenten una composición fisicoquímica similar a la del agua ARD y que reproduzca lo procesos fisicoquímicos importantes para el desarrollo de los sistemas de tratamiento.
45
CAPÍTULO II: METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 2.1. Materiales e insumos
Estos materiales e insumos se utilizaran para determinar la concentración de sólidos suspendidos por método estándar 2540–D.
Discos de filtro de fibra de vidrio (0,45 um y 1um), tipo 934-AH. Gelman tipo A/E.
Pinzas metálicas.
Placas Petri de vidrio de diámetro 4,7cm.
Desecador.
Probetas de vidrio graduada de 15, 250 mL.
Agua destilada.
Matraz.
Mangueras.
Buretas.
Cronómetro.
Arcilla Caolín.
Estufa de secado; 104°C 1°C5 marca Ecocell.
2.2. Bomba Peristáltica
Equipo para determinar velocidad de flujo ascensional, que consta de un motor de velocidad variable analógica y un cabezal de bomba (L/S), ambos de marca Masterflex con un flujo de 5,6 a 160 ml/min.
2.2. Equipo Analizador de Sólidos Suspendidos
Equipo para determinar la concentración de sólidos suspendidos a la salida del reactor, Analizador portátil de sólidos suspendidos, marca Insite- Modelo 3150.
46 2.3. Equipos para medir el diámetro de grano de lodo
Metalizador de oro, marca DENTONVACUUM
Sistema de Bomba de Vacío, de marca DUCATI que consta un sistema de filtración y su bomba de vacío.
Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), marca texescany modelo MIRA3, instalado en la Universidad Nacional del Centro del Perú, en la Facultad de Ingeniería Química.
Balanza Analítica, de cuatro cifras decimales, marca 3S CIENTIFIC.
Autoclave, modelo YXQ-280MD con temperatura de esterilización de 121°C.
Sonicador, baño ultrasónico marca ULTRASONIC CLEANER.
Reactor RAFA: diseñado y construido con un volumen de operación de 3456 mL.
2.4. Reactor anaerobio de flujo ascendente Características del RAFA
En la tabla 8, se puede observar las características del reactor de acuerdo al diseño:
Tabla 8
Especificaciones del reactor RAFA
Parámetro Símbolo Unidad Valor
Volumen Vr ml = cm3 3456
Área Ar cm2 63,62
Altura efectiva L cm 54,32
Diámetro D cm 9
Fuente: Propia
47 Ubicación del reactor RAFA
Se encuentra ubicado en la facultad de Ingeniería Química, de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
Figura 5
Reactor anaerobio de flujo ascendente
Fuente: Propia
La figura 5, a la izquierda muestra al reactor con mangueras que están conectadas a la:
alimentación de agua residual, el efluente, la recirculación y la salida de gas metano.
La imagen a la derecha muestra la bomba peristáltica que se encarga de la recirculación del reactor. Podemos observar también matraces en los que se absorberá el gas metano.
48
2.5. Preparación del agua residual municipal sintética (ARM)
Este proyecto será realizado a nivel de laboratorio, por lo tanto, el agua residual municipal utilizada estará preparada de forma sintética, utilizando reactivos químicos de alta pureza, los mismos que serán facilitados por el laboratorio de nanotecnología de la facultad de Ingeniería Química de la UNCP.
En la Tabla 9, se indican los reactivos y cantidades de los que se conforma los macro nutrientes y micro nutrientes con los que se preparara el agua residual municipal. El agua residual municipal se compone de carbohidratos, grasas, aceites, proteínas, compuestos orgánicos volátiles, etc. La glucosa aporta los carbohidratos, el ácido acético representa a los compuestos grasos volátiles. Existen además en las ARM sustancias inorgánicas que tienen, cloruros, metales pesados, esos están representados en los micronutrientes pero en menor cantidad.
Tabla 9
Composición del agua residual sintética con una DQO de 506,776 mg/L
Macronutrientes Micronutrientes
Componente Cantidad Unidad Componente Cantidad Unidad
C6H12O6 2,1 g FeCl3.6H2O 0,25 g
C2H4O2 0,75 mL NaHCO3 0,795 g
C4H8O2 0,7 mL CaCl2.2H2O 0,02 g
KNO3 6,395 g CoCl2.6H2O 0,7 g
NaH2PO4 0,455 g MnCl2.4 H2O 0,25 g
Na2HPO4 0,952 g CuCl2.2 H2O 0,015 g
ZnCl2 0,025 g
H3BO3 0,025 g
(NH4)6Mo7O24.4
H2O 0,045 g
NiCl2.6 H2O 0,025 g
Fuente: Propia
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En la taba 10 se muestra el cálculo estequiométrico de la demanda química de oxígeno y la relación que existe con el carbono orgánico total. Asimismo se calcula la cantidad de nitrógeno y fosforo necesario para la supervivencia de los microorganismos.
El pH es determinante para que la metanogénesis se lleve a cabo, por lo tanto este parámetro ha sido controlado ajustando el sustrato con una solución de HCL al 1M, manteniendo de esta manera el pH 6,8 a pH 8.
Tabla 10
COT Y DQO para una razón C/N de 3
COMPUESTO CANTIDAD DQO
DQO/TOC C N-NO3 P-PO4 (g/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L)
C6H12O6 0,21 224 2,667 84
C2H4O2 0,075 79,933 2,667 29,975 C4H8O2 0,07 127,128 3,333 38,138
KNO3 0,64 88,562
NaH2PO4 0,045 11,741
Na2HPO4 0,095 20,745
NaCO3 0,795 75,714 0,667 113,571
TOTAL 506,776 265,685 88,562 32,487
Fuente: Propia
50 2.3 Metodología
En esta sección se presentan las metodologías utilizadas para determinas las variables independientes, concentración de sólidos en suspensión y la velocidad de flujo ascensional.
2.3.1 Caracterización de los sólidos suspendidos
La caracterización de los sólidos suspendidos se realizará por dos métodos: mediante el método estándar 2540-D, el cual nos permitirá determinar la concentración de solidos suspendidos (arcilla caolín) que ingresará al reactor y utilizando el equipo analizador de sólidos de la facultad de Ingeniería Química.
a) Determinación de sólidos suspendidos de la arcilla caolín por el Método Standard 2540–
D.
Preparación de muestra de la arcilla Caolín, pesado y acondicionamiento de las placas Petri y filtros.
Se pesó 5g de arcilla blanca (caolín) para ser diluido en un recipiente de 250 mL, se aforo con agua destilada y se homogenizó la muestra diluida. Esta mezcla será utilizada para determinar la concentración de sólidos suspendidos mediante el método estándar, y además para la lectura en el SEM de la composición química de la arcilla que será ingresada al reactor. De igual manera se pesó 6 y 7 gramos y se diluyo en 250 mL de agua cada una, esto con el fin de determinar que tanto varían las concentraciones cuando se varía la cantidad de arcilla.
La preparación descrita sirve para que la arcilla caolín se separe y disperse logrando una distribución homogénea para brindar una mejor lectura.
51 Figura 6
Pesado y acondicionamiento de las placas Petri y Filtros
Izquierda: Estufa de secado
Derecha: El desecador Fuente: Propia
Se llevó las placas Petri de 4,7cm (diámetro) al autoclave durante 30 minutos, y posteriormente se colocó los discos de fibra de vidrio y las placas Petri a la estufa de secado durante una hora a una temperatura de 104±1 °C para esterilizarlos.
Se colocó los discos de fibra de vidrio (0,45 um y 1um), en su respectiva placa Petri de vidrio debidamente codificadas al desecador para evitar la humedad, se pesó cada una de las placas Petri con su respectivo disco de fibra de vidrio.
Instalación de la bomba de vacío y filtrado de la arcilla caolín
Se instaló la bomba de vacío de acuerdo al manual de procedimiento establecido para el uso del equipo. Se cerró la entrada, se destapó y se conectó con la manguera al sistema de
