UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
“EFECTO DE LA TEMPERATURA Y EL CAUDAL EN LA DISMINUCION DE LA MATERIA ORGANICA EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO”
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUÍMICO
PRESENTADO POR:
Bach. MEZA RAFAEL, MANUEL ALEJANDRO
Bach. ÑAHUINRIPA MATOS, JHONY ARMANDO
HUANCAYO - PERÚ 2019
TITULO
“EFECTO DE LA TEMPERATURA Y EL CAUDAL EN LA DISMINUCION DE LA MATERIA ORGANICA
EN UN BIODIGESTOR ANAEROBIO”
ASESOR
Dr. HUGO SUASNABAR BUENDÍA
DEDICATORIA
A mis padres Fabián y Asenciona con mucho aprecio por el apoyo brindado en mi formación académica, a mi esposa Erika por confiar en mis capacidades brindándome su comprensión e inmenso amor. y a mis hijos Diego y Erick que son el motor de mi vida.
JHONNY
A mis padres por el esfuerzo realizado para que mis sueños se hagan una realidad y a mis hermanos por sus bellas palabras de aliento y motivación en todo momento.
MANUEL
AGRADECIMIENTO
Agradecimiento muy en especial a todos los docentes de la gloriosa facultad de Ingeniería Química de la UNCP, por el constante trabajo en la formación profesional y así permitir desempeñar de la mejor manera en el campo laboral.
Al asesor Dr. Hugo Suasnabar Buendía por el constante apoyo incondicional en la asesoría de la presente tesis transmitiéndonos su extenso conocimiento, experiencia y motivándonos a seguir adelante y con la finalidad de cumplir nuestra meta trazada.
RESUMEN
Se sabe que el ganado vacuno que son rumiantes son los grandes y quizás uno de los únicos contribuyentes al deterioro de nuestro planeta, con el calentamiento globa deteriorando de esta manera la capa de ozono que son las que nos protege de los rayos solares que son en algunas veces dañina para la piel.
En el presente trabajo de tesis se muestra el estudio sobre el efecto que tiene la temperatura y el caudal en la disminución de la materia orgánica en forma de DQO, del agua residual preparados con rumen de ganado vacuno; quizá este sería en parte la solución de muchos problemas causados por la emisión de gases por parte del ganado vacuno.
El agua residual preparada con rumen tiene una temperatura promedio de 15,30 ºC, ligeramente básicas con un pH de 7,4, de alta materia orgánica llegando a tener 12500 mg/L.
La temperatura y el caudal son una de las variables tomadas en cuenta para determinar el efecto que puedan tener en la disminución de la materia orgánica.
Para ello se utiliza diseño experimental de primer orden básicamente diseño factorial con dos niveles (2k); permitiendo evaluar el efecto que tienen las variables en un nivel bajo (temperatura 25°C y un caudal de 5 L/h) y en un nivel alto (temperatura 35ºC y un caudal de 10 L/h). El mejor resultado obtenido es 66,91 % de remoción en forma de DQO corresponde a: una temperatura de 35 °C y un caudal de 5 L/h.
El análisis de varianza realizada con la prueba de Fisher (F) de desviaciones de medias para un nivel de significancia de ∝=0,01 y gLT=1 y de los resultados obtenidos en el análisis de ANOVA cumplen con la condición F0›F para las variables de Temperatura, caudal y la interacción entre ambas.
INTRODUCCION
Según Milton Ríos, (2012); cuando se realiza el sacrificio de ganado vacuno, se produce una gran cantidad de residuos no deseables llamado rumial, las cuales no tienen un lugar fijo y adecuado donde desechar, por lo tanto, están generando y contribuyendo a la contaminación ambiental de los alrededores donde se depositan. Mientras que, para Ayala y Perea, (2000), estos residuos rúmiales son depositadas en los basureros municipales y aguas residuales, fomentando de igual manera la contaminación. El contenido ruminal proveniente del beneficio del ganado vacuno, conocido también como
“ruminaza” es un subproducto desechable; que al momento de su muerte contiene todo el material que no alcanzó a ser digerido, dentro de su estómago. Este producto “ruminaza” contiene una gran cantidad de flora y fauna microbiana y productos de la fermentación ruminal, que hacen que se produzca una gran cantidad de gases.
Los métodos conocidos para el tratamiento de agua residual que provienen de los mataderos se dividen en dos grandes grupos: los anaerobios y los aerobios. Con los procesos anaerobios se obtiene una reducción de la DBO muy elevado, además de producirse una menor cantidad de lodos, permitiendo obtener el biogás que puede ser utilizado como energía en el propio matadero para múltiplos usos; mientras que en los procesos aerobios solo ayudan a la transformación del nitrógeno orgánico y amoniacal en nitrato y además de no generar malos olores como en los procesos anaerobios; pero con respecto a costos generados los procesos anaerobios son menores.
El objetivo de este proyecto de investigación es determinar la influencia que pueden tener la temperatura y caudal en la disminución de la materia orgánica;
para llevar a cabo se cuenta con un biorreactor anaerobio de 240L de capacidad y además de contar con todos los instrumentos de medición que vienen incorporado en el equipo. La temperatura se hará variar entre 25°C y 35°C; mientras que el caudal variara entre 5 L/h a 10 L/h, la disminución de la materia orgánica en forma de DQO son resultados que se obtienen al hacer variar dichas variables, además de realizar análisis de la varianza (ANAVA) para evaluar la influencia que se puedan obtener.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Evaluar el efecto de la temperatura y caudal en la disminución de la materia orgánica en un biodigestor anaerobio.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Determinar el efecto de la temperatura en la reducción de la materia orgánica en un biodigestor anaerobio.
Determinar el efecto del caudal en la disminución de la materia orgánica en un biodigestor anaerobio.
NOMENCLATURA Qi Caudal de ingreso (l/h)
T Temperatura(°C)
MO Materia Orgánica (mg DQO/l)
%R Porcentaje de Remoción de DQO (%) DQOi Concentración inicial (mg/l)
DQOf Concentración final (mg/l) VR volumen total del reactor (L)
ABREVIATURAS DQO Demanda Química de oxigeno
TR Tiempo de Residencia
SST Solidos Suspendidos Totales SSV Solidos Suspendidos Volátiles GLE Grados de Libertad del Error GLT Grados de Libertad Total
α grado de confianza
F Estadístico de Fisher
ÍNDICE
Caratula i
Asesor ii
Dedicatoria iii
Agradecimiento iv
Resumen v
Introducción vi
Objetivos vii
Nomenclatura Abreviatura
viii viii
Índice ix
Índice de figuras xi
Índice de tablas xi
CAPITULO I
1.1. Antecedentes 1
1.2 Bases teóricas 3
1.2.1 1.2.2
Impactos que generan El rumen
3 4 1.2.3
1.2.4 Digestión anaerobia El medio soporte
10 15
1.2.5 Factores que influyen en el proceso metano génicos 19 1.2.6 Agua residual urbana y sus efectos sobre el medio receptor 26
1.2.7 Fuente de aguas residuales 28
1.2.8 Características de las aguas residuales 29
1.2.9 Tratamiento anaerobio de las aguas residuales 30
1.3 Bases conceptuales 33
1.3.1 Digestión anaerobia 33
1.3.2 Demanda Química de Oxigeno 33
1.3.3 Demanda Biológica de Oxigeno 34
CAPITULO II
PARTE EXPERIMENTAL
2.1 Tipo de investigación 47
2.2 Nivel de la investigación 47
2.3 Método de la investigación 47
2.4 Identificación de variable 47
2.5 Operacionalización de variables 47
2.6 Diseño de investigación 48
2.7 Metodología experimental 48
2.7.1 Población y muestra 48
2.7.2 Preparación y recolección de la muestra 49
2.7.3 Preparación y acondicionamiento del biodigestor 49
2.7.4 Procedimiento de recolección de datos 50
2.7.5 Técnicas de procesamiento y análisis de datos 50
2.7.6 Porcentaje de remoción 50
CAPITULO III
TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
3.1 Presentación, análisis e interpretación de datos 51
3.2 Discusión de resultados 52
Conclusiones 54
Sugerencia 55
Referencia bibliográfica 56
Anexo 58
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 Rumen vacuno o bobino 5
Figura 2 Proceso digestivo de un bovino 6
Figura 3 Proporción molar en el consumo de alfalfa 7
Figura 4 Proporción molar con maíz 8
Figura 5 Partes de la panza de un rumiante 9 Figura 6 Instalación y prueba hidráulica en el reactor 64
Figura 7 Rumen recolectado 64
Figura 8 Preparación del rumen 64
Figura 9 Filtrado del rumen 65
Figura 10 Dilución del rumen 65
Figura 11 Tablero de control del biodigestor 65
Figura 12 Llenado del tanque de alimentación con rumen 66
Figura 13 Tanque conteniendo el rumen 66
Figura 14 Toma de muestra del afluente 66
Figura 15 Toma de muestra del efluente 67
INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Requisitos de medio de soporte en filtros anaerobios 15 Tabla 2 Contaminantes presentes en las ARU y sus posibles efectos sobre
las aguas receptoras.
26
Tabla 3 Parámetros comúnmente empleados para la caracterización de un agua residual municipal
28
Tabla 4 Codificación de variables 48
Tabla 5 Matriz de diseño experimental 49
Tabla 6 Características de agua residual preparado con rumen 50 Tabla 7 Porcentaje de remoción de la materia orgánica 56 Tabla 8 Evaluación para el proceso, con dos variables y cuatro replicas 56
Tabla 9 Análisis de varianza (ANOVA) 57
Tabla 10 Estándares nacionales de calidad ambiental para agua 57
CAPITULO I
1.1 ANTECEDENTES
Según Varnero, M.T. (2011); dice que en la actualidad se han desarrollado diversos métodos para la transformación de residuos orgánicos en energía y así alcanzar la meta de conservación de los recursos y del ambiente. Por ello una forma de obtener energía a partir de los residuos es mediante la digestión anaeróbica.
Trillos (2007); en su trabajo titulado Análisis físico-Químico de los contenidos rúmiales frescos y ensilados de bovinos sacrificados en el valle del César; dice que el contenido ruminal es el producto obtenido a partir de los bovinos o vacunos en los mataderos, el cual está constituido por el alimento ingerido de animales poligástricos, los mismos que son desechados al momento del sacrificio. Esta mezcla de material no digerido tiene la consistencia de una papilla, de color amarillo verdoso, de un olor característico muy intenso cuando está fresco, además posee gran cantidad de flora y fauna microbiana.
Para Church (1974); la alimentación del rumiante está basada en materiales fibrosos tales como los forrajes y/o materiales provenientes de diferentes naturalezas, tales como los alimentos concentrados. Además, el tiempo entre comidas, y el consumo de agua son variables, así como la secreción de saliva, la fermentación, la tasa de pasaje y el volumen del contenido ruminal.
Hilbert, J. (1999) en su trabajo de investigación, indica que la producción ganadera genera diversos tipos de desechos, dentro de los cuales se tienen;
las excretas, fertilizantes, orines, etc.; los cuales son altamente contaminantes debido a que contienen materia orgánica, microorganismos, bacterias y hongos. Pero un manejo adecuado de todos estos residuos puede contribuir significativamente a la producción de distintas formas de energía.
Guevara, A. (1996); nos dice que el proceso de la digestión anaeróbica es muy complejo, debido al número de reacciones bioquímicas que tienen lugar y por la cantidad de microorganismos involucrados en ellas; además estas reacciones se llevan a cabo en forma simultánea. Los estudios bioquímicos y
microbiológicos dividen el proceso de descomposición anaeróbica de la materia orgánica en cuatro fases: Hidrólisis, etapa fermentativa o acidogénicas, etapa acidogénicas y etapa metanogénicas.
La digestión anaerobia es un proceso biológico en la cual los diversos microorganismos interactúan entre sí, en ausencia de oxígeno, para estabilizar la materia orgánica por conversión a metano y otros productos inorgánicos incluyendo agua y dióxido de carbono. (Díaz M. 2002)
Durante el proceso de digestión anaeróbica, se producen una serie de reacciones bioquímicas generándose biogás, el cual está constituido principalmente por metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). De esta forma, la digestión anaeróbica, como método de tratamiento de residuos, permite disminuir la cantidad de materia orgánica contaminante, estabilizándola (bioabonos) y al mismo tiempo, producir energía gaseosa (biogás). (Guevara, A. 1996)
El biogás es un producto del metabolismo de las bacterias metanogénicas que participan en la descomposición de la materia orgánica en un ambiente húmedo y ausencia de oxígeno, conocidos como biodigestores. Además durante el proceso de descomposición, algunos compuestos orgánicos son transformados a minerales, los cuales pueden ser utilizados fácilmente como fertilizante para cultivos. (Avalos, V. 2012).
Una alternativa para el aprovechamiento de residuos orgánicos es el uso de biodigestores anaerobios. En el año 2010, se construyó un biodigestor anaerobio tipo cúpula a escala real; que es una celda sobre el suelo de 67 m3, aislada térmicamente con geomembrana de polivinilo de cloruro. Cuenta con tubería de conducción de biogás y recirculación de polivinilo de cloruro. El proceso se inicia con el acopio y transporte del contenido gástrico ruminal bovino (rumen) y con la medición de Humedad, Sólidos Volátiles y Cenizas. La alimentación es una mezcla rumen: agua en proporción 4:1. Durante 90 días se monitoreó el Oxígeno disuelto, pH y la temperatura. La DQO se determinó al inicio, 30 y 60 días. La composición del biogás a los 30, 60 y 90 días. Los resultados obtenidos fueron Humedad, 87.85%; Sólidos volátiles, 85.56%; y 14.44% de Cenizas. Las concentraciones en % volumen para el CH4 y CO2,
fueron de 62.80±3.42% y 30.75±0.62%, respectivamente. La concentración de H2S fue de 15.96±0.19 ppm.; la DQO inicial fue de 60000 mg/l y a los 60 días, 5150 mg/l. teniendo una degradación del 91% de la materia orgánica. (J. R.
Laines Canepa y J. A. Sosa Oliver.2013).
1.2 BASES TEORICAS
1.2.1 IMPACTOS QUE GENERAN
Según Milton Ríos V. y Luis Ramírez H. en su trabajo de investigación
“Aprovechamiento del contenido ruminal bovino para ceba cunícola, como estrategia para diezmar la contaminación generada por el matadero en San Alberto”; indica que los impactos que ocasionan los residuos del ganado vacuno (rumen); provenientes de un matadero generan efluentes sólidos y líquidos con cargas elevadas de contaminantes, además de generar ruido, impacto visual y olores fuertes.
- Los residuos líquidos son generados en: los corrales de reposo, por agua de lavado, materia fecal y orina del ganado. También en área de desangrado y en las operaciones de remoción de cueros, pelo y otras partes no comestibles; además del procesamiento de la carne, vísceras e intestinos; estas aguas pueden contener sangre, grasa, fango, contenido intestinal, pedazos de carne, pelo y desinfectantes.
Los residuos líquidos según su origen se clasifican: en líquidos verdes y líquidos rojos.
- Los líquidos verdes (con estiércol): lavado de camiones, corrales, contenido panzas.
- Líquidos rojos (con sangre): lavados de faena, eviscerado, cámaras frigoríficas, playas de oreo.
a) Contaminación del aire: Esencialmente son provocadas por los malos olores generados en los procesos productivos, así como almacenamiento de desechos, tales como estiércol, sangre, intestinos y pelo, por su rápida descomposición.
b) Contaminación acústica: Son los ruidos molestosos que son generados por los animales, maquinarias y vehículos de transporte.
- Residuos sólidos: Provocados por el estiércol mezclado con orines (corrales); por las pezuñas, huesos, cuernos, restos de operación de descubrimiento y por el Rumen (Lignocelulosa; Mucosa y fermentos digestivos y por los Microorganismos patógenos).
Del 20 al 50 % del peso del animal en pie, no es apto para el consumo humano. La mayor parte de los desechos son putrescibles y deben manejarse cuidadosamente para prevenir los malos olores y enfermedades
1.2.2 EL RUMEN
Según Phillipson, (1981); el rumen es un gran saco anóxico, motor de la digestión en los bovinos. Los rumiantes se alimentan de hierba y de otros vegetales que contienen celulosa, almidón, pectina y hemicelulosa, estos animales no poseen enzimas que puedan digerirlos y son los microorganismos presentes en el rumen, tales como bacterias, protozoarios y hongos, los que al fermentar el alimento permiten al rumiante la obtención del alimento.
En el interior del rumen poblaciones de bacterias y de arqueas convierten estos complejos materiales vegetales en ácidos grasos de bajo peso molecular, dióxido de carbono y metano. Los ácidos orgánicos de bajo peso molecular, especialmente el acetato, satisfacen las necesidades nutritivas del animal. El dióxido de carbono y el metano se eliminan como productos residuales.
Según Trillos, (2007); en su trabajo de investigación titulado “Análisis físico- Químico de los contenidos rúmiales frescos y ensilados de bovinos sacrificados en el valle del César”; nos dice que el contenido del rumen de bovinos, es uno de los subproductos que puede ser utilizado como ingrediente en las raciones de los mismos, los cuales son desechados en la actualidad. Es importante destacar que aun teniendo 24 horas de ayuno los bovinos, al momento del sacrificio, pueden obtenerse por lo menos 30 Kg de
contenido ruminal, esto debido a que el paso del alimento por el tracto gastrointestinal de los rumiantes es lento, representando varias toneladas del producto que debe forzosamente eliminarse. Existe una gran variedad muy grande en los subproductos de matadero en cuanto a calidad y cantidad;
ya que estos dependen del tipo de alimentación de los bovinos, y también dependen de la región y país que provienen.
Figura 1. Rumen vacuno o bobino
a) Digestión en el rumen
Según Phillipson, A. T. (1981); la digestión en el rumen es un caso específico de mutualismo entre el animal y los microorganismos intestinales; estos animales rumiantes consumen hierba, hojas y ramitas ricas en celulosa;
además de poseer una cámara especializada denominada rumen, que alberga grandes poblaciones de protozoos y bacterias que contribuyen a la digestión.
Figura 2. Proceso digestivo de un bobino
Church, D. C. (1974) en su trabajo de investigación titulada “Fisiología digestiva y nutrición de los rumiantes”; nos dice que el rumen proporciona un ambiente estable y relativamente uniforme, de características anaeróbicas, con una temperatura entre 30 ºC y 40 ºC y un pH de 5.5 a 7.0. Estas son condiciones óptimas para el desarrollo de comunidades muy densas de microorganismos.
Estos microorganismos convierten la celulosa, el almidón y otros nutrientes ingeridos en CO2; H2; CH4 y ácidos orgánicos de bajo peso molecular, tales como el ácido acético, el ácido propiónico y el ácido butírico. El CO2 y el CH4
existentes en el rumen y debido a la fermentación de los metanógenos se expulsan al exterior, sin que contribuyan a la nutrición del animal.
Phillipson, (1981); en su trabajo de investigación titulado “Digestión en el rumiante”, dice que la proporción relativa de poblaciones microbianas del rumen cambia según sea la naturaleza del material ingerido por los animales.
Además, los cambios bruscos en la dieta, pueden alterar el sistema de fermentación del rumen y causan una excesiva producción de metano capaz de distender el rumen.
En ocasiones, esta distensión puede llegar a comprimir los pulmones y ahogar al animal, situación que se conoce como la hinchazón de las ovejas o del ganado. Cuando se produce, únicamente se puede salvar al animal mediante una punción del rumen que permita la salida del exceso de metano.
Cuando la dieta del animal está basada en forrajes, la proporción molar es:
Figura 3. Proporción molar en el consumo de alfalfa
Fuente: Church, D. C. 1974.
Si la dieta es alta en granos o concentrados la proporción será de:
Figura 4. Proporción molar en consumo de maíz
Fuente: Church, D. C. 1974.
b) Movimientos del rumen-retículo:
Según Phillipson, A. T. (1981) en su trabajo “Digestión en el rumiante”, los movimientos sincronizados del rumen-retículo, ayudan a mezclar el alimento recién ingerido con el que ya se encuentra presente en el rumen. Estos movimientos ayudan a la regurgitación y la eructación, así como el paso de la ingesta al omaso. El rumen tiene movimientos continuos, debido a que los pilares se dilatan y se contraen modificando el tamaño de los diferentes compartimentos del órgano. Los movimientos ruminales se dan con una frecuencia de 3 cada 2 minutos y son de dos tipos:
c) Proceso del Rumen:
Según Phillipson, A. T. (1981) ; la ruminación es una característica de los rumiantes y se da en 5 etapas las cuales son:
- Regurgitación de la ingesta desde el rumen-retículo.
- Deglución de los líquidos presentes en el bolo regurgitado.
- Re masticación de los sólidos regurgitados.
- Re insalivación de la ingesta.
- Re deglución del bolo.
La ruminación es un evento en el que participa una contracción especial del retículo, asociado con la dilatación de los cardias, un estado de presión negativa en el tórax y una onda de contracción antiperistáltica del esófago.
Esta ruminación se activa directamente por contacto del forraje con la mucosa del rumen-retículo. El tamaño de la partícula es importante, pues se ha observado que alimento en polvo o finamente molido, inhibe el proceso de ruminación. El tamaño de la partícula adecuado para estimular la rumia debe ser mayor a 2.5-3.0 cm.
d) Partes de la panza de un rumiante; estas son:
- Retículo, Redecilla o Bonete: Situado en la parte anterior de la cavidad abdominal, está separado del rumen por el pliegue retículo-ruminal, comunicación interna por la parte superior.
- Rumen, Panza o Herbario: Su volumen es aproximadamente del 75% de los cuatro compartimientos, está situado en el flanco izquierdo de la cavidad abdominal y dividido en un saco dorsal y otro ventral por una serie de proyecciones musculares.
- Omaso, Libro o Librillo: está situado en la parte derecha de la cavidad abdominal, conectado con el retículo (orificio retículo-omasal) y con el abomaso.
- Abomaso, Cuajar o Estomago verdadero: Esta situado en la parte derecha de la cavidad abdominal, forma el saco alargado y es el único de los cuatro con función glandular.
-
Figura 5. Partes de la panza de un rumiante
Fuente: INEA
1.2.3 DIGESTION ANAEROBIA
Es un proceso biológico en el que la materia biológica del residuo, en ausencia de oxígeno, se degrada o descompone por la actividad de unos microorganismos específicos transformándose en un gas de un elevado contenido energético o “biogás” y en otros productos de difícil degradación que se denomina “lodo” (Garrido, Flotats, Fernández, & Palatsi, 2009).
Fases del proceso de biodegrabilidad: Esta fase han permitido desarrollar un método probado para la conversión de materia orgánica compleja mediante la digestión anaerobia con fines de poder obtener un gas con un alto poder calorífico. Las fases del proceso de biodegradabilidad son: la hidrolisis; la acidogénesis y la acetogenésis; y la metanogénesis.
HIDROLISIS
Según Campos Pozuelo, (2001); es la primera fase, en donde las partículas y moléculas complejas que son hidrolizadas, mediante reacciones de oxidación-reducción, por enzimas extracelulares; producidos por los organismos fermentativos. Como resultado se producen compuestos solubles, que serán metabolizados por todas las bacterias anaerobias en el interior de las células. Los compuestos solubles, básicamente diferentes tipos de oligosacáridos y azúcares, alcoholes, aminoácidos y ácidos grasos, son fermentados por los microorganismos acidogénicas que producen principalmente, ácidos grasos de cadena corta, CO2 e H2. Los ácidos de cadena corta son transformados en acético, hidrógeno y dióxido de carbono mediante la acción de los microorganismos acetogénicos.
Según Peece (1983); la hidrólisis depende fundamentalmente de la temperatura del proceso, del tiempo de retención hidráulico, y de la composición del sustrato; también del tamaño de partícula, del pH, de la concentración de NH4+ y de la concentración de los productos de la hidrolisis.
ACIDOGENÉSIS Y ACETOGENÉSIS
Gerardi, (2003); nos dice que es la segunda etapa dentro de la degradación, en esta etapa el material orgánico es fermentado por varios organismos, formando así compuestos que pueden ser utilizados primeramente por los
microorganismos metanógenos; y compuestos orgánicos más reducidos, que propiamente deben ser oxidados por las bacterias acetogénicas a pequeños sustratos, que le sean factibles de utilizar a las bacterias metanógenas.
Según Madigan, Martinko y Parker (1998); solo el CH3COOH formado da lugar a la producción del 70% del metano
METANOGÉNESIS
Según Madigan, Martinko, & Parker, (1998); la metanogénesis es el último paso del proceso de descomposición anaerobia de la materia orgánica. En esta etapa los microorganismos metanogénicos son los responsables de la formación de CH4 a partir de sustratos monocarbonados o con dos átomos de carbono unidos por un enlace covalente; y se producen: CH3COO-, H2, CO2, formiato, CH3OH y algunas metilaminas.
Para Stafford, (1982) sean identificado algunas reacciones; que son causantes por las archaeas metanogénicas y estas son:
1. En primer lugar, la conversión de CH3COO- en CH4 por las archaeas metanogénicas acetoclásticas; los productos finales son el CH4 y el CO2, es llevada a cabo por los géneros Methanosarcina y Methanotrix. Estos microorganismos controlan el pH del medio por eliminación del CH3COOH y producción de CO2 que se disuelve formando HCO-3.
2. Según Bunca (2008); la formación de metano a partir del CO2 y H2 por las archaeas homoacetogénicas: la reacción de formación de CH4 a partir del CO2 y del Hidrógeno, actúa en el control del potencial redox de la fermentación en el digestor, evitando la pérdida de H2 y CO2 durante el crecimiento sobre compuestos multicarbonados, lo que implica en una mayor eficiencia termodinámica (Zeikus, 1979). Del metano que se produce el 50% proviene del CH3COOH. Este se origina en un 3% a 5,3%
de la reducción del CO2 con H2 a unos 60 °C.
1.2.4 EL MEDIO SOPORTE
El uso del soporte en los reactores biológicos tiene como finalidad la retención de sólidos al interior del mismo, a través del biofilme formado en su superficie y, principalmente, en los intersticios del lecho. El soporte de
cualquier material que fuere ocupa entre 50 a 70% de la altura total del reactor. Las principales finalidades del medio de soporte, son:
• Mejorar el contacto entre el sustrato y los sólidos biológicos.
• Facilitar un flujo uniforme dentro del reactor.
• Permitir la acumulación de una gran cantidad de biomasa.
• Actuar como una barrera física, evitando que los sólidos sean arrastrados por fuera del sistema de tratamiento.
• Actuar como un dispositivo para separar los sólidos de los gases.
Tabla 1. Requisitos de medios de soporte en filtros anaerobios
REQUISITO OBJETIVO
- Tener una estructura muy resistente.
- Debe ser biológica y químicamente inerte
- Debe Ser
suficientemente liviano - Poseer una gran
superficie específica y porosidad elevadas.
- Permitir una rápida proliferación de microorganismos.
- No debe presentar una superficie lisa.
- Tener un precio reducido.
- Soportar el propio peso, adicionado al peso de los sólidos biológicos adheridos a su superficie.
- Evitar una reacción entre el lecho y los microorganismos.
- Evitar la necesidad de estructuras complejas, y permitir la construcción de filtros más altos para reducir áreas de tratamiento.
- Debe permitir la adherencia de microorganismos reduciendo la posibilidad de colmatación.
- Debe de permitir la disminución del tiempo de arranque del reactor.
- Garantizar una gran porosidad elevada.
- Debe de viabilizar económicamente el proceso
El medio utilizado como soporte puede estar constituido por materiales tales como: piedras, bloques cerámicos, espumas, materiales plásticos, conchas de ostras y mejillones, bloques modulares de PVC, granito, esferas de
polietileno y bambú. Las principales características de los medios de soporte estudiados son:
Cáscara de coco. El coco es un producto agrícola de diversas aplicaciones en la industria de aceites y grasas; para que su aprovechamiento sea completo, sobre todo teniendo en cuenta que la estopa y la cáscara se pierden, ocasionando grandes volúmenes de desperdicio sin aprovechar.
La estopa es la capa que se encuentra en la cubierta fibrosa y que encierra la pulpa. Tiene una forma esférica y es gran dureza y con un espesor aproximado de 3 a 5 mm y representa entre un 15 y 19% del peso total del fruto; que va depender de la variedad.
Los desperdicios del coco la estopa y la cáscara; pueden ser considerados como un medio de soporte apropiado para filtros anaerobios y poseen condiciones óptimas como:
- Poseer una gran superficie específica para la adherencia de los microorganismos.
- Tener un alto porcentaje de vacíos por lo menos un 83%; que van a facilitar el flujo.
- Tener un bajo peso específico que permite que las infraestructuras de contención sean menos complejas.
- Una vida útil prolongada.
Anillo de guadua: La guadua es un tipo de madera perenne, y de alto rendimiento de madera por hectárea, puede alcanzar su madurez en un periodo relativamente corto de 3 a 6 años, por su longitud, trabajabilidad y buena durabilidad, se ha convertido en una especie forestal nativa con mayores posibilidades económicas, su utilización en la construcción y en la industria, permiten disminuir costos al ser empleado como materia prima.
El primer uso de la guadua como material de soporte de filtros anaerobios para el tratamiento de las aguas residuales de mieles provenientes del beneficio del café. Los buenos resultados que se han obtenido en altas eficiencias de remoción de materia orgánica, con bajo costo y fácil operación, con producción de metano; permitieron la construcción de varios reactores.
Teja de Barro Partida, como Medio de Soporte. Se utiliza como materia prima la arcilla para la producción de tejas, que resulta de la descomposición de rocas silicosas y aluminosas, generalmente por acción atmosférica. Son cuatro las operaciones en la fabricación de la teja, y estas son: preparación de la pasta, el moldeo, la desecación y la cocción. Estos materiales cerámicos son muy resistentes al ataque de agentes químicos, y además tienen una buena resistencia a la compresión y a la capacidad de absorción de agua.
En su utilización y producción, se genera una gran cantidad de desperdicios como materiales defectuosos que ya no pueden ser utilizados y son desechados.
Ventajas y Limitaciones
La presencia de materiales que son utilizados como soporte en los reactores tipo filtro anaerobio, ayudan a retener el lodo activo, lo que contribuye a mejorar la eficiencia de remoción de DQO y SST. Además de retener en su interior una gran cantidad de sólidos biológicos, el sistema tiene una gran capacidad de superar los choques de carga y reponerse satisfactoriamente ante la exposición moderada a agentes tóxicos o inhibitorios.
Una de las ventajas, es la respuesta casi inmediata del medio biológico ante las condiciones de parada del biorreactor por periodos largos de tiempo. Esta característica de superación del sistema, se debe a que únicamente se destruyen los microorganismos de las capas más externas, recobrándose inmediatamente, por consiguiente, no requiere del vaciado inmediato y nueva puesta en marcha de la instalación, como ocurre con otros sistemas.
Algunas de las limitaciones del filtro anaerobio son: la formación de cortocircuitos causados por la generación de líneas preferenciales de flujo a través del medio de soporte; dependiendo del tipo de material de soporte, una pequeña o muy grande fracción de volumen del reactor se pierde debido al volumen de la biomasa retenida; si el agua residual a tratar tiene una alta concentración de sólidos suspendidos, el medio de soporte se colmata rápidamente; debido a la resistencia que ofrece el soporte al paso del agua residual, sólo una parte de la biomasa retenida, está realmente en contacto
con el desecho; los costos de inversión inicial pueden ser significativamente más altos en comparación con otros procesos anaerobios debido a la adquisición del material de soporte.
1.2.5 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO METANOGÉNICO
Según Hilbert (2007); la producción de biogás en el proceso metanogénicas depende de los siguientes parámetros: Tipo de la materia prima; temperatura;
pH; relación de la DBO y DQO; la DBO; la DQO; composición de la materia orgánica y tipo del material soporte.
a) Tipo de materia prima: Las materias primas fermentables incluyen además de los excrementos animales y humanos, a las aguas residuales orgánicas provenientes de las industrias de: producción de alcohol, procesado de frutas, verduras, lácteos, carnes, y alimenticias en forma general; restos de diferentes tipos de cosechas y basuras. El proceso microbiológico no solo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno, sino que también deben estar presentes en un cierto equilibrio las sales minerales como el azufre, el fósforo, el potasio, el calcio, el magnesio, el hierro, el manganeso, el molibdeno, el zinc, el cobalto, el selenio, el tungsteno, el níquel y otros en proporciones menores.
Aquellas sustancias con un alto contenido de lignina no son directamente aprovechables y por lo tanto se deben someter a tratamientos previos tales como el cortado, el macerado y el compostado; a fin de liberar las sustancias que sean fáciles de ser transformadas de las incrustaciones de lignina. Con lo que respecta al estiércol de los animales, la degradación de cada uno de ellos dependerá fundamentalmente del tipo de animal y la alimentación que hayan recibido los mismos. Los valores tanto de producción como de rendimiento en gas de los estiércoles presentan grandes diferencias entre distintos autores.
b) Temperatura: La temperatura es uno de los parámetros ambientales más importantes en el desarrollo de cualquier proceso bioquímico; debido a que puede mejorar o puede inhibir a grupos microbianos específicos, esto debido
a que las actividades implican reacciones enzimáticas, donde las enzimas son complejos moleculares sensibles a la temperatura. Otra de las razones son los diferentes tiempos de activación de los grupos bacterianos durante el curso de la digestión, ya que cada una de estas bacterias, tienen una temperatura óptima en donde se pueden estabilizar su tasa de crecimiento celular máximo. En el caso del tratamiento anaerobio de lodos, la temperatura del proceso determina la rapidez y el grado de avance de la digestión anaerobia (Mae-wan, 2008).
La digestión anaerobia puede ocurrir en un amplio rango de temperaturas que van desde los 5°C hasta los 60°C. Dentro de ellas las bacterias metanogénicas son las más sensibles a la temperatura debido a que su velocidad de crecimiento es más lenta. El proceso de digestión anaerobio no se ven afectado si la temperatura aumenta en unos pocos grados; sin embargo, una disminución de la temperatura podría retardar la producción del CH4, pero sin perjudicar la actividad metanogénicas de las bacterias acidificantes, lo cual permite una excesiva acumulación de ácidos y una posible falla en el biodigestor. (Bidlingmaier, 2006); (Osorio, Ciro, &
González, 2007).
La velocidad con que crecen los microorganismos responsables del proceso anaerobio aumenta con la temperatura (Van Lier, Hulsbeek, Stams, &
Lettinga, 1993) definiéndose tres rangos de temperaturas para poder clasificar los sistemas; estos son: el psicrofílico, por debajo de 20ºC, o a la temperatura ambiente; el mesofílico, la temperatura esta entre los 30-40ºC, y el rango termofílico que se encuentra entre los 50 y 65ºC. El rango mesofílico es el más utilizado. (Gallert, Bauer, & Winter, 1998).
El rango termofílico puede ser más inestable, esto debido a la mayor toxicidad de determinados compuestos a altas temperaturas, tales como el Nitrógeno amoniacal o los ácidos grasos de cadena larga; algunas de las ventajas que presenta el rango termofílico son los siguientes: la fermentación es más rápida, eliminación de casi un 100% de virus y bacterias patógenas, la separación solida-liquida es más rápida .
c) pH: Los microorganismos anaerobios necesitan de manera estricta un pH en torna a la neutralidad para un desarrollo correcto, aunque también permiten una cierta oscilación; pero pueden presentarse algunos problemas si baja el pH por debajo de 6 o si el pH sube por encima de 8,3. El pH afecta directamente a la actividad enzimática de los microorganismos mediante cambios de estado de los iones de las enzimas como el carboxil y amino.
(Clark & S peece, 1989).
Cuando se ha estabilizado el proceso fermentativo, el pH se mantiene en valores que oscilan entre los 6 y 8, para valores de pH por debajo de 5 y por encima de pH 8 se corre el riesgo de inhibir el proceso de fermentación e incluso se puede detener el proceso. Debido a los efectos buffer que producen los compuestos tales como el CO2 y HCO-3 y el NH4-NH3 el proceso en sí mismo tiene la capacidad de regular diferencias en el pH del material de entrada. Los valores de pH pueden ser corregida para mantenerlo dentro del rango adecuado para el proceso de fermentación, cuando el pH es alto se pueden extraer en forma frecuente una pequeña cantidad de efluente y agregar materia orgánica fresca en la misma cantidad o de lo contrario cuando el pH es bajo se pueden agregar fertilizante, cenizas o agua amoniacal diluida.
d) Relación DBO/DQO: Frecuentemente suele utilizarse la relación DBO/DQO para estimar la biodegrabilidad de un agua residual. La determinación de la DBO y la DQO permite establecer la relación existente de contaminantes y según el resultado obtenido se puede conocer la posibilidad o no de efectuar algún tipo de tratamiento para las aguas residuales (Mihelcic & Zimmerman, 2011). La diferencia más notable entre estos dos; es que la DBO representa la cantidad de materia orgánica biodegradable, mientras que la DQO representa ambas, es decir tanto la materia biodegradable como la materia no biodegradable.
e) Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO): Se define como la cantidad de oxígeno usado por los microorganismos no fotosintéticos a una temperatura
de 20ºC, para metabolizar los compuestos orgánicos biodegradables. Se ha demostrado que una gran parte de los microorganismos metabolizan aeróbicamente los sustratos orgánicos, tales como los lípidos, los azúcares, los alcoholes o las proteínas, tal que alcanzan un máximo rendimiento de producción celular de 0.4 g de células en peso seco por gramo de DQO eliminada (Sikes, 1975).
Una de las razones técnicas de hacer las lecturas de DBO a los 05 días de incubación es porque después de este periodo frecuentemente ocurre la nitrificación. La nitrificación o conversión del nitrógeno orgánico y amoniacal a nitritos y nitratos requiere de oxígeno, por lo que la disminución de oxígeno disuelto o incremento de DBO, ya no se debe a la oxidación del carbono orgánico que es lo que se desea medir en este tipo de prueba.
f) Demanda Química de Oxigeno (DQO): Se refiere a la cantidad de oxígeno que se requiere para oxidar completamente por medios químicos los compuestos orgánicos a CO2 y H2O. En las pruebas de DQO se acelera artificialmente el proceso de biodegradación que hacen los microorganismos, mediante un proceso de biodegradación forzada, utilizando oxidantes químicos y métodos debidamente estandarizados, que tienen como objetivo la reproducción de las mediciones, esta prueba es una indicación de la cantidad de nutrientes fácilmente biodegradables presentes en una muestra, es ideal para aplicarla a residuos que contengan entre otros nutrientes con carbón, como las de industrias o métodos de producción biológicos (Metcalf & Eddy, 1994).
g) Composición de la materia orgánica: Valdivia, (2000), propone que para que el proceso de digestión no se interrumpa, el porcentaje más adecuado de contenido en sólidos debe ser del 5% al 10%; lo que indica que la biomasa más adecuada es la de alto contenido en humedad. Durante la digestión se encuentra que no toda materia prima se digiere, si no que una parte se convierte en CH4, otra en sedimento y habrá también una porción que no se digiere, esta y otras propiedades básicas de la materia se expresan casi siempre como sigue:
Humedad: Es la cantidad de agua existente en la materia a utilizar. Se obtiene al secarse el material a una temperatura de 104°C, hasta que la generación de biogás mediante el proceso de digestión anaerobia pierda peso; la diferencia entre el peso inicial y el peso final es equivalente a la humedad que contenía la materia.
Sólidos totales: Es la Materia orgánica sin humedad, es decir, el peso de la materia seca que queda después de realizar la operación de secado. El sólido total suele ser equivalente al peso en seco; pero si la materia es secada directamente al sol, pueda que aun contenga cerca del 30% de humedad. El sólido total incluye componentes digeribles o “sólidos totales volátiles” y componentes no digeribles o “sólidos totales fijos”.
Sólidos volátiles (SV): Son considerados como la materia que realmente es transformada por las bacterias durante el proceso. Es el peso de los sólidos orgánicos quemados a una temperatura de unos 538 °C.
Sólidos fijos (SF): Es la cantidad de material que no es transformado durante el proceso y es el peso que queda después del calcinado y es conocido como cenizas, y se trata de material biológicamente inerte. Los sólidos fijos son el residuo de los sólidos totales, disueltos o suspendidos, después de llevar una muestra a sequedad durante un tiempo determinado a 550°C.
h) Influencia del material soporte
Según García Encinas la principal función del material soporte utilizado como relleno, es ofrecer una gran superficie de contacto que favorezca la adhesión de los microorganismos anaerobios y la formación de una película biológica activa, al mismo tiempo que asegura el atrapamiento, en los espacios vacíos del lecho, de los flóculos microbianos no adheridos.
Las características del material soporte deben ser tales que se eviten las obstrucciones y la formación de caminos preferentes y zonas muertas, que darían lugar al desaprovechamiento parcial del volumen total del reactor.
Estas características deben combinarse para obtener un lecho, poroso de gran superficie especifica.
1.2.6 AGUA RESIDUAL URBANA Y SUS EFECTOS SOBRE EL MEDIO RECEPTOR
Según Dewsime, (1997) y Matías et. al, (1999); un agua residual se puede definir como un residuo líquido recogido mediante la red de alcantarillado para su envío a una planta depuradora de aguas residuales. El tipo y la cantidad de agua residual en el afluente reflejan la naturaleza del área a la que se sirve, el uso que se le ha dado y las condiciones del medio de conducción.
El factor que más influye sobre los procesos de depuración del agua residual es su composición. La procedencia de un agua residual es un aspecto determinante por sus características químicas, físicas y biológicas. En la tabla 2, se resumen los principales contaminantes que se pueden encontrar en el agua residual y sus posibles efectos sobre el medio receptor.
Tabla 2 Contaminantes presentes en un ARU y sus posibles efectos sobre las aguas receptoras
CONTAMINANTES IMPACTOS MAS SIGNIFICATIVOS
Materia en suspensión
Aumento de la turbidez, produciendo alteración de la fotosíntesis y reducción en la producción de oxígeno; además de producir sedimentación, obstruyendo y cubriendo el lecho de los ríos.
Compuestos inorgánicos
Eco toxicidad de algunos compuestos, como las sales de los metales pesados. Además de producir reacciones con sustancias disueltas en el agua pasando a formar compuestos peligrosos.
Conductividad
Concentración elevada de sales impiden la supervivencia de diversas especies de animales y de vegetales.
Nutrientes
Crecimiento normal de algas y bacterias (aumento de la turbidez del agua). Eutrofización del agua.
Materia Orgánica
Su descomposición puede provocar la disminución de la concentración del oxígeno disuelto en el agua hasta alcanzar condiciones sépticas además la eutrofización del agua y la emisión de CH4 en caso de procesos anaerobios.
Compuestos orgánicos
tóxicos
Toxicidad para la vida acuática y la disminución de la concentración de oxígeno debido a los procesos de biodegradación. Producción de una película superficial que impide la aeración del agua.
Organismos patógenos
Inutilización del agua para el uso humano. Contaminación de los organismos acuáticos que pueden llegar al hombre con la cadena alimenticia.
Contaminación térmica
Modificación de la solubilidad del oxígeno en el agua.
Aceleración de los metabolismos de la flora y la fauna acuática produciéndose la eutrofización y por último la alteración de los ecosistemas acuáticos.
Fuente: Dewsime, (1997) y Matias et. al. (1999)
En la tabla 3 indica los principales parámetros empleados para la caracterización de un ARM.
Tabla 3. Parámetros comúnmente empleados para la caracterización de un ARM
Fuente: Directiva 91/271 Escales, 1997
1.2.7 FUENTES DE AGUAS RESIDUALES
Según Romero Rojas, (2004); las aguas residuales son las aguas usadas y los sólidos que por uno u otro medio se introducen en las cloacas y que son transportados mediante el sistema de alcantarillado. En general, se consideran aguas residuales domesticas (ARD) los líquidos provenientes de las viviendas o residencias, edificios comerciales e institucionales.
Se denominan aguas residuales municipales a los residuos líquidos transportados por el alcantarillado de una ciudad o población y tratados en
Físicos Químicos Biológicos
Sólidos totales (ST), mg/L;
tanto como suspendidos y volátiles.
Temperatura, 0C Turbiedad, UNT
Materia orgánica, mg O2/L; DBO5; DQO, pH, Alcalinidad (mg CaCO3/L); Nitrógeno (mg N2/ L).
Ammoniacal; Nitritos; Nitratos; Fosforo.
Organismos patógenos
Coliformes
Virus, ufc/100mL
una planta de tratamiento municipal, y se llaman aguas residuales industriales las aguas residuales provenientes de las industrias y de las manufacturas.
Las aguas negras son las aguas residuales provenientes de inodoros, es decir, aquellas que transportan excrementos humanos y orina, ricos en sólidos suspendidos, en Nitrógeno y coliformes fecales. Se denominan aguas grises a las aguas residuales provenientes de tinas, duchas, lavamanos y lavadoras, que son aportantes de DBO, solidos suspendidos, fósforo, grasas y coliformes fecales, esto es, aguas residuales domésticas, excluyendo las de los inodoros.
Las aguas de lluvias transportan la carga poluidora de los techos, de las calles y de las demás superficies por donde circulan; en las ciudades modernas se recogen en alcantarillas separadas, sin conexiones conocidas de aguas residuales, domesticas o industriales y, en general, se descargan directamente en el curso de agua natural más próximo sin ningún previo tratamiento.
No obstante, durante los aguaceros el caudal en exceso de la capacidad de la planta y del alcantarillado interceptor se desvía directamente al curso natural de agua. En este caso se pueden presentar riesgos serios de polución y de violación de las normas de descargas, los cuales sólo se pueden evitar reemplazando el sistema de alcantarillado combinado por uno separado.
1.2.8 CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES
Romero Rojas, (2004) indica que las características de un agua residual puede hacerse de muchas maneras dependiendo de su propósito específico;
sin embargo, vale la pena anotar que toda caracterización de aguas residuales implica un programa de muestreo apropiado para asegurar representatividad de la muestra y un análisis de laboratorio de conformidad con normas estándar que aseguran precisión y exactitud en los resultados.
En general, un programa de muestreo para caracterización y control de calidad de aguas supone un análisis cuidadoso del tipo de muestras, número de ellas y parámetros que se deben analizar, en especial en un medio como el colombiano en el que no se justifica asignas más recursos de los estrictamente necesarios para satisfacer el objetivo propuesto.
1.2.9 TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LAS AGUAS RESIDUALES
El tratamiento anaerobio se utiliza tanto para las aguas residuales como para la digestión de los lodos. Los productos finales de la degradación anaerobia son gases, principalmente CH4, CO2 y pequeñas cantidades de H2S, mercaptano (RSH) e hidrogeno (H2). El proceso comprende dos etapas: (1) fermentación ácida y (2) fermentación metánica.
Fermentación acida: los compuestos orgánicos complejos del agua residual conteniendo proteínas, grasas e hidratos de carbono; se hidrolizan en primer lugar para producir unidades moleculares menores, las cuales a su vez son sometidas a biooxidación, convirtiéndose principalmente en ácidos orgánicos de cadena corta, tales como el ácido acético, el ácido propiónico y el butílico.
Una población heterogénea de bacterias facultativas y anaerobias es responsable de estas reacciones de hidrolisis y oxidación. En la etapa de fermentación acida no se produce una reducción importante de la DQO, ya que principalmente lo que ocurre es la conversión de las moléculas orgánicas complejas en ácidos orgánicos de cadena corta que ejercen también una demanda de oxígeno.
Fermentación metánica: los microorganismos metano génicos, que son estrictamente anaerobios, convierten los ácidos de cadena más larga a metano, dióxido de carbono y ácidos orgánicos de cadenas más cortas.
Las moléculas ácidas se rompen repetidamente dando lugar finalmente a ácido acético que se convierte en CO2 y CH4.
El grupo de bacterias facultativas y anaerobias responsable de la etapa de fermentación acida tiene una velocidad de crecimiento más elevada que las bacterias metano génicas responsables de la etapa de fermentación metánica. Como resultado, la etapa de fermentación ácida es relativamente rápida por lo que la etapa de fermentación metánica es la que controla la velocidad en los procesos anaerobios.
El tiempo de residencia para los microorganismos metánicos debe ser el adecuado de lo contrario son eliminados del sistema. Los datos experimentales demuestran que el tiempo de residencia requerido varía desde 2 días a 20 días. El nivel óptimo de pH va de 6,8 a 7,4.
Algunas de las ventajas del tratamiento anaerobio sobre el aerobio son las siguientes:
1. Como no necesita oxígeno para la aireación, se produce ahorro de consumo energético.
2. El coeficiente de producción de biomasa Y para los procesos anaerobios es mucho menor que para los sistemas aerobios;
produciéndose en consecuencia menos biomasa por unidad de reducción de sustrato.
3. En los procesos anaerobios es posible operar a cargas orgánicas de los efluentes superiores que para el caso de los procesos aerobios.
Este hecho resulta de la limitación de velocidad de la transferencia de oxígeno de los procesos aerobios.
4. La producción de CH4 en los procesos anaerobios es una ventaja debido a que se puede usar como combustible.
Algunas de las desventajas del tratamiento anaerobio con respecto al aerobio son las siguientes:
1. Se necesitan mayores tiempos de residencia.
2. Los malos olores debido principalmente a la producción de H2S y de mercaptanos.
3. Se necesitan mayores temperaturas para asegurar que se produzcan a velocidades razonables. Esta temperatura esta alrededor de los 35°C, lo que significa que puede necesitarse el precalentamiento de la alimentación o el calentamiento del reactor anaerobio.
4. La sedimentación de la biomasa anaerobia en el clarificador secundario es más difícil que la decantación de la biomasa en el proceso de lodos activos. Sin embargo, si el agua residual a tratar en el proceso anaerobio contiene una concentración elevada de sólidos en suspensión a los que pueda adherirse la biomasa, pueden conseguirse buenas condiciones de sedimentación en el clarificador secundario.
5. La operación de las unidades anaerobias es más difícil que las aerobias, siendo el proceso más sensible a las cargas de choque.
1.3 BASES CONCEPTUALES 1.3.1 DIGESTION ANAEROBIA
Es un proceso complejo constituido por un conjunto de reacciones consecutivas y paralelas, biocatalizadas por diferentes especies de microorganismos. Las reacciones que se producen son ligeramente exotérmicas y el proceso funciona a bajos niveles térmicos aproximadamente a una temperatura de 37ºC; con intercambio de calor externo y aislamiento del reactor, por eso se puede suponer reactor isotérmico.
1.3.2 DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO (DQO)
Según Gil Rodríguez, (2005); es el consumo de oxígeno mg/L en la oxidación total por vía húmeda de la materia carbonácea, presente en la muestra problema. Las condiciones de la oxidación se deben a la acción combinada de un oxidante fuerte, como el bicromato de potasio, en medio acido y a temperatura elevada, durante un tiempo suficiente para completar la oxidación.
La demanda química de oxígeno (DQO), es el índice general de contaminación más usado, en ingles se denomina Chemical Oxygen Demand (COD).
Para sustancias fácilmente oxidables, la DQO y la DBOu presentan resultados semejantes, no siendo así para sustancias más resistentes, pero siempre se cumplirá que DQO≥ DBOu.
1.3.3 DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO (DBO)
Gil Rodríguez, (2005); indica que la Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO), se define como la cantidad de oxígeno utilizado por microorganismo heterótrofos, para transformar la materia orgánica metabolizable de la muestra a examinar, en anhídrido carbónico, agua y productos finales. Se realiza en condiciones aeróbicas, con presencia suficiente de oxígeno libre, desde el comienzo al final de la prueba, midiéndose la acumulación del oxígeno utilizado. El resultado se expresa en miligramos de oxígeno utilizado por litro de agua examinada.
Las condiciones de medida, fueron establecidas en 1912 por una UK Royal Commission, en su octavo informe titulado Standard san test for sewage and sewage effluents discherging in to rivers and streams.
En este informe se recomendó un periodo de incubación de cinco días, tiempo medio de los ríos ingleses en el mes más cálido, que equivale a 18,3°C redondeado a 20°C. El test quedó inalterado desde 1912 y se conoce universalmente como DBO5 a 20°C, o simplemente DBO.
La importancia de la medida de la DBO, radica en que del análisis de la evolución de la DBO, se obtiene información de los parámetros cinéticos de la biodegradabilidad de la muestra, base del diseño y operación de las depuradoras de aguas residuales.
CAPITULO II
PARTE EXPERIMENTAL
La parte experimental se desarrolló con el biodigestor a nivel de Laboratorio que se encuentra en el Laboratorio de Operaciones y Procesos Unitarios (LOPU) de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
2.1 TIPO DE INVESTIGACION: Según Quesada es una investigación Aplicada.
Porque que se van a solucionar problemas ambientales; generados por residuos de ganado vacuno (rumen).
2.2 NIVEL DE LA INVESTIGACION: Según Quezada es Explicativa.
2.3 METODOS DE LA INVESTIGACION: Según Quezada es Experimental; porque se realiza mediante la manipulación de una variable experimental no comprobada, en condiciones rigurosamente controladas, con el fin de describir el modo o por qué causa se produce una situación o acontecimiento particular.
2.4 IDENTIFICACION DE VARIABLE
Variables independientes: Es la que se va a manipular en el experimento; es decir aquella que cambia y pose el potencial de afectar la variable dependiente.
Las variables a ser manipulada son:
Temperatura (T) Caudal (Q)
Variable dependiente: Aquella que es afectada por causa de las variables independientes.
Materia orgánica (DQO)
2.5 OPERACIONALIZACION DE LAS VARIABLES Variables independientes:
X1 = Temperatura (°C) X2 = Caudal (L/h)
Variable dependiente:
Materia orgánica (mg/L)
En tabla 4 se muestran la codificación de las variables y la matriz de diseño de experimentos, donde el signo es -1 para el rango mínimo y el signo +1 para el rango máximo
Tabla 4 Codificación de las variables
VARIABLE DE INVESTIGACION VARIABLE VARIABLE
CODIFICADA UNIDADES NIVELE MINIMO MAXIMO
Temperatura X1 °C 25 35
Caudal X2 (L/h) 5 10
Fuente: Elaboración propia
Tabla 5 Matriz de diseño experimental
PRUEBA X1 X2
1 2 3 4
+1 -1 +1
-1
-1 -1 +1 +1
Fuente: Elaboración propia
2.6 DISEÑO DE INVESTIGACIÓN.
Diseño experimental tipo factorial de primer orden a dos niveles N=2K con cuatro replicas.
Donde:
N: Número de Pruebas
K: Número de Variables independientes
2.7 METODOLOGIA EXPERIMENTAL 2.7.1 POBLACION Y MUESTRA
Es infinita y estará representada por las aguas residuales provenientes de la preparación de la mezcla del rumen del ganado vacuno con agua.
La muestra que se obtiene es representativa, el cual está compuesta por el agua residual preparada y contenida en el tanque de alimentación que tiene una capacidad de 700 L.
Además, el contenido rumial que se utilizó para la preparación del agua residual provienen del matadero del distrito de Huari.
2.7.2 PREPARACION Y RECOLECCION DE LA MUESTRA
El rumen de ganado vacuno fue traído del matadero de Huari, un lugar ubicado al Sur de Huancayo aproximadamente a 8 Km. En este lugar se recolecto en balde de plástico el rumen, para luego ser llevado a laboratorio de operaciones y procesos unitarios de la FIQ-UNCP.
En este lugar (LOPU) se procedió en primer lugar a filtrar el rumen debido a que contenía bastante solidos (alimento del ganado no digerido) que puedan obstruir los conductos del tanque de alimentación y del reactor.
El rumen así preparado es cargado al tanque de alimentación y luego aforado a 700Litros con agua con la finalidad de diluir y asi obtener el agua residual para ser alimentada al reactor.
2.7.3 PREPARACION Y ACONDICIONAMIENTO DEL REACTOR
El reactor a utilizarse está ubicado en el Laboratorio de Operaciones y Procesos Unitarios, todo el reactor tiene una capacidad de 400 litros de capacidad que trabaja a nivel de planta piloto; está dividido en dos secciones pero el reactor en si en donde se realiza la biodegradación tiene una capacidad de 240 Litros de capacidad; este biorreactor está provisto de los siguientes equipos de medición y control que visualizan todos los parámetros más significativos del proceso, tales como:
- Temperatura dentro del biodigestor.
- Medida de pH del lodo dentro del biodigestor.
- Medida de potencial redox del lodo.
- medida del caudal de alimentación.
En la etapa experimental se realizaron una serie de pruebas preliminares como caracterización del afluente, ajuste de pH y una prueba hidráulica.
2.7.4 PROCEDIMIENTOS DE RECOLECCION DE DATOS
Se pone en funcionamiento el reactor; la temperatura se hizo variar entre los 25°C y 35°C; de igual manera se hizo con el caudal es decir entre los 5 L/h y 10 L/h. El pH se mantuvo constante a pH 8.
Se abrió la llave del tanque o reservorio para alimentar el reactor; se tomó muestra en el afluente del reactor para determinar la materia orgánica inicial con la que está ingresando al reactor; el monitoreo de la materia orgánica se realizó en el efluente del reactor, según el diseño experimental propuesto.
2.7.5 TECNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANALISIS DE RESULTADOS TRATAMIENTO ESTADISTICO: para el estudio propuesto se evaluó simultáneamente todas las variables independientes y dependientes consideradas y además evaluar la fuerza de interacción entre las variables.
EVALUACION DE LOS FACTORES: La evaluación e interacción se realiza en base al análisis de la varianza (ANAVA).
2.7.6 PORCENTAJE DE REMOCION Según la ecuación de Kyeli, (2000)
% i f
i
DQO DQO
R DQO
(2.1) En donde:
%R = Porcentaje de remoción de la materia organica.
(DQO)i = Concentración inicial de la Demanda Química de Oxígeno.
(DQO)f = Concentración final de la Demanda Química de Oxígeno.
CAPITULO III
TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSION DE RESULTADOS 3.1 PRESENTACION, ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS DATOS
En la tabla 6 se presentan las características que poseen las aguas residuales preparada con rumen; se observa, que estas aguas residuales son ligeramente básicas y con un alto contenido de materia orgánica.
Tabla 6 Características del agua residual preparada con rumen.
PARAMETRO PROMEDIO
Temperatura (°C) pH
DQO (mg/L) DBO5 (mg/L)
15,30 7,4 12500,00 10250,00
En la tabla 7 se tiene el porcentaje de remoción (%R) de la materia orgánica expresada en forma de DQO; las cuales son determinadas utilizando la ecuación 2.1. propuesta por Kyeli.
Tabla 7 Porcentaje de Remoción de la materia orgánica en forma de DQO
Variables Réplicas %R
X1 X2 I II III IV
25 5 5520 5630 5350 5820 55,36
35 5 4130 4090 4185 4140 66,91
25 10 5755 5680 5860 5770 53,87
35 10 4850 4990 4970 4880 60,62
Fuente: Elaboración propia
En la tabla 8, se observa que el mejor y el mayor de los valores de respuesta corresponde a la temperatura de 35°C y con un caudal de 5 L/h; a estas condiciones el porcentaje de remoción es lo esperado, debido a que se ha reducido considerablemente la materia orgánica contenido en las aguas residuales.
