UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
EVALUACIÓN DE LA REMOCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA EN UN REACTOR ANAERÓBIO DE FLUJO
ASCENDENTE CON EL TIEMPO DE RESIDENCIA HIDRÁULICO Y CARGA ORGÁNICA EN EL
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES
Tesis
Para optar el Título Profesional de Ingeniera Químico Ambiental Presentado por:
CASTRO MERCADO ELIZABETH SALLY LAZO ALFARO YULI DORA
HUANCAYO - PERÚ 2023
INFORME N° 113-2022-CALM-FIQ-UNCP
A : Dr. DEMETRIO ALIPIO SALAZAR MAURICIO
Decano (e) de la Facultad de Ingeniería Química
DE : Ms. EVER FLORENCIO INGARUCA ALVAREZ
Docente Asesora de Tesis – Facultad de Ingeniería Química – UNCP ASUNTO : REPORTE DE SIMILITUD DE CONTENIDO (TURNITIN)
FECHA : Huancayo, 14 de enero de 2022
Mediante el presente me dirijo a usted para saludarle y la vez hacer de su conocimiento, que después de haber procedido a la verificación de similitud con el TURNITIN en cumplimiento a la Ley Universitaria N° 30220, Estatuto de la UNCP, Reglamento de investigación y la Resolución N° 2064-CU-2017 del Código de Ética de Investigación de la UNCP, el resultado fue el siguiente:
TÍTULO DE TESIS TESISTAS RESULTADO DE SIMILITUD
“EVALUACIÓN DE LA REMOCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA EN UN REACTOR ANAERÓBIO DE FLUJO ASCENDENTE CON EL TIEMPO DE RESIDENCIA HIDRÁULICO Y CARGA ORGÁNICA EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES
• CASTRO MERCADO, ELIZABETH SALLY
• LAZO ALFARO, YULI DORA 24 %
Lo cual se informa a usted para los fines correspondientes. En consecuencia, recomiendo que los (las) tesistas continúen con sus trámites correspondientes.
Agradeciendo su atención especial al presente me despido reiterándole mi estima personal.
Atentamente.,
_____________________________________
Ms. EVER F. INGARUCA ALVAREZ DOCENTE - ASESOR
cc. Archivo.
24 %
INDICE DE SIMILITUD
19 %
FUENTES DE INTERNET
9 %
PUBLICACIONES
15 %
TRABAJOS DEL ESTUDIANTE
1 11 %
2 2 %
3 1 %
4 1 %
5 1 %
6 1 %
7 1 %
Tesis Elizabeth y Yuli
INFORME DE ORIGINALIDAD
FUENTES PRIMARIAS
Submitted to Universidad Nacional del Centro del Peru
Trabajo del estudiante
MANUEL REYES MEDINA. "Lixiviados en
plantas de residuos. Una contribución para la selección del proceso de tratamiento.",
'Universitat Politecnica de Valencia', 2015
Fuente de Internet
repositorio.unicach.mx
Fuente de Internet
www.upb.edu
Fuente de Internet
repositorio.uncp.edu.pe
Fuente de Internet
hdl.handle.net
Fuente de Internet
repositorio.conicyt.cl
Fuente de Internet
www.scielo.org.pe
31 < 1 %
32 < 1 %
33 < 1 %
34 < 1 %
Excluir citas Activo Excluir bibliografía Activo
Excluir coincidencias < 15 words
ciep.ing.uaslp.mx
Fuente de Internet
Laura S. Privalle, Kristi N. Lahners, Martha A.
Mullins, Steven Rothstein. "Nitrate Effects on Nitrate Reductase Activity and Nitrite
Reductase mRNA Levels in Maize Suspension Cultures", Plant Physiology, 1989
Publicación
repositorio.lamolina.edu.pe
Fuente de Internet
repositorio.upt.edu.pe
Fuente de Internet
2 TÍTULO
EVALUACIÓN DE LA REMOCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA EN UN REACTOR ANAEROBIO DE FLUJO ASCENDENTE CON EL TIEMPO DE RESIDENCIA HIDRÁULICO Y CARGA ORGÁNICA EN EL TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES
3 NOMBRE DEL ASESOR
MSc. Ever F. Ingaruca Alvarez
4 DEDICATORIA
A mi madre Venancia Mercado Crispin por su amor y demostrarme que el sacrificio e integridad son pilares para lograr un propósito, tener la dicha que estés acompañándome en estos momentos.
A mi padre Carlos Castro Valdez por su apoyo durante todo el tiempo de estudio.
A mis hermanos Miguel y Rosio por todos sus consejos y palabras de aliento que me ayudan a simplificar obstáculos.
A mi familia por brindarme un clima afectivo.
Elizabeth Sally Castro Mercado
A mi madre Elsa Alfaro Clemente por darme su apoyo incondicional y acompañarme en estas largas y agotadoras noches de estudio. A mi padre Cesar Lazo Salome por siempre anhelar lo mejor para mi vida y gracias por cada consejo que me guiaron para poder cumplir mis metas trazadas.
A mi hermano Luis que fue como un padre, por brindarme su apoyo y consejos.
A mi familia y amigos(as) en general por brindarme su apoyo incondicional y siempre estar en los buenos y malos momentos apoyándome.
Yuli Dora Lazo Alfaro
5 AGRADECIMIENTO
A Dios, por permitir que cada día despertemos no solo con vida, sino con salud, fuerzas y sobre todo empeño los cuales fueron necesarios para que este trabajo de investigación se culminara satisfactoriamente.
A nuestros padres ya que, con su apoyo, comprensión nos educaron en toda nuestra formación profesional.
A nuestro asesor, Ms. Ever Florencio Ingaruca Álvarez por la orientación y asesorías para poder realizar esta tesis asimismo por brindarnos su apoyo incondicional, su amistad y confianza.
A todos nuestros docentes, por brindarnos sus conocimientos adquiridos a lo largo de su experiencia y así nosotros aplicar los conocimientos aprendidos en diferentes empresas a lo largo de nuestras vidas.
A nuestros compañeros de investigación, que con sus conocimientos de cada uno pudimos resolver cada objetivo presentado, por su compañerismo y dedicación.
A nuestra prestigiosa Facultad de Ingeniería Química, por brindarnos las facilidades para desarrollar la experimentación de nuestro trabajo en los Laboratorios de Bioprocesos y Nanotecnología.
Los tesistas
6 RESUMEN
La investigación titulada “Evaluación de la remoción de materia orgánica en un reactor anaerobio de flujo ascendente con el tiempo de residencia hidráulico y carga orgánica en el tratamiento de aguas residuales municipales” siguió un método experimental, en el que se preparó sustrato sintético que presento diferentes concentraciones COT de 150,43 ppm, 238,86 ppm y 346,30 ppm, mismos que fueron alimentados al reactor UASB y que funcionó con lodo proveniente de la planta de tratamiento de aguas residuales zonal Jauja y bajo tiempo de retención hidráulica de 6h , 12 h y 14h , los resultados demostraron que el porcentaje de remoción de materia orgánica en el reactor UASB tuvo un mayor valor de 82,66 % con un tiempo de operación de 144 h ,un tiempo de retención hidráulica de 14 h y con la carga orgánica de una concentración COT de 150,43 ppm, en contraste una mínima remoción materia orgánica de 21,73 % con un tiempo de operación de 144h ,un tiempo de retención hidráulica de 6 h con la carga orgánica de una concentración COT de 346,30 ppm, concluyeron que el tiempo de retención hidráulica y la variación de carga orgánica influyeron estadísticamente sobre la eficiencia del reactor UASB en la remoción de materia orgánica.
Palabras claves: reactor UASB, carga orgánica, tiempo, aguas residuales
7 INTRODUCCIÓN
La falta de tratamiento óptimo de las aguas residuales municipales en las localidades del Perú, nos motiva a investigar un tratamiento óptimo para dar solución a las aguas residuales municipales ya que actualmente es una de las grandes problemáticas que se viene dando, es por ello la búsqueda de nuevos tratamientos que dan resultados eficientes ya que pueden ser aplicadas en grandes o medianas ciudades. Esta problemática constituye un reto que deben afrontar los países en vías de desarrollo, especialmente las provincias de la región Junín, donde el sistema de recolección de las aguas residuales municipales están mezclados, entre aguas residuales domésticas que contienen proteínas, carbohidratos, grasas, aceites, sólidos suspendidos, nitrógeno, fósforo, microorganismos patógenos , fecales, surfactantes, azufre y sulfuro de hidrógeno; con aguas pluviales que tienen plomo, zinc, cadmio y residuos de combustibles y con las aguas industriales conteniendo materia orgánica biodegradable en alta concentración, nitrógeno, fósforo, metales pesados, sustancias tóxicas, sustancias recalcitrantes, azufre y pH extremos.
Por estas razones se ha desarrollado la presente investigación se evaluó la remoción de la materia orgánica en el reactor anaerobio de flujo ascendente con el tiempo de residencia hidráulica y carga orgánica.
El presente informe se dividió en tres capítulos, en el capítulo uno se menciona la revisión bibliográfica donde se da a conocer los antecedentes de la investigación, bases teóricas y conceptuales; en el capítulo dos se presenta la parte experimental y en el capítulo tres se menciona el tratamiento de datos y discusión de resultados. Por último, se indican las conclusiones, recomendaciones, referencia bibliográfica y los anexos
8 OBJETIVOS
Objetivo general
Evaluar la remoción de la materia orgánica en un reactor anaerobio de flujo ascendente con el tiempo de residencia hidráulica y carga orgánica en el tratamiento de aguas residuales municipales.
Objetivos específicos
a) Determinar el tiempo de residencia hidráulico optimo durante la operación de un reactor anaerobio de flujo ascendente en el tratamiento de aguas residuales municipales.
b) Estudiar la concentración de la materia orgánica durante la operación de un reactor anaerobio de flujo ascendente en el tratamiento de aguas residuales municipales.
9 SIMBOLOGIA UTILIZADA
TRH: Tiempo de retención hidráulica
UASB: Reactor anaeróbico de lodos de flujo ascendente DQO: Demanda química de oxígeno
DBO: Demanda bioquímica de oxígeno COT: Carbono orgánico total
10 INDICE DE CONTENIDO
TÍTULO ii
NOMBRE DEL ASESOR iii
DEDICATORIA iv
AGRADECIMIENTO v
RESUMEN vi
INTRODUCCIÓN vii
OBJETIVOS viii
SIMBOLOGIA UTILIZADA ix
INDICE DE CONTENIDO x
ÍNDICE DE TABLAS xii
ÍNDICE DE FIGURAS xiii
CAPÍTULO I 14
1. ¡Error! Marcador no definido.
1.1. ¡Error! Marcador no definido.
1.2. ¡Error! Marcador no definido.
1.3. 18
1.3.1. ¡Error! Marcador no definido.
1.3.2. ¡Error! Marcador no definido.
1.3.3. ¡Error! Marcador no definido.
1.3.4. ¡Error! Marcador no definido.
1.3.5. ¡Error! Marcador no definido.
CAPÍTULO II 31
2. ¡Error! Marcador no definido.
2.1. ¡Error! Marcador no definido.
2.1.1. ¡Error! Marcador no definido.
2.1.2. 31
11 2.1.3. 31
2.2. ¡Error! Marcador no definido.
2.2.1. 32 2.2.2. 32 2.2.3. 33 2.2.4. 36 2.2.5. 37
2.3. ¡Error! Marcador no definido.
2.3.1. ¡Error! Marcador no definido.
2.3.2. 38
2.3.3. ¡Error! Marcador no definido.
CAPÍTULO III 41
3. ¡Error! Marcador no definido.
3.1. 40 3.2. 43 3.3. 45 3.4. 48
3.4.1. 48 3.4.2. 50 3.4.3. 52
CONCLUSIONES 54
RECOMENDACIONES 55
BIBLIOGRAFÍA 56
ANEXOS 59
ANEXOS A: REGISTRO FOTOGRAFICO 59
12 ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Composición típica de las aguas residuales domésticas sin tratar 18 Tabla 2 Pesos de micronutrientes utilizados en el sustrato sintético 34 Tabla 3 Ecuaciones estequiométricas realizadas para determinar los pesos de
cada macronutriente 35
Tabla 4 Peso de macronutrientes para preparar sustrato sintético con una
concentración de DQO de 342,570 mg/L 35
Tabla 5 Peso de macronutrientes para preparar sustrato sintético con una
concentración de DQO de 510,693 mg/L 36
Tabla 6 Peso de macronutrientes para preparar sustrato sintético con una
concentración de DQO de 800,837 mg/L 36
Tabla 7 Matriz del diseño experimental 32 40
Tabla 8 Concentración COT del sustrato sintético preparado 41 Tabla 9 Concentración del COT de los efluentes del reactor UASB 41 Tabla 10 Concentración promedio del COT de los efluentes del reactor UASB 42 Tabla 11 Eficiencia del reactor UASB en la remoción de materia orgánica 44 Tabla 12 Análisis de varianza para los resultados de remoción de materia orgánica
en el reactor UASB 47
13 ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Esquema de los procesos de tratamiento típicos del tratamiento moderno
de aguas residuales. 20
Figura 2. Esquema de un reactor de manto de lodo anaeróbico de flujo
ascendente (UASB). 22
Figura 3. Esquema del reactor de manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente
(UASB) utilizado en el proceso experimental. 33
Figura 4. Sistema de funcionamiento del reactor 37
Figura 5. Diagrama de flujo del proceso experimental 38
Figura 6. Esquema del diseño experimental 32 39
Figura 7. Gráfica de dispersión para la concentración COT en el efluente del
reactor UASB 43
Figura 8. Gráfica de eficiencia del reactor UASB en remoción de materia orgánica 45
Figura 9. Gráfica de probabilidad normal 46
Figura 10. Diagrama de Pareto de efectos estandarizados 48
Figura 11. Grafica de efectos principales del TRH 49
Figura 12. Grafica de efectos principales de la concentración del COT del
sustrato sintético 51
Figura 13. Grafica de superficie para eficiencia del reactor UASB en la remoción
de materia orgánica 52
14 CAPÍTULO I
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1. Antecedentes de la investigación
La investigación Olarte et al., (2019) tuvo como objetivo evaluar la eficiencia de remoción de materia orgánica de un reactor anaeróbico de lodos de flujo ascendente (UASB), mismo donde trataron 350 L de agua residual de camal, los resultados demostraron que el reactor presentó eficiencia de remoción de DQO de 33,66 % al 76,90 % y sólidos suspendidos de 30,28 % bajo las condiciones 14 horas de retención hidráulica, con caudal de 36 mL/min y a temperaturas entre 10
°C y 19 °C; concluyeron que el reactor UASB presenta altas eficiencia de remoción de materia orgánica.
La investigación de Salazar-Larrota et al., (2019) tuvo como objetivo analizar la influencia de los reactores UASB en el tratamiento de aguas residuales, se trataron 500 L/s en el reactor, observaron que la eficiencia del reactor UASB en la remoción de DBO fue de 66 %, DQO de 52 % y sólidos suspendidos de 60 %, al aplicar un tiempo de retención hidráulica entre 7 h y 8 h con temperatura de 26
°C, además la producción de lodo y biogas fue de 334 m3/mes y 37541 m3/mes.
Kwarciak-Kozłowska y Bień, (2018) en su investigación tuvo como objetivo determinar el efecto del tiempo de retención hidráulica y tasa de materia orgánica sobre el grado de biodegradación de los contaminantes contenidos en los lodos;
en el proceso anaeróbico obtuvieron un grado considerable de remoción de contaminantes orgánicos de las aguas residuales crudas designadas como DQO (73,8 %), DBO (81,2 %) y COT (76 %), las concentraciones de DQO y DBO fueron 1053 mg/dm3 y 329 mg/dm3, respectivamente, el valor de TOC alcanzó un nivel de 288 mg/dm3, el biogás generado en el proceso de fermentación del metano de las aguas residuales presento un 82 % de contenido de metano.
La investigación de Grillet et al., (2016) tuvo como objetivo evaluar el tratamiento anaerobio de aguas residuales domesticas mediante un reactor UASB y laguna de oxidación, ambos tratamientos un eficiencia en la remoción del DQO mayor al 70
% además de una disminución de bacterias coliformes totales desde 72 x105
15 NMP/100 mL hasta 16 NMP/100 mL; concluyeron que cualquiera de los dos tratamientos anaeróbicos pueden ser utilizados en la remoción de materia orgánica de aguas residuales.
La investigación de Moharram et al., (2017) tuvo como objetivo investigar la viabilidad de un sistema combinado de un manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente anaeróbico (UASB) seguido de una unidad anóxica y luego lodo activado aeróbico (AS); alimentaron el sistema con aguas residuales domésticas normales, de carga media y de alta resistencia con un DQO de 2635 mg/L, la tasa de carga orgánica (OLR) aumentó gradualmente de 0,5 kg DQO/m3/día a 4,43 kg DQO/m3/día; cambiaron el tiempo de retención hidráulica (TRH) para cada carga de 10,5 h a 15 h; en condiciones de estado estacionario, el reactor UASB logró una eficiencia de eliminación de hasta el 79,13 % de la DQO total, el sistema combinado realizó una excelente remoción orgánica que elevó la eficiencia de remoción total de DQO al 95,87 %; cuando el OLR aumentó a 4,43 kg DQO/m3/día, la calidad del efluente del UASB se deterioró reduciendo la eficiencia de remoción de DQO a 62,90%; las condiciones operativas óptimas para el sistema en diferentes cargas orgánicas fueron HRT de 15 h.
La investigación de los efectos del tiempo anaeróbico en DQO, turbidez, pH, conductividad, Solidos suspendidos, absorbancia y tasa de decoloración de las aguas residuales utilizando reactor de manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente (UASB) fue desarrollada por Zhang et al., (2016) los resultados demostraron que al aumentar el tiempo anaeróbico a 60 h la tasa de eliminación de DQO, la tasa de eliminación de turbidez, el pH, la conductividad, la tasa de eliminación de sólidos suspendidos, la absorbancia y la tasa de decoloración del agua residual fueron 49,6 %, 38,5 %, 5,68; 0,518 × 104, 24 %, 0,598 y 32,4 % respectivamente; por tanto, el reactor UASB puede utilizarse como pretratamiento de las aguas residuales, con el fin de reducir la dificultad del posterior tratamiento aeróbico.
El tratamiento de agua residual doméstica en reactores de manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente sembrados con estiércol de vaca (UASBCD) y lodo activado de una planta de tratamiento de aguas residuales lecheras (UASBSDIT) fue el objetivo de la investigación de Rizvi et al., (2015); los
16 resultados demostraron que la eficiencia de eliminación de la DQO y DBO de los reactores se elevó al rango de 79 % – 81 % y 77 % – 83 %, respectivamente, con una edad del lodo de 150 días y una temperatura de 30 °C; por lo tanto, el rendimiento general de ambos reactores fue óptimo con lodos que oscilan entre 120 días y 150 días y una temperatura que varío entre 25 °C y 30 °C; en el tiempo de retención hidráulica (HRT) de 9 h, DQO, sólidos suspendidos totales (TSS) y la eficiencia de remoción de sulfato del reactor UASBCD alcanzaron 81 %, 75 % y 76 %, respectivamente y 77 %, 74 % y 69 %, respectivamente para UASBASDIT; sin embargo, la tasa de eliminación de estos parámetros disminuyó gradualmente al aumentar el tiempo de retención.
El rendimiento del tratamiento de aguas residuales de matadero en un reactor de manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente híbrido (HUASBR) fue estudiado por Loganath y Mazumder, (2018), alimentaron al reactor 1000 mL de aguas residuales de matadero sin procesar y observaron una eliminación constante de DQO durante un período de lote de 72 horas, estudiaron la tasa de carga de TOC que lo variaron en el rango de 1,12 kg TOC/m3/d – 14,19 kg TOC/m3/d correspondiente a la disminución del Tiempo de Retención Hidráulica (HRT) de 24 horas - 6 horas; el HUASBR mejoró la eficiencia de eliminación de TOC en las aguas residuales de los mataderos hasta un máximo del 95,85% con una tasa de carga de TOC de 6,97 kg de TOC/m3/d durante 10 horas de TRH, observaron que la eficiencia de eliminación de TSS estuvo en el rango de 72 % - 98% durante todo el estudio; el reactor mostró un aumento constante en la eficiencia de eliminación de TOC.
El sistema UASB -USD a escala piloto se utilizó en la investigación Xu et al., (2018) para tratar las aguas residuales municipales sin tratar recogidas de un sistema de alcantarillado a 10 ° C; los resultados mostraron que el sedimentador con un tiempo de retención hidráulica (HRT) de 3 horas aumentó la concentración de demanda química de oxígeno (DQO) del lodo UASB de 14,5 ± 2,5 g/L a 29,9
± 4,1 g/L, con una TRH de 6 horas, el sistema USD logró una eliminación media de DQO del 49,2 %; en comparación con el sistema digestor UASB, el sistema con un sedimentador adicional logró una eliminación similar a la de DQO y la
17 producción de metano, pero redujo la tasa de recirculación de lodos (del 16 % al 8 % del flujo del afluente).
Singh y Vaishya, (2017) estudiaron la cinética de crecimiento microbiano para el tratamiento de aguas residuales municipales a seis tiempos de retención hidráulica (TRH) de 22 h, 18 h, 14 h, 10 h, 6 h, 3 h, encontraron que la eficiencia de la remoción de DQO varío de 91 % a 72 % en el reactor UASB con disminución de TRH; encontraron que el coeficiente de rendimiento de crecimiento fue 0,81 g VSS/g DQO mientras que la tasa de degradación del microorganismo específico fue 0,29 y los valores de la tasa máxima de crecimiento específico estuvieron entre 0,359 y 0,452, los resultados indicaron que el grado de segundo orden fue el más adecuado para la estimación de coeficientes cinéticos en UASB con valores de coeficiente de correlación 0,9958; el reactor demostró un rendimiento específico para el tratamiento anaeróbico de aguas residuales municipales.
Utami et al., (2016) disminuyó la carga orgánica de vinaza utilizando un biorreactor UASB modificado; la vinaza contuvo: DQO de 9,360 mg/L, DBO de 4,013 mg/L y TSS de 317,5 mg/L; utilizaron cuatro columnas de biorreactor UASB cada una con una capacidad de 50 L de volumen; 23 cm de diámetro interior; las variaciones de capacidad hidráulica siguieron las variaciones de TRH en el rango de 72 h a 36 h; los resultados mostraron que la TRH aumentó de 36 h a 72 h, seguida de un aumento en la eficiencia de eliminación de DQO del 55,64
% al 66,81 %; DBO5 del 67,85 % al 74,58 % y TSS de 66,69 % a 84,19 %, el volumen máximo de biogás producido estuvo en el rango de 5,826 L/día (42,89
% metano) a 7,930 L/día (metano 58,06 %).
1.2. Marco conceptual
● Agua residual municipal: Las aguas residuales domésticas son principalmente una combinación de heces humanas, orina y aguas grises. Las aguas grises resultan del lavado, el baño y la preparación de comidas (Gerba y Pepper, 2015).
● Demanda bioquímica de oxígeno: La DBO es la cantidad de oxígeno disuelto consumido por los microorganismos durante la oxidación bioquímica de materia orgánica (DBO carbonosa) e inorgánica (amoniaco) (Gerba y Pepper, 2015).
18
● Materia orgánica: La cantidad de materia orgánica en los desechos domésticos determina el grado de tratamiento biológico requerido (Gerba y Pepper, 2015).
● Demanda química de oxígeno: es la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar completamente todo el carbono orgánico a CO2 y H2O (Gerba y Pepper, 2015).
● Biomasa: compuesto orgánico originado en un proceso biológico, utilizado como fuente de energía; constituida por bacterias o microorganismos que forman flóculos en el reactor (Márquez Vázquez y Martínez González, 2011).
1.3. Marco teórico
1.3.1. La naturaleza de las aguas residuales
Las aguas residuales domésticas son principalmente una combinación de heces humanas, orina y aguas grises. Las aguas grises resultan del lavado, el baño y la preparación de comidas. El agua de diversas industrias y negocios también puede ingresar al sistema. Las personas excretan 100 gramos - 500 gramos de peso húmedo de heces y 1 L -1,3 L de orina por persona por día
Los principales componentes orgánicos e inorgánicos de las aguas residuales domésticas sin tratar se muestran en la Tabla 1 (Gerba y Pepper, 2015)..
Tabla 1 Composición típica de las aguas residuales domésticas sin tratar
Contaminante Concentración (mg/L)
Bajo Moderado Alto
Sólidos totales 350 720 1200
Disuelto 250 500 850
Volátil 105 200 325
Sólidos suspendidos 100 220 350
Volátil 80 164 275
Sólidos sedimentables 5 10 20
Demanda de oxígeno bioquímico 110 220 400
Carbono orgánico total 80 160 290
Demanda química de oxígeno 250 500 1000
Nitrógeno (total como N) 20 40 85
Amoniaco libre 12 25 50
Nitritos 0 0 0
Nitratos 0 0 0
Fósforo (total como P) 4 8 15
Fuente: (Gerba y Pepper, 2015)
19 La cantidad de materia orgánica en los desechos domésticos determina el grado de tratamiento biológico requerido. Se utilizan tres pruebas para evaluar la cantidad de materia orgánica: demanda bioquímica de oxígeno (DBO); demanda química de oxígeno (DQO); y carbono orgánico total (COT). El principal objetivo del tratamiento de residuos domésticos es la reducción de DBO, que puede ser en forma de sólidos (materia en suspensión) o soluble. La DBO es la cantidad de oxígeno disuelto consumido por los microorganismos durante la oxidación bioquímica de materia orgánica (DBO carbonosa) e inorgánica (amoniaco). (Gerba y Pepper, 2015).
La prueba de DBO de 5 días (escrita DBO5) es una medida de la cantidad de oxígeno consumida por una población mixta de bacterias heterótrofas en la oscuridad a 20 ° C durante un período de 5 días. En esta prueba, se colocan alícuotas de aguas residuales en una botella de DBO de 300 mL y se diluyen en tampón fosfato (pH 7,2) que contiene otros elementos inorgánicos (N, Ca, Mg, Fe) y se saturan con oxígeno. A veces, los microorganismos aclimatados o cultivos deshidratados de microorganismos, vendidos en forma de cápsulas, se agregan a las aguas residuales municipales e industriales, que pueden no tener suficiente microflora para permitir la realización de la prueba de DBO. En algunos casos, se agrega un inhibidor de nitrificación a la muestra para determinar solo la DBO carbonosa (Gerba y Pepper, 2015).
La demanda química de oxígeno (DQO) es la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar completamente todo el carbono orgánico a CO2 y H2O. La DQO se mide por oxidación con dicromato de potasio (K2Cr2O7) en presencia de ácido sulfúrico y plata, y se expresa en miligramos por litro. En general, 1 g de carbohidratos o 1 g de proteína equivale aproximadamente a 1 g de DQO. Normalmente, la relación DBO/DQO es de aproximadamente 0,5. Cuando esta relación cae por debajo de 0,3, significa que la muestra contiene grandes cantidades de compuestos orgánicos que no se biodegradan fácilmente (Gerba y Pepper, 2015).
Otro método para medir la materia orgánica en el agua es el COT o prueba de carbono orgánico total. El COT se determina mediante la oxidación de la materia orgánica con calor y oxígeno, seguida de la medición del CO2
20 liberado con un analizador de infrarrojos. Tanto el COT como la DQO representan la concentración de sustancias orgánicas biodegradables y no biodegradables en el agua (Gerba y Pepper, 2015).
1.3.2. Tratamiento convencional de aguas residuales
El objetivo principal del tratamiento de aguas residuales es la eliminación y degradación de la materia orgánica en condiciones controladas. El tratamiento completo de aguas residuales comprende tres pasos principales: tratamiento primario, secundario y terciario, como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Esquema de los procesos de tratamiento típicos del tratamiento moderno de aguas residuales.
Fuente: (Gerba y Pepper, 2015)
a) Tratamiento primario
El tratamiento primario es el primer paso en el tratamiento de aguas residuales municipales e implica la separación física de grandes sólidos del flujo de residuos. Cuando las aguas residuales sin tratar ingresan a la planta de tratamiento, pasan a través de una rejilla metálica que
21 elimina los desechos grandes, como ramas y llantas. Luego, una pantalla en movimiento filtra los elementos más pequeños, como pañales y biberones, después de lo cual una breve residencia en un tanque de arena permite que la arena y la grava se asienten. Luego, la corriente de desechos se bombea al tanque de sedimentación primario (también conocido como tanque de sedimentación o clarificador), donde aproximadamente la mitad de los sólidos orgánicos suspendidos se depositan en el fondo como lodo. El lodo resultante se denomina lodo primario. Los patógenos microbianos no se eliminan eficazmente del efluente en el proceso primario, aunque se produce cierta eliminación (Gerba y Pepper, 2015).
b) Tratamiento secundario
El tratamiento secundario consiste en la degradación biológica, en la que los sólidos suspendidos restantes son descompuestos por microorganismos y se reduce el número de patógenos. En esta etapa, el efluente del tratamiento primario generalmente se somete a un tratamiento biológico en un lecho de filtro percolador, un tanque de aireación o una laguna de aguas. Generalmente se incluye un paso de desinfección al final del tratamiento (Gerba y Pepper, 2015).
c) Tratamiento terciario
El tratamiento terciario del efluente implica una serie de pasos adicionales después del tratamiento secundario para reducir aún más los compuestos orgánicos, la turbidez, el nitrógeno, el fósforo, los metales y los patógenos. La mayoría de los procesos involucran algún tipo de tratamiento fisicoquímico como coagulación, filtración, adsorción de compuestos orgánicos con carbón activado, ósmosis inversa y desinfección adicional. El tratamiento terciario de las aguas residuales se practica para la protección adicional de la vida silvestre después de su descarga en ríos o lagos. Incluso más comúnmente, se realiza cuando las aguas residuales se van a reutilizar para riego (por ejemplo, cultivos alimentarios, campos de golf), con fines recreativos (por ejemplo, lagos, estuarios) o para beber agua (Gerba y Pepper, 2015).
22 1.3.3. Reactor de lodo anaeróbico de flujo ascendente (UASB)
En el reactor UASB (figura 2), las bacterias anaeróbicas forman gránulos densos y se asientan y permanecen como una capa en el fondo del reactor.
Cuando el agua residual fluye hacia arriba a través de los gránulos formados biológicamente, consume los desechos y produce metano y dióxido de carbono (Mullai, Vishali, Yogeswari, López, y Rene, 2020).
Figura 2. Esquema de un reactor de manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente (UASB).
Fuente: (Mullai et al., 2020)
1.3.4. Potencial de tratamiento del proceso Reactor Anaerobio de flujo ascendente (UASB)
El tratamiento anaeróbico de aguas residuales es hoy en día ampliamente aceptado como una tecnología probada y ampliamente utilizada. Uno de los principales factores que llevaron al éxito del tratamiento anaeróbico fue la introducción de reactores de alta velocidad en los que la retención de biomasa y la retención de líquido están desacopladas. Los reactores anaeróbicos de alta velocidad, que pueden retener la biomasa, tienen una alta capacidad de tratamiento y, por lo tanto, un bajo requerimiento de área del sitio. Por tanto, se han desarrollado varios procesos para operar reactores de digestión anaeróbica, cada uno de ellos con varias ventajas.
23 Musee, Lorenzen, & Aldrich, (2006) identificaron mecanismos de generación de residuos, analizaron las causas y luego derivaron opciones para alternativas viables de minimización de residuos. Uno de los más comunes es el proceso UASB que se ha utilizado con éxito para tratar una variedad de aguas residuales, pero que a menudo está limitado por la mala biodegradabilidad de sustratos orgánicos complejos.
El reactor UASB exhibe características positivas, como altas tasas de carga orgánica (OLR), corto tiempo de retención hidráulica (TRH) y baja demanda de energía. Los lodos anaeróbicos en los reactores UASB se inmovilizan espontáneamente en lodos granulares que se sedimentan bien.
Ha sido ampliamente adoptado para el tratamiento de aguas residuales industriales de resistencia media a alta. El principio subyacente de la operación UASB es tener un lodo anaeróbico que exhiba buenas propiedades de sedimentación y retenga de manera eficiente un consorcio microbiano complejo sin la necesidad de inmovilización en un material portador (por ejemplo, como una biopelícula) por formación. de gránulos biológicos con buenas características de sedimentación. El rendimiento depende del tiempo medio de residencia de la celda y el volumen del reactor depende del tiempo de residencia hidráulico, por lo tanto, el reactor UASB puede convertir de manera eficiente los compuestos orgánicos de las aguas residuales en metano en pequeños reactores de alta velocidad.
Aproximadamente el 60 % de los miles de instalaciones de tratamiento anaeróbicas a gran escala en todo el mundo se basan ahora en el concepto de diseño UASB, que trata una variedad de aguas residuales industriales (Karim y Gupta, 2003). Además, estudios de investigación anteriores también indican la viabilidad de este proceso para tratar efluentes domésticos. La característica clave de este sistema es la agregación microbiana en una estructura simbiótica de múltiples capas llamada gránulo y la retención de biomasa altamente activa con buenas capacidades de sedimentación en el reactor. El conocimiento mejorado del proceso y los detalles operativos sobre la formación de gránulos estables han creado la posibilidad de cargas orgánicas elevadas y han dado como resultado una operación más sostenible. Se sabe que los largos tiempos de retención hidráulica son desfavorables para la granulación de lodos en reactores
24 UASB mientras que los tiempos de retención hidráulica muy cortos dan lugar a la posibilidad de lavado de biomasa. Ambos escenarios son desfavorables para el buen desempeño del reactor UASB, aunque se ha informado que la granulación es necesaria para el tratamiento exitoso de aguas residuales domésticas en reactores UASB (Van Haandel, Kato, Cavalcanti, y Florencio, 2006).
El éxito del reactor UASB también se basa en el establecimiento de un lecho de lodo denso en el fondo del reactor donde tienen lugar todos los procesos biológicos. Este lecho de lodo está formado básicamente por la acumulación de sólidos en suspensión entrantes y el crecimiento bacteriano. En sistemas anaeróbicos de flujo ascendente, bajo ciertas condiciones, también se observó que las bacterias pueden agregarse naturalmente en bandadas y gránulos. Estos agregados densos no son susceptibles de ser eliminados del sistema en condiciones prácticas del reactor. La retención de lodo activo, granular o floculante, dentro del reactor UASB permite un buen rendimiento del tratamiento a altas tasas de carga orgánica. La principal razón del éxito del reactor UASB es su capacidad de tratamiento relativamente alta en comparación con otros sistemas. La turbulencia natural causada por la tasa de flujo del afluente y la producción de biogás proporciona un buen contacto entre aguas residuales y biomasa en los sistemas UASB. Por lo tanto, se requiere menos volumen y espacio de reactor mientras que, al mismo tiempo, se produce energía de alto grado como biogás. Se pueden imaginar varias configuraciones para una planta de tratamiento de aguas residuales, incluido un reactor UASB. En cualquier caso, debe haber trampa de arena, mallas para material grueso y lechos de secado de lodos. El reactor UASB puede reemplazar el sedimentador primario, el digestor anaeróbico de lodos, el paso aeróbico (lodo activado, filtro percolador, etc.) y el sedimentador secundario de una planta de tratamiento aeróbico convencional. Sin embargo, el efluente de los reactores UASB generalmente necesita un tratamiento adicional para eliminar la materia orgánica remanente, los nutrientes y los patógenos. Este postratamiento se puede lograr en sistemas aeróbicos convencionales como estanques de estabilización, plantas de lodos activados y otros (Latif, Ghufran, Wahid,
25 y Ahmad, 2011). Las ventajas y desventajas de los reactores UASB son las siguientes (Latif et al., 2011):
a) Ventajas
● Se puede lograr una buena eficiencia de remoción en el sistema, incluso a altas tasas de carga y bajas temperaturas.
● La construcción y operación de estos reactores es relativamente simple y la demanda de divisas es baja debido a la posible producción local de material de construcción, componentes de la planta, repuestos y bajo mantenimiento.
● El tratamiento anaeróbico se puede aplicar fácilmente a una escala muy grande o muy pequeña.
● Cuando se acomodan altas tasas de carga, el área necesaria para el reactor es pequeña, lo que reduce el costo de capital.
● En la medida en que no sea necesario calentar el afluente para alcanzar la temperatura de trabajo y todas las operaciones de la planta se puedan realizar por gravedad, el consumo de energía del reactor es menor. Además, durante el proceso se produce energía en forma de metano.
● Reducción de las emisiones de CO2 debido a la baja demanda de energía extranjera (fósil) y la producción de energía excedente.
● Se generan muchos menos desechos de biosólidos en comparación con el proceso aeróbico porque gran parte de la energía de las aguas residuales se convierte en forma gaseosa y, como resultado, queda muy poca energía para el crecimiento de nuevas células.
● La producción de lodos es baja, en comparación con los métodos aeróbicos, debido a las lentas tasas de crecimiento de las bacterias anaeróbicas. El lodo está bien estabilizado para su disposición final y tiene buenas características de deshidratación. Puede conservarse durante largos períodos de tiempo sin una reducción significativa de la actividad, lo que permite su uso como inóculo para la puesta en marcha de nuevos reactores.
● Puede manejar cargas de choque orgánicas de manera efectiva.
26
● Bajo requerimiento de nutrientes y químicos, especialmente en el caso de las aguas residuales, se puede mantener un pH adecuado y estable sin la adición de químicos.
● Los macronutrientes (nitrógeno y fósforo) y micronutrientes también están disponibles en las aguas residuales, mientras que los compuestos tóxicos están ausentes.
b) Desventajas
● Los patógenos solo se eliminan parcialmente, excepto los huevos de helmintos, que se capturan eficazmente en el lecho de lodo. La eliminación de nutrientes no es completa y por lo tanto se requiere un postratamiento.
● Debido a la baja tasa de crecimiento de los organismos metanogénicos, el arranque se demora más tiempo antes de la operación en estado estable, si el lodo activado no está suficientemente disponible.
● El sulfuro de hidrógeno se produce durante el proceso anaeróbico, especialmente cuando hay altas concentraciones de sulfato en el afluente. Se requiere un manejo adecuado del biogás para evitar el mal olor y la corrosión.
● Generalmente se requiere un postratamiento del efluente anaeróbico para alcanzar los estándares de descarga de aguas superficiales de materia orgánica, nutrientes y patógenos.
● Se requiere un control de temperatura adecuado (15 °C a 35 °C) para climas más fríos.
El sistema UASB se ha convertido en la tecnología de reactor más ampliamente aplicada para el tratamiento anaeróbico de alta velocidad de efluentes industriales. Su capacidad de tratamiento relativamente alta en comparación con otros sistemas permite el uso de plantas de tratamiento de aguas residuales compactas y económicas. En comparación con el sistema aeróbico, tiene una tasa de crecimiento lenta, principalmente asociada con bacterias metanogénicas. Por lo tanto, requiere un largo tiempo de retención de sólidos, y también solo una pequeña porción de los desechos orgánicos degradables se sintetiza en nuevas células. Hasta
27 ahora, la técnica del proceso UASB se ha aplicado para el tratamiento de efluentes de molinos de aceite de palma, aguas residuales de destilería, aguas residuales de mataderos, aguas residuales de porcinos, aguas residuales de productos lácteos, aguas residuales de procesos de harina de pescado, aguas residuales municipales, lixiviados de residuos de papa, aguas residuales de producción de café, aguas residuales petroquímicas, baja concentración. aguas residuales como el algodón real que procesa las aguas residuales y las aguas residuales sintéticas. Los parámetros operativos más utilizados como pH, mezcla; temperatura operativa, el tiempo de retención hidráulica y las tasas de carga orgánica junto con la eliminación de DQO y la producción de biogás (Latif et al., 2011).
1.3.5. Operación y desempeño del reactor UASB
a) Tasas de carga orgánica y eliminación de DQO
La tasa de carga orgánica es un parámetro importante que afecta significativamente la ecología microbiana y el rendimiento de los sistemas UASB. Este parámetro integra las características del reactor, las características operativas y la masa y actividad bacterianas en el volumen de medios (Torkian, Eqbali, y Hashemian, 2003). Varios estudios han demostrado que OLR más altos reducirán la eficiencia de remoción de DQO en los sistemas de tratamiento de aguas residuales (Sánchez, Borja, Travieso, Martín, y Colmenarejo, 2005).
Sin embargo, la producción de gas aumentará con OLR hasta una etapa en la que los metanógenos no puedan funcionar lo suficientemente rápido para convertir el ácido acético en metano. Además, la tasa de carga orgánica también puede estar relacionada con la concentración de sustrato y la TRH, por lo que debe obtenerse un buen equilibrio entre estos dos parámetros para un buen funcionamiento del digestor. La TRH corta reducirá el tiempo de contacto entre el sustrato y la biomasa (Latif et al., 2011). La tasa de carga orgánica se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
𝑇𝐶𝑂 =𝐷𝑄𝑂𝑖𝑛
𝑇𝑅𝐻 (1) Donde:
TCO = Tasa de carga orgánica
28 𝐷𝑄𝑂𝑖𝑛= DQO del influyente (g/L)
𝑇𝑅𝐻= Tiempo de retención hidráulica (días)
b) Caudal y tiempo de retención hidráulica
El caudal también es un parámetro operativo importante que mantiene el tiempo de retención hidráulica.
Es importante describir la combinación de altura/diámetro ya que, durante el proceso anaeróbico de flujo ascendente, si el diámetro aumentará, existe la posibilidad de que el líquido se canalice en el reactor. Además, debido a la canalización, la corriente afluente puede no estar en pleno contacto con la biomasa del reactor, lo que resultará en una baja conversión de materia orgánica en ácidos grasos y finalmente en la producción de biogás. Por lo tanto, un mayor diámetro del reactor no fomenta una mayor producción de biogás, excepto el lavado de lodos debido a una mala mezcla dentro del reactor. Por otro lado, comparativamente una mayor altura puede fomentar la mezcla del sustrato, lo que conduce a un contacto adecuado del influente con los microorganismos, lo que da como resultado una mayor conversión de materia orgánica en biogás (Latif et al., 2011).
Está claro que la tasa de flujo es inversamente proporcional a la TRH pero se entiende que el volumen tiene relación directa con la tasa de flujo. Para el propósito de diseño, se puede calcular el tiempo de residencia hidráulico siguiendo la ecuación (Latif et al., 2011):
𝑇𝑅𝐻 =𝑉
𝑄 (2) Donde:
TRH = tasa de retención hidráulica (días) Q = cadal de la corriente afluente (L/d) V = volumen del reactor (L)
c) Velocidad de flujo ascendente
La velocidad de flujo ascendente (Vup) también es un parámetro operativo importante en los digestores de flujo ascendente. Mantiene el tiempo de mezcla y retención hidráulica del sustrato y biomasa. La velocidad del flujo ascendente es directamente proporcional a la altura del reactor e inversamente proporcional al tiempo de retención
29 hidráulica a una TRH fija o volumen del reactor, como se muestra en la Ec. (3). Determina la mezcla adecuada de biomasa con la altura del reactor con o sin canalización. El límite permisible de velocidad de flujo ascendente es 0,5 m/h – 1,5 m/h como lo describen muchos investigadores (Latif et al., 2011). Un reactor UASB de forma rectangular para el tratamiento de aguas residuales municipales. La velocidad del flujo ascendente se puede determinar mediante la ecuación. (3) sobre la base de TRH y altura del reactor.
𝑉𝑢𝑝 = ℎ
𝑇𝑅𝐻 (3) Donde:
𝑉𝑢𝑝= Velocidad de flujo ascendente de la corriente afluente (m/h) h = altura del reactor (m)
TRH = tiempo de retención hidráulica (h)
La velocidad de flujo ascendente también se puede calcular mediante el caudal y el área de la sección transversal del reactor,
𝑉𝑢𝑝 =𝑄
𝐴 (4) Donde:
𝑉𝑢𝑝= Velocidad de flujo ascendente de la corriente afluente (m/h) Q = Tasa de flujo de corriente afluente (m3/h)
A = Área de la sección transversal del reactor (m2) d) pH
La comunidad microbiana en el digestor anaeróbico es sensible a los cambios de pH y los metanógenos se ven afectados en mayor medida (Latif et al., 2011).
e) Temperatura de funcionamiento
La temperatura es un parámetro operativo importante para el proceso de degradación anaeróbica. La influencia de la temperatura sobre el crecimiento microbiano y la tasa de biodegradación se puede describir mediante la ecuación de Arrhenius (Latif et al., 2011).
f) Mezclar
La mezcla proporciona un buen contacto entre los microbios y los sustratos, reduce la resistencia a la transferencia de masa, minimiza la
30 acumulación de intermediarios inhibidores y estabiliza las condiciones ambientales (Latif et al., 2011).
31 CAPÍTULO II
2. PARTE EXPERIMENTAL
2.1. Materiales, reactivos y equipos 2.1.1. Materiales
● Malla
● Probeta de 500 mL
● Vasos de 250 mL
● Lunas de reloj
● Espátula
● Matraz de 250 mL
● Matraz de 25 mL
● Viales para TOC
● Varilla 2.1.2. Reactivos
● C6H12O6, glucosa
● C2H4O2, ácido acético
● C4H8O2, acetato de etilo
● KNO3, nitrato de potasio
● NaH2PO4, fosfato de sodio
● Na2HPO, fosfato disódico
● FeCl3.6H20, cloruro férrico hexahidrato
● NaHCO3, bicarbonato de sodio
● CaCl2.2 H20, cloruro de calcio
● CoCl2.6 H20, cloruro de cobalto
● MnCl2.4 H20, cloruro de manganeso
● CuCl2.2 H20, cloruro de cobre
● ZnCl2, cloruro de zinc
● H3BO3, ácido bórico
● NaCO3, carbonato de sodio
● (NH4)6Mo7O24. 4 H20, molibdato de amonio
● NiCl2. 6 H20, cloruro de niquel 2.1.3. Equipos
● Centrifuga
32
● Reactor UASB
● TOC, marca Teledyne modelo Tekmar,
● Balanza de precisión, marca 3S cientific
● pH-metro, marca Milwaukee, modelo MW801
● Agitador magnético-térmico marca Thermo SCIENTIFIC, modelo HP88854100
● Horno, marca JAVAR, modelo AH-80
2.2. Metodología experimental
El proceso experimental se desarrolló en el laboratorio de Bioprocesos de la Facultad de Ingeniería Química de la UNCP y siguió los procedimientos descritos a continuación:
2.2.1. Adaptación de la biomasa
● El lodo se muestreo de la planta de tratamiento de aguas residuales zonal Jauja, se realizó siguiendo los procedimientos descritos en el Protocolo de monitoreo de biosólidos aprobado por el Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento establecido en la R.M. N° 093- 2018-VIVIENDA (Ministerio de vivienda, 2018).
La toma de muestra se realizó de los contenedores, se consiguieron 4 muestras que fueron sacadas de diferentes profundidades a lo largo del perfil del contenedor, para posteriormente homogenizar las muestras en un solo recipiente.
● Seguidamente se zarandeó con el fin de separarlo de piedras o basura que contenía.
● Después de zarandearlo, se llevó a centrifugar a 550 rpm por 20 min.
2.2.2. Implementación del reactor UASB
● Se diseño e instaló un reactor de volumen 3,456 L elaborado con fibra de vidrio que se aisló para poder controlar la temperatura ambiente, los componentes del reactor se describen en la Figura 3.
33
Figura 3. Esquema del reactor de manto de lodo anaeróbico de flujo ascendente (UASB) utilizado en el proceso experimental.
Fuente: Elaboración Propia
● El lodo se introdujo hasta las ¾ partes del reactor UASB 2.2.3. Preparación del sustrato sintético
● Se preparó 1 L de sustrato sintético, para lo cual primero se pesó los micronutrientes: cloruro férrico, bicarbonato de sodio, cloruro de calcio, cloruro de cobalto, cloruro de manganeso, cloruro de cobre, cloruro de zinc, ácido bórico, molibdato de amonio y cloruro de níquel, los pesos se realizaron según presentados en la tabla 2.
Tabla 2 Pesos de micronutrientes utilizados en el sustrato sintético Micronutrientes
Componentes Concentración Unidades
FeCl3.6H20 0,250 g/L
NaHCO3 0,550 g/L
CaCl2.2 H20 0,020 g/L
CoCl2.6 H20 0,700 g/L
MnCl2.4 H20 0,250 g/L
34
CuCl2.2 H20 0,015 g/L
ZnCl2 0,025 g/L
H3BO3 0,025 g/L
(NH4)6Mo7O24. 4 H20 0,045 g/L
NiCl2. 6 H20 0,025 g/L
Fuente: Elaboración Propia
● Los micronutrientes se diluyeron en 1 L de agua destilada mediante agitación continua.
● Posteriormente se pesaron los macronutrientes: glucosa, ácido acético, ácido butírico, nitrato de potasio, fosfato de sodio y fosfato disódico, los pesos principalmente de glucosa, ácido acético, y ácido butírico fueron realizados según la concentración de carga orgánica que se quería que presente el sustrato sintético.
● Antes de determinar el peso de los macronutrientes se tomó en cuenta las siguientes ecuaciones estequiométricas presentadas en la tabla 3.
Para determinar el DQO y TOC de cada macronutriente se realizó la siguiente ecuación:
𝑇𝑂𝐶 =𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑂2× 𝑃𝑀 𝑑𝑒𝑙 𝐶
𝑃𝑀 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑐𝑟𝑜𝑛𝑢𝑡𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (6)
Donde: PM: peso molecular
35
Tabla 3 Estequiométricas de los macronutrientes en el sustrato sintético ECUACIONES
ESTEQUIOMETRICAS DQO TOC DQO/TOC
BALANCEO POR
TANTEO
(g DQO/g compuesto)
(g TOC/g compuesto)
a) C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O 1,06667 0,40000 2,66667
P,M,: 180 32 12 18
b) C2H4O2 + 2 O2 2 CO2 + 2 H2O 1,06578 0,39967 2,66667
P,M,: 60,05 32 12 18
c) C4H8O2 + 5 O2 4 CO2 + 4 H2O 1,81612 0,54484 3,33333
P,M,: 88,1 32 12 18
TOTAL 4,04380 1,48736 2,71878
Fuente: Elaboración Propia
Tomando en cuenta el TOC por gramo de macronutriente, se preparó sustrato sintético para una concentración de la materia orgánica total de 150,43 mg/L, 238,86 mg/L y 346,30 mg/L según la tabla 4, 5 y 6 respectivamente.
Tabla 4 Composición de los macronutrientes en el sustrato sintético para un TOC de 150,43 mg/L COMPUEST
O CANTIDAD DQO
(mg/L) DQO/TOC C N-NO3 P-PO4
C6H12O6 0,158 g/L 168,533 2,667 63,200
C2H4O2 0,045 mL/L 47,960 2,667 17,985
C4H8O2 0,055 mL/L 99,886 3,333 29,966
KNO3 0,362 g/L 50,146
NaH2PO4 0,029 g/L 7,492
Na2HPO4 0,050 g/L 10,915
NaCO3 0,275g/L 26,190 0,667 39,286
TOTAL 342,570 150,437 50,146 18,407
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 5 Composición de los macronutrientes en el sustrato sintético para un TOC de 238,86 mg/L COMPUEST
O CANTIDAD DQO
(mg/L) DQO/TOC C N-NO3 P-PO4
C6H12O6 0,220 g/L 234,667 2,667 88,000
C2H4O2 0,065 mL/L 69,276 2,667 25,978
C4H8O2 0,085 mL/L 154,370 3,333 46,311
KNO3 0,575 g/L 79,620
NaH2PO4 0,052 g/L 13,433
Na2HPO4 0,072g/L 15,806
NaCO3 0,550 g/L 52,381 0,667 78,571
TOTAL 510,693 238,861 79,620 29,239
Fuente: Elaboración Propia
Tabla 6 Composición de los macronutrientes en el sustrato sintético para un TOC de 346,30 mg/L.
36
COMPUEST
O CANTIDAD DQO
(mg/L) DQO/TOC C N-NO3 P-PO4
C6H12O6 0,455 g/L 485,333 2,667 182,000
C2H4O2 0,085 mL/L 90,591 2,667 33,972
C4H8O2 0,095 mL/L 172,531 3,333 51,759
KNO3 0,834 g/L 115,434
NaH2PO4 0,081 g/L 20,925
Na2HPO4 0,090 g/L 19,648
NaCO3 0,550 g/L 52,381 0,667 78,571
TOTAL 800,837 346,302 115,434 40,573
Fuente: Elaboración Propia
Los macronutrientes se adicionaron en agua destilada con 26 mL de la solución de micronutrientes, para después aforar hasta 1 L de solución, este procedimiento se realizó 10 veces para tener cantidad suficiente de sustrato sintético.
Se regulo el pH del sustrato sintético mediante hidróxido de sodio y/o ácido acético, hasta que presente valores neutros.
2.2.4. Funcionamiento del reactor UASB
● Cada sustrato sintético preparado se llenó al biotanque que, mediante la parte de alimentación fue llenado al reactor tal como se muestra en la figura 4.
Figura 4. Sistema de funcionamiento del reactor
37
Fuente: Elaboración Propia
● El reactor funcionó a 6 h, 12 h y 14 h de tiempo de retención hidráulica 2.2.5. Determinación de la carga orgánica
● El sustrato sintético y el efluente del reactor UASB fueron almacenados en viales rotulados respectivamente para luego llevarlos al laboratorio de Nanotecnología de la UNCP.
● En el laboratorio de Nanotecnología se evaluó la carga orgánica de cada una de las muestras utilizando el equipo TOC, este equipo fue calibrado con anterioridad a un valor de 200 ppm.
Figura 5. Diagrama de flujo del proceso experimental
38
Fuente: Elaboración Propia
2.3. Diseño experimental 2.3.1. Variables independientes
● Tiempo de retención hidráulica: 6 h, 12 h y 14 h
● Concentración de materia orgánica: 150,43 mg COT/L, 238,86 mg COT/L y 346,30 mg COT/L.
2.3.2. Variable dependiente
Eficiencia de la Remoción de materia orgánica: % 2.3.3. Diseño de la investigación
La investigación siguió el método experimental ya que se manipulo las variables independientes para observar su efecto sobre la variable dependiente, por ende, se propuso un diseño factorial del tipo 32, modelo que considera el estudio de dos factores con tres niveles cada uno, en general se realizaron 9 tratamientos además se hicieron tres réplicas, para brindarle la potencia necesaria al análisis estadístico sobre los efectos de las variables, entonces se realizó un total 27 tratamientos. El tipo de diseño experimental aplicado profundiza en la existencia de efectos de curvatura o tipo lineal de las variables (Gutiérres Pulido y De la Vara Salazar, 2016).
El esquema del diseño experimental es el siguiente:
Figura 6. Esquema del diseño experimental 32
Fuente: (Gutiérres Pulido y De la Vara Salazar, 2016).
Donde el factor A es tiempo de retención hidráulica y el factor B es la concentración de materia orgánica del sustrato sintético.
Asimismo, la matriz del diseño experimental se presenta en la tabla 7.
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Tabla 7 Matriz del diseño experimental 32 FACTORES
N°
Tiempo de operación
(h)
TRH (h)
COT (mg/L)
1 144 6 150,43
2 144 6 238,86
3 144 6 346,30
4 144 12 150,43
5 144 12 238,86
6 144 12 346,30
7 144 14 150,43
8 144 14 238,86
9 144 14 346,30
Fuente: Elaboración Propia
