Universidad Nacional del Centro del Perú

(1)

Universidad Nacional del Centro del Perú

Facultad de Ingeniería Civil

Propuesta de modelo de tratamiento de aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida, en el Distrito

de Huancan - Huancayo

De La Cruz Huaire, Robert

Huancayo 2019

Esta obra está bajo licencia https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Repositorio Institucional - UNCP

(2)

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

TESIS

PRESENTADO POR EL BACHILLER:

ROBERT DE LA CRUZ HUAIRE

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO CIVIL

HUANCAYO – PERÚ 2019

“PROPUESTA DE MODELO DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MEDIANTE PROCESOS DE BIOPELÍCULA FIJA SUMERGIDA, EN EL DISTRITO

DE HUANCAN - HUANCAYO”

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i

DEDICATORIA

A mis padres por su incondicional apoyo y sabios consejos para seguir adelante y superar las adversidades; a mis familiares por estar siempre presentes; a Dios por darme la vida, guiarme y permitirme tener a mis seres queridos a mi lado;

a mis maestros y amigos que contribuyeron de cierta manera en este trabajo. A todos ellos va dedicado la presente investigación.

(4)

ii

AGRADECIMIENTOS

A mis padres Alfredo y Magda por su apoyo incondicional en todas las etapas de mi formación, y por sus consejos para superar las adversidades de la vida, para ellos mi eterna gratitud.

A mis hermanos y familiares por su apoyo y estar siempre presentes en todas las etapas de mi vida.

A la jefa de la PTAR de la ciudad de Villa Rica Ing. María Nieve Contreras por brindarme las facilidades para realizar los trabajos necesarios para la ejecución de mi tesis.

A mi asesor Dr. Abel Alberto Muñiz Paucarmayta, por su orientación y dedicación durante todo el desarrollo de mi tesis.

A todos ellos; docentes, padres, hermanos y familiares, amigos y aquellos que de una u otra manera han sido parte de la realización de este trabajo les estoy muy agradecidos.

(5)

iii ÍNDICE

DEDICATORIA ... i

AGRADECIMIENTOS ... ii

ÍNDICE ……… iii

ÍNDICE DE TABLAS ... viii

ÍNDICE DE FIGURAS ...x

LISTA DE SÍMBOLOS ... xi

RESUMEN ... xiii

ABSTRACT ...xiv

INTRODUCCIÓN ... xv

CAPITULO I - PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN ...1

1.1. Determinación del Problema ...1

1.2. Formulación del Problema ...3

1.2.1. Problema general ...3

1.2.2. Problemas específicos ...3

1.3. Objetivos ...3

1.3.1. Objetivo principal ...3

1.3.2. Objetivos específicos ...3

1.4. Justificación ...3

1.4.1. Justificación metodológica ...3

1.4.2. Justificación practica ...4

1.4.3. Justificación ambiental ...4

1.5. Delimitación ...4

1.5.1. Delimitación conceptual...4

1.5.2. Delimitación espacial ...5

1.5.3. Delimitación temporal...5

1.6. Formulación de la Hipótesis ...5

1.6.1. Hipótesis general ...5

1.6.2. Hipótesis especificas ...5

1.7. Variables ...5

1.7.1. Variable 01 ...5

1.7.2. Variable 02 ...5

1.7.3. Operacionalización de variables ...6

(6)

iv

CAPITULO II - MARCO TEÓRICO ...7

2.1. Antecedentes de la Investigación...7

2.1.1. Antecedentes nacionales ...7

2.1.2. Antecedentes internacionales ...8

2.2. Bases Teóricas ... 10

2.2.1. Marco legal ... 10

2.2.1.1. Sobre los Límites máximos permisibles (LMP) ... 11

2.2.2. Procesos biológicos aerobios ... 12

2.2.3. Procesos de biopelícula fija sumergida ... 12

2.2.3.1. Biopelícula ... 14

2.2.3.2. Media de soporte ... 14

2.2.3.2.1. Superficie especifica ... 15

2.2.3.2.2. Índice de vacíos ... 16

2.2.3.3. Demanda de oxigeno ... 17

2.2.3.3.1. Demanda de oxígeno para sintetizar la materia orgánica ... 17

2.2.3.3.2. Demanda de oxígeno para la nitrificación ... 18

2.2.3.4. Parámetros hidráulicos ... 19

2.2.3.4.1. Caudal ... 19

2.2.3.4.2. Carga hidráulica ... 20

2.2.3.4.3. Carga orgánica ... 20

2.2.4. Tratamiento de aguas residuales ... 21

2.2.4.1. Composición de las aguas residuales ... 22

2.2.4.2. Parámetros de contaminación ... 23

2.2.4.2.1. Parámetros físicos ... 23

2.2.4.2.2. Parámetros químicos ... 25

2.2.4.2.3. Parámetros biológicos ... 27

2.2.5. Modelo general de diseño ... 27

2.2.5.1. Modelo de tratamiento preliminar del agua residual ... 27

2.2.5.1.1. Cámara de reja gruesa ... 27

2.2.5.1.2. Canal Parshall ... 29

2.2.5.1.3. Desarenador ... 32

2.2.5.1.4. Lecho de secado de arena ... 34

2.2.5.2. Modelo de procesos de biopelícula fija sumergida ... 35

(7)

v

2.2.5.2.1. Marco conceptual ... 35

2.2.5.2.2. Masa de oxigeno del proceso... 36

2.2.5.2.3. Oxigeno estándar del proceso ... 36

2.2.5.2.4. Flujo de aire ... 38

2.2.5.2.4. Condiciones de transporte del flujo ... 38

2.2.5.2.5. Pérdida de carga ... 39

2.2.5.2.6. Potencia del equipo de aireación ... 40

2.3. Marco Conceptual ... 41

CAPITULO III - METODOLOGÍA Y DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN ... 43

3.1. Método de Investigación: Científico ... 43

3.2. Tipo: Aplicada ... 43

3.3. Nivel: Descriptivo ... 43

3.4. Diseño: No experimental. ... 43

3.5. Población y Muestra ... 44

3.5.1. Población ... 44

3.5.2. Muestra ... 44

3.5.3. Muestreo ... 44

3.6. Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos ... 45

3.6.1. Técnica: Observación directa ... 45

3.6.2. Instrumento: Ficha de recopilación de información ... 46

3.7. Análisis e interpretación de la información... 46

CAPITULO IV - ANÁLISIS, RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 47

4.1. Breve descripción de la zona de estudio. ... 47

4.1.1. Ubicación geográfica, extensión y límites. ... 47

4.1.2. Características de la zona de estudio. ... 47

4.1.2.1. Topografía y clima. ... 47

4.1.2.2. Población. ... 47

4.2. Estudios previos. ... 48

4.2.1. Características de la población y alcantarillado ... 48

4.2.2. Consumo percápita ... 49

4.2.3. Precipitación promedio ... 49

4.2.4. Caracterización de las aguas residuales – Distrito de Huancan. ... 50

4.2.5. Caracterización de las aguas residuales – Reactor piloto ... 50

(8)

vi

4.3. Análisis. ... 52

4.3.1. Calculo de la magnitud de los parámetros hidráulicos durante el tratamiento de aguas residuales ... 52

4.3.1.1. Parámetros hidráulicos – Reactor piloto ... 52

4.3.1.2. Caudal del modelo ... 61

4.3.2. Estimación de valores de las características de la media de soporte en el tratamiento de aguas residuales... 67

4.3.2.1. Características de la media de soporte – Reactor piloto ... 67

4.3.2.2. Valores de las características de la media soporte en la remoción de parámetros fisicoquímicos y biológicos ... 69

4.3.3. Determinación de la demanda de oxígeno en el tratamiento de aguas residuales ... 72

4.3.3.1. Aireación del proceso – Reactor piloto ... 72

4.3.3.2. Demanda de oxígeno para la remoción de parámetros fisicoquímicos y biológicos ... 77

4.3.4. Propuesta de modelo de tratamiento de aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida en el distrito de Huancan – Huancayo. ... 80

4.3.4.1. Diseño del tratamiento preliminar ... 80

4.3.4.1.1. Parámetros de diseño ... 80

4.3.4.1.2. Diseño de cámara de rejas ... 81

4.3.4.1.3. Diseño del canal Parshall ... 81

4.3.4.1.4. Diseño del desarenador ... 82

4.3.4.1.5. Diseño de lecho de secado ... 82

4.3.4.2. Modelo del tratamiento biológico ... 83

4.3.4.2.1. Propiedades físicas del reactor biológico ... 83

4.3.4.2.2. Distribución de la media de soporte ... 84

4.3.4.2.3. Demanda de oxigeno del proceso ... 85

4.3.4.2.4. Flujo de aire ... 87

4.3.4.2.5. Condiciones de transporte del flujo ... 87

4.3.4.2.6. Pérdidas de carga ... 88

4.3.4.2.7. Potencia del equipo de aireación ... 89

4.4. Resultados. ... 89

4.4.1. Resultados correspondientes al primer objetivo especifico ... 89

4.4.2. Resultados correspondientes al segundo objetivo especifico ... 90

4.4.3. Resultados correspondientes al tercer objetivo especifico ... 90

4.4.4. Resultados correspondientes al objetivo general ... 91

(9)

vii

4.5. Discusión de resultados (Contraste de Hipótesis) ... 94

CAPITULO V - CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 98

5.1. Conclusiones... 98

5.1. Recomendaciones ... 99

CAPITULO VI - REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 101

ANEXOS ... 104

(10)

viii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla I-1: Operacionalización de variables ...6

Tabla II-1: Límites máximos permisibles para los efluentes de PTAR ... 11

Tabla II-2: Límites permisibles para descargar aguas residuales en cuerpos receptores de agua dulce ... 11

Tabla II-3: Tipos de procesos de tratamiento biológico ... 12

Tabla II-4: Componentes esenciales de las aguas residuales ... 23

Tabla II-5: Nomenclatura de partes de un aforador Parshall... 30

Tabla II-6: Dimensiones estándar de un aforador Parshall ... 31

Tabla II-7: Ancho de garganta de aforador Parshall en función del caudal ... 31

Tabla II-8: Parámetros de diseño para desarenadores de flujo horizontal ... 33

Tabla II-9: Criterios de diseño para lechos de secado de arena... 35

Tabla IV-1: Parámetros estadísticos de la población y alcantarillado del distrito de Huancan ... 48

Tabla IV-2: Consumo percápita de agua potable del distrito de Huancan ... 49

Tabla IV-3: Promedio multianual de precipitación acumulada de la estación de Viques ... 49

Tabla IV-4: Caracterización de las aguas residuales del distrito de Huancan... 50

Tabla IV-5: Caracterización del agua residual afluente al reactor piloto... 51

Tabla IV-6: Características fisicoquímicas y biológicas del afluente al reactor piloto ... 52

Tabla IV-7: Caudal tratado por el reactor piloto de la PTAR ... 53

Tabla IV-8: Test de Kolmogorov - Smirnov ... 56

Tabla IV-9: Medidas de tendencia central y dispersión ... 58

Tabla IV-10: Valores de KS teórico según nivel de significancia... 58

Tabla IV-11: Medidas y componentes del reactor piloto ... 59

Tabla IV-12: Carga hidráulica y orgánica del reactor piloto... 60

Tabla IV-13: Consumo doméstico percápita de agua del distrito de Huancan ... 61

Tabla IV-14: Consumo comercial percápita de agua del distrito de Huancan ... 62

Tabla IV-15: Consumo estatal percápita de agua del distrito de Huancan ... 63

Tabla IV-16: Consumo industrial percápita de agua del distrito de Huancan... 64

Tabla IV-17: Caudal aportado por tipo de fuente ... 65

Tabla IV-18: Parámetros del caudal por infiltración ... 65

Tabla IV-19: Caudal de aporte por infiltración de precipitación... 66

Tabla IV-20: Distribución y dimensiones de la media de soporte... 68

Tabla IV-21: Características de la media de soporte ... 68

Tabla IV-22: Características de los tipos de media de soporte ... 69

Tabla IV-23: Eficiencia de remoción por tipo de media de soporte ... 70

Tabla IV-24: Oxigeno requerido para el proceso ... 72

Tabla IV-25: Parámetros del factor de corrección de oxigeno requerido ... 73

Tabla IV-26: Parámetros del flujo de aire efectivo... 74

Tabla IV-27: Parámetros y condiciones del aire en el sistema de transporte ... 75

Tabla IV-28: Perdida de energía por fricción ... 75

Tabla IV-29: Perdida de energía por accesorios ... 75

(11)

ix

Tabla IV-30: Características del equipo de aireación ... 76

Tabla IV-31: Parámetros de operación para las condiciones de tratamiento ... 77

Tabla IV-32: Caracterización del efluente de cada condición de tratamiento ... 78

Tabla IV-33: Eficiencia de remoción para diferentes condiciones de demanda de oxígeno ... 78

Tabla IV-34: Parámetros de diseño de tratamiento preliminar ... 80

Tabla IV-35: Características de la cámara de rejas... 81

Tabla IV-36: Dimensiones del canal Parshall ... 81

Tabla IV-37: Características del canal desarenador ... 82

Tabla IV-38: Características del lecho de secado de arenas ... 83

Tabla IV-39: Parámetros de diseño para el dimensionamiento del reactor ... 84

Tabla IV-40: Características y propiedades físicas del reactor ... 84

Tabla IV-41: Características de la distribución de la media de soporte... 85

Tabla IV-42: Parámetros de cálculo de demanda de oxigeno del agua residual del distrito de Huancan ... 86

Tabla IV-43: Parámetros y condiciones del agua residual del distrito de Huancan ... 86

Tabla IV-44: Parámetros de cálculo para el flujo de aire... 87

Tabla IV-45: Parámetros y condiciones en el transporte de flujo de aire ... 87

Tabla IV-46: Perdida de energía en tuberías de transporte del flujo ... 88

Tabla IV-47: Perdida de energía en accesorios del transporte del flujo ... 88

Tabla IV-48: Parámetros de cálculo de potencia del equipo de aireación ... 89

Tabla IV-49: Caudales de aporte de agua residual de la zona urbana distrito de Huancan . 89 Tabla IV-50: Parámetros hidráulicos y de operación en reactores ... 90

Tabla IV-51: Valores óptimos para las características de la media de soporte ... 90

Tabla IV-52: Influencia de la demanda de oxígeno en el proceso de tratamiento ... 91

Tabla IV-53 Características del modelo de tratamiento de aguas residuales del distrito de Huancan ... 91

(12)

x

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura I-1: Ubicación de la zona urbana del distrito de Huancan. ...2

Figura I-2: Descarga directa sin tratamiento de las aguas residuales al rio Chanchas. ...2

Figura II-1: Esquema del proceso de biopelícula fija sumergida. ... 13

Figura II-2: Formación y composición de un sistema de biopelícula. ... 14

Figura II-3: Esquema conceptual de una depuración de aguas residuales. ... 22

Figura II-4: Variación del nitrógeno orgánico en condiciones aerobias. ... 26

Figura II-5: Geometria y partes de un aforador Parshall. ... 30

Figura IV-1: Crecimiento poblacional del distrito de Huancan al 2017. ... 48

Figura IV-2: Concentración de parámetros fisicoquímicos por muestreo. ... 51

Figura IV-3: Concentración de parámetros biológicos por muestreo. ... 51

Figura IV-4: Caudal afluente 18/03/19 - Reactor piloto ... 54

Figura IV-9: Regresión exponencial para KSt ... 58

Figura IV-10: Geometría y flujo de agua del reactor piloto – Reactor piloto. ... 59

Figura IV-11: Caudales de aporte del distrito de Huancan. ... 66

Figura IV-12: Distribución de la media de soporte en el reactor piloto – Reactor piloto. ... 67

Figura IV-13: Superficie especifica por tipo de media de soporte ... 69

Figura IV-14: Índice de vacíos por tipo de media de soporte ... 70

Figura IV-15: Eficiencia de remoción por tipo de media e soporte ... 71

Figura IV-16: Eficiencia de remoción para diferentes condiciones de demanda de oxígeno. ... 79

Figura IV-17: Concentraciones de Demanda Bioquímica de Oxigeno en el agua residual del distrito de Huancan. ... 92

Figura IV-18: Concentraciones de Demanda Química de Oxigeno en el agua residual del distrito de Huancan. ... 92

Figura IV-19: Concentraciones de Solidos Suspendidos en el agua residual del distrito de Huancan. ... 93

Figura IV-20: Concentraciones de Nitrógeno Amoniacal en el agua residual del distrito de Huancan. ... 93

Figura IV-21: Concentraciones de Coliformes Termotolerantes en el agua residual del distrito de Huancan. ... 93

(13)

xi

LISTA DE SÍMBOLOS

Se = Superficie especifica.

n = Índice de vacíos.

Dm = Densidad de la media en el reactor.

Au = Área útil de la media.

Vm = Volumen tributario de la media.

Vr = Volumen del reactor.

Vv = Volumen de vacíos en el reactor.

DO_ma = Demanda de oxígeno para síntesis de materia orgánica.

DO_na = Demanda de oxígeno para nitrificación del nitrógeno amoniacal.

C_ma = Carga de materia orgánica.

C_na = Carga de nitrógeno amoniacal.

a = Cantidad de oxigeno unitario necesario para sintetizar la materia orgánica.

b = Cantidad de oxigeno unitario necesario para nitrificar el amonio Qp = Caudal promedio de tratamiento.

Qmax = Caudal máximo horario.

c = Coeficiente de retorno de agua al alcantarillado.

q_i = Consumo percápita por tipo de origen.

Q_in = Caudal de infiltración en l/s/vivienda.

Φ = Coeficiente de escorrentía.

I = Intensidad de lluvia de cálculo en mm/año.

q_h = Carga hidráulica en el reactor.

q_o = Carga orgánica en el reactor.

DBO = Demanda bioquímica de oxígeno.

DQO = Demanda química de oxígeno.

SST = Solidos suspendidos totales.

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xii NH3 = Nitrógeno amoniacal.

CT = Coliformes termotolerantes.

DO/OER = Factor de corrección por presión y temperatura.

β = Factor de corrección de salinidad-tensión superficial.

C = Concentración de oxígeno disuelto deseada en mg/l.

α = Factor de corrección de transferencia de oxígeno.

θ = Coeficiente de temperatura de aire comprimido.

Cs = Concentración de saturación de oxígeno a temperatura del agua residual.

OER = Oxigeno estándar requerido.

Eca = Eficiencia de compresión del aire.

Eca = Eficiencia de absorción de aire.

ρ_a = Densidad del aire.

p: Presión de vapor del agua a la temperatura del lugar Fa = Fracción de oxígeno en el aire por peso

h_L = Perdida de carga por fricción en conductos.

h_a = Perdidas de carga por accesorios.

Pot = Potencia efectiva del equipo de aireación.

PTAR = Planta de tratamiento de aguas residuales.

(15)

xiii RESUMEN

La presente investigación fija como objetivo: determinar los parámetros de diseño y operación del tratamiento biológico mediante procesos de biopelícula fija sumergida para establecer un modelo y realizar el tratamiento de las aguas residuales de la zona urbana del distrito de Huancan.

Para el desarrollo de la investigación se aplicó una metodología: en el cual se realizó estudios de previos de campo para la recopilación de la información: planos de las redes de alcantarillado y conexiones, consumo de agua potable, precipitaciones y caracterización de las aguas residuales del distrito de Huancan y del reactor piloto de la PTAR de la ciudad de Villa Rica, imágenes satelitales y visitas a campo. El análisis de datos se realizó de la siguiente manera: se calcularon las magnitudes de los parámetros hidráulicos del reactor piloto y se estimaron los caudales de aporte a tratar provenientes de la zona urbana del distrito de Huancan, y en base a los parámetros hidráulicos determinados se establecieron las dimensiones del reactor para el modelo; se estimó los valores de las características de la media de soporte del reactor piloto para luego comparar y contrastar la remoción de parámetros físicos, químicos y biológicos con otras medias de soporte, y así fijar la superficie especifica e índice de vacíos adecuados para la media; se determinó la tasa de demanda de oxígeno para la síntesis de materia orgánica y la nitrificación del nitrógeno amoniacal; y por último se diseñó el modelo de tratamiento preliminar y biológico mediante procesos de biopelícula fija sumergida para tratar las aguas residuales del distrito de Huancan aplicando los valores de los parámetros de operación establecidos en el reactor piloto.

Obteniendo los siguientes resultados: caudal de tratamiento de 17.31 l/s para cada reactor sometido una carga orgánica e hidráulica de 0.24 kgDBO/día y 3.072 m/h respectivamente, con una media de soporte distribuida de manera homogénea en filas verticales que proporciona una superficie especifica de 440 m2/m3 y provee un índice de vacíos de 91.17%, con una demanda de oxigeno de 3865.77 kg02/día; logrando un efluente tratado con una DBO, DQO, SST, NH3 y CT de 43.62 mg/l, 87.04 mg/l, 46.22 mg/l, 8.23 mg/l y 8565 NMP/100ml respectivamente. De la investigación se concluye: que el tratamiento de las aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida provee eficiencias adecuadas en la remoción de contaminantes logrando concentraciones de contaminantes mucho menores a los reglamentados para el agua residual.

Palabras clave: Biopelícula, carga orgánica, superficie específica, nitrificación, flujo de aire.

(16)

xiv ABSTRACT

The present fixed research as an objective: to analyze the design and operation parameters of the biological treatment by means of submerged fixed biofilm processes to establish a model and optimize the treatment of wastewater of urban origin of the district of Huancan.

For the development of the research, a methodology was applied: in which field and laboratory studies were carried out for the collection of the necessary information: plans of sewerage networks and household connections, consumption of drinking water, rainfall, terrain characteristics and characterization of the wastewater of the Huancan district, satellite images and field visits; Similarly, the operational parameters of the biological reactor of the pilot plant in the city of Villa Rica were determined. The data analysis was carried out as follows: the contribution flows to be treated were estimated and based on the hydraulic parameters determined in the pilot biological reactor the hydraulic dimensions and parameters of the reactor were established; the characteristics of the support mean in the removal of physical, chemical and biological parameters were analyzed to determine the specific surface area and index of optimal voids of the mean; oxygen demand was determined under field conditions for the synthesis of organic matter and nitrification of ammoniacal nitrogen; and finally the design of the preliminary and biological treatment model through submerged fixed biofilm processes.

Obtaining the following results: treatment flow of 17.31 l / s for each reactor subjected to an organic and hydraulic load of 0.24 kgDBO / day and 3,072 m / h respectively, with a support average distributed homogeneously in vertical rows that provides a surface It specifies 440 m2 / m3 and provides a vacuum index of 91.17%, with an oxygen demand of 3865.77 kg02 / day; achieving an effluent treated with a BOD, COD, OSH, NH3 and CT of 43.62 mg / l, 87.04 mg / l, 46.22 mg / l, 8.23 mg / l and 8565 NMP / 100ml respectively. The investigation concludes: that the treatment of wastewater by means of submerged fixed biofilm processes has optimal efficiencies in the removal of pollutants, achieving pollutant concentrations much lower than those regulated in the wastewater avoiding contamination of the receiving body and the environment.

Keywords: Biofilm, organic load, specific surface, nitrification, air flow

(17)

xv

INTRODUCCIÓN

La adecuada disposición del tratamiento de las aguas residuales, forma parte de uno de los problemas de salud propias a la actividad humana, la descarga de las aguas residuales a los diferentes cuerpos receptores nos convierte en consumidores indirecta o directamente de estas aguas. A medida que la sociedad se expande, se incrementa la necesidad de implementar o renovar métodos de depuración que permitan eliminar los riesgos para la salud y mitigar los daños al medio ambiente.

En la actualidad los métodos aplicados a la depuración de las aguas residuales están sujetos a una continua experimentación e investigación con el fin de obtener aguas residuales de mejor calidad, de acuerdo a los lineamientos ambientales y sanitarios para conservar la salud de los habitantes, conservar el medio ambiente y poder ser aprovechados para las diversas actividades humanas.

Los procesos de biopelícula fija para la depuración de las aguas residuales urbanas viene siendo utilizada desde los últimos años y se ha probado su elevada eficiencia con respecto a la eliminación de los parámetros contaminantes de las aguas residuales. Las variadas modificaciones de esta tecnología permiten dar solución a los problemas que han surgido por el crecimiento poblacional a través del tiempo en los tratamientos convencionales que se ven considerablemente limitadas por las elevadas áreas de terreno que necesitan y por la deficiente operación y mantenimiento.

De esta manera los rendimientos notorios de este método, afloran como una alternativa que justifique su aplicación y desarrollo en pequeñas ciudades en desarrollo y urbanizadas, condicionado a los recursos necesarios para la sustentabilidad durante el tiempo de vida útil de la infraestructura.

En el Perú diariamente son generados 2.60 millones de metros cúbicos de aguas residuales urbanas en el ámbito nacional, del cual el 88 % es tratado, especial mención merece la ciudad de Huancayo que genera diariamente 33.2 miles de metros cúbicos de aguas residuales, y de estos el 100% es vertido a los cuerpos rectores sin tratamiento alguno.

Es así que esta investigación tiene por objetivo diseñar un modelo mediante procesos de biopelícula fija sumergida, en base al estudio de los indicadores que intervienen en la eficiencia del proceso para optimizar la depuración de las aguas residuales de la zona urbana

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xvi

del distrito de Huancan. Los resultados obtenidos muestran eficiencias optimas en la eliminación de contaminantes físicos, químicos y biológicos reduciendo los niveles de contaminación del agua residual, cumpliendo la normativa y evitando la contaminación del cuerpo receptor, el medio ambiente que lo rodea y salvaguardando la salud de la población.

El desarrollo de la presente tesis está estructurado de la siguiente manera:

El capítulo I corresponde a la determinación y formulación de los problemas generales y específicos, objetivos, justificación, delimitación, formulación de hipótesis y variables del de la investigación.

El capítulo II está conformado por el marco teórico en el cual se presenta los antecedentes referentes al trabajo de investigación que se desarrolló y las bases teóricas que detallan los aspectos fundamentales de la depuración de aguas residuales a través de procesos de biopelícula fija sumergida y que sustentan los cálculos ejecutados en el análisis de la información.

El capítulo III corresponde a la metodología empleada para el desarrollo de la investigación, así mismo se detalla los instrumentos y técnicas para la recolección de datos.

En el capítulo IV se desarrolla el análisis y tratamiento de la información, iniciando por la descripción de la zona de estudio, recopilando la información necesaria de campo y de laboratorio, y el análisis de estos determinando la influencia de los factores en la eficiencia del tratamiento. También se presentan los resultados obtenidos y la discusión de cada uno de ellos.

El capítulo V hace mención a las conclusiones y recomendaciones de la investigación.

En el capítulo VI se presenta la bibliografía consultada para la elaboración de la investigación.

(19)

1

CAPITULO I - PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN

1.1. Determinación del Problema

En los últimos años (Cortés Lorenzo, 2012) menciona que el incremento acelerado de la población ha provocado la contaminación masiva de los cuerpos receptores y las actuales fuentes de agua superficiales y subterráneas a través de las descargas de las aguas residuales, afectando la sostenibilidad del recurso hídrico y el bienestar de la población; debido a este incremento se han reducido las áreas para tratar las aguas residuales y los métodos convencionales de tratamiento ya no resultan eficientes, estos factores han generado la necesidad de proveer estaciones de depuración de aguas residuales con nuevos, más eficientes y sistemas compactos para garantizar el adecuado tratamiento previo a su descarga a los cuerpos receptores.

(Superintendencia Nacional de Servicios de Senamiento, 2015) Realiza el estudio

“Diagnostico de las plantas de tratamiento de aguas residuales en el ámbito de operación de las entidades prestadoras de servicios de saneamiento” que tuvo como objetivo principal determinar la situación actual de la PTAR en aspectos de eficiencia de depuración, infraestructura, mantenimiento y operación. Del contenido del estudio se establece que en la depuración de aguas residuales se viene empleando e implementando métodos tradicionales en las diferentes etapas de tratamiento, la mala eficiencia de estos sistemas se debe sobre todo a la trabajosa operación y mantenimiento de las etapas de depuración debido a que estos métodos necesitan la asistencia permanente de operadores calificados para su adecuado funcionamiento; por otra parte la elevada susceptibilidad a las sobrecargas orgánicas e hidráulicas que perturba el proceso de tratamiento, y por último, la excesiva producción, deficiente depuración y estabilización de lodos generados, son causas que inciden en la pésima eficiencia de las plantas de tratamiento con métodos tradicionales, y más aun con los nuevos y rigurosos estándares de calidad para vertimientos de estaciones de depuración de aguas residuales conforme a las normativas nacionales.

En la actualidad la zona urbana del distrito de Huancan no cuenta con un sistema de depuración adecuado de sus aguas residuales, y a causa del crecimiento poblacional acelerado, las filtraciones en el suelo, las actividades agrarias de la población y la presencia de causes de agua ha generado el colapso del sistema de tratamiento existente y limitan las posibilidades de tratar las aguas residuales, por lo que actualmente se viene vertiendo las

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2

aguas residuales directamente al rio Chanchas generando pasivos ambientales y focos de contaminación que repercuten en la salud de las personas y la alteración del medio ambiente de la zona.

En tal sentido a través del estudio del tratamiento de aguas residuales urbanas mediante procesos de biopelícula fija desde el punto técnico y operativo se propone un modelo de tratamiento de las aguas residuales de la zona urbana del distrito de Huancan teniendo en cuenta las características y factores que condicionan las formas de tratar las aguas residuales urbanas.

Figura I-1: Ubicación de la zona urbana del distrito de Huancan.

Fuente: Adaptado de Google Earth, 2019.

Figura I-2: Descarga directa sin tratamiento de las aguas residuales al rio Chanchas.

Fuente: Elaboración propia.

Zona centro urbana Huancan

Punto de descarga de aguas residuales

(21)

3 1.2. Formulación del Problema

1.2.1. Problema general

¿Cuál es el modelo de tratamiento de aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida para la zona urbana del distrito de Huancan-Huancayo?

1.2.2. Problemas específicos

 ¿Cuál es la magnitud de los parámetros hidráulicos durante el tratamiento de aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida?

 ¿Qué valores tienen las características de la media de soporte en el tratamiento de aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida?

 ¿Cuánto es la demanda de oxígeno en el tratamiento de aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida?

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo principal

Proponer un modelo de tratamiento biológico de aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida para la zona urbana del distrito de Huancan-Huancayo.

1.3.2. Objetivos específicos

 Calcular la magnitud de los parámetros hidráulicos durante el tratamiento de aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida.

 Estimar los valores de las características de la media de soporte en el tratamiento de aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida.

 Determinar la demanda de oxígeno en el tratamiento de aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida.

1.4. Justificación

1.4.1. Justificación metodológica

Cada modelo de tratamiento de aguas residuales requiere de procedimientos y una secuencia de diseño, en ese sentido; la presente investigación desarrolla y describe una

(22)

4

metodología para medir los parámetros de diseño que intervienen en los procesos de biopelícula fija sumergida, así mismo, se propone un modelo basado en una secuencia de procesos para el tratamiento de las aguas residuales aplicando los procesos de biopelícula fija sumergida.

1.4.2. Justificación practica

Conociendo las características, eficiencias, ventajas y limitaciones de los procesos biológicos con biopelícula fija sumergida en la depuración de las aguas residuales se podrá plantear un modelo para tratar las aguas residuales de la zona urbana del distrito de Huancan teniendo en cuenta las limitaciones geográficas que posee, además los resultados de la instigación podrán servir como base para las entidades delegadas de construir, implementar, operar y administrar las plantas de tratamiento, ya que podrán elegir desarrollar plantas compactas y ecológicas sin perjuicio de la calidad de las aguas tratadas para dar solución a inconvenientes que se dan en plantas con métodos y unidades de depuración convencionales tales como: el pésimo e inestable nivel de eficiencia en la depuración, vertimiento de aguas residuales a cuerpos receptores con concentraciones que no cumplen los estándares de calidad, producción excesiva de lodos y tratamiento de estos, necesidad de grandes extensiones de terrenos y la alteración del medio ambiente generados por desagradables olores e infiltraciones en el subsuelo en las estructuras de tratamiento.

1.4.3. Justificación ambiental

En la depuración de aguas residuales se dan procesos y operaciones para reducir los contaminantes presentes en estos con el objetivo de no generar la polución y alteración del medio ambiente que lo rodea (aire, suelo, cuerpo receptor y la población), en la presente investigación se plantea un modelo de tratamiento de las aguas residuales urbanas para prevenir la contaminación del cuerpo receptor de estas aguas, de tal manera que su implementación no altere las condiciones naturales del medio ambiente y de la población.

1.5. Delimitación

1.5.1. Delimitación conceptual

Esta investigación se enfocó en los parámetros de diseño que intervienen en los procesos de biopelícula fija sumergida como son: el caudal, carga orgánica, carga hidráulica, características de media de soporte y la demanda de oxígeno, para la remoción de los

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5

parámetros contaminantes físicos, químicos y biológicos presentes en el agua residual de origen urbano.

1.5.2. Delimitación espacial

La investigación se realizará en la zona urbana del distrito de Huancan provincia de Huancayo, y en la PTAR piloto del distrito de Villa Rica, provincia de Oxapampa.

1.5.3. Delimitación temporal

La investigación se desarrolló en el año 2019, el estudio empezó el mes de febrero hasta el mes de agosto del presente año. Los trabajos en el reactor pilo se realizaron de febrero a mayo del presente año.

1.6. Formulación de la Hipótesis 1.6.1. Hipótesis general

El modelo de procesos de biopelícula fija es aquel que considera los parámetros hidráulicos, características de la media de soporte y la demanda de oxígeno en el tratamiento de las aguas residuales de la zona urbana del distrito de Huancan-Huancayo.

1.6.2. Hipótesis especificas

 La magnitud de los parámetros hidráulicos en los procesos de biopelícula fija sumergida son bajos para el tratamiento de aguas residuales.

 Las características de la media de soporte en los procesos de biopelícula fija sumergida tienen valores altos para el tratamiento de aguas residuales.

 Los procesos de biopelícula fija necesitan de altas tasas de demanda de oxígeno para el tratamiento de aguas residuales.

1.7. Variables 1.7.1. Variable 01

Procesos de biopelícula fija sumergida.

1.7.2. Variable 02

Tratamiento de aguas residuales.

(24)

6 1.7.3. Operacionalización de variables

Tabla I-1:

Operacionalización de variables.

Variables Definición Conceptual Definición Operacional Dimensiones Indicadores Instrumentos

Variable 01 X1:

Procesos de biopelícula

fija sumergida

Proceso biológico con aireación prolongada que utiliza un medio plástico estático sumergido para el

desarrollo de microorganismos en forma de capas adheridas a la

media, en el cual se da la segregación biológica con un flujo hidráulico continuo (Gómez Salas,

2002).

Proceso biológico que utiliza un medio de soporte fijo

sumergido en el agua residual para el desarrollo de microorganismos mediante la oxigenación inducida y la

segmentación interna del reactor.

Media de soporte

Superficie específica (m2/m3).

Índice de vacíos (%).

Ficha de registro.

Demanda de oxigeno

Síntesis de materia orgánica (kg/día).

Nitrificación del amonio (kg/día).

Ficha de registro

Parámetros hidráulicos

Caudal (l/s) Carga hidráulica (m/h) Carga orgánica (kg/día)

Ficha de registro

Variable 02:

Y1:

Tratamiento de aguas residuales

Remoción del material contaminante orgánico e inorgánico

del agua residual a través de la integración de operaciones y

procesos unitarios (Noyola, Morgan, & Guereca, 2013)

Remoción de contaminantes físicos, químicos y biológicos a través de procesos que están sujetos a

parámetros operacionales, mediante el cual se generan

residuos y remanentes.

Parámetros físicos

Solidos suspendidos totales (mg/l).

Temperatura (°C). _Métodos normalizados para el análisis de agua potable

y residual.

APHA, AWWA, WPCF Parámetros

químicos

Demanda bioquímica de oxigeno (mg/l).

Demanda química de oxigeno (ml/l).

Nitrógeno amoniacal (mg/l).

Parámetros biológicos

Coliformes termotolerantes (NMP/100 ml).

Fuente: Elaboración propia.

(25)

7

CAPITULO II - MARCO TEÓRICO

2.1. Antecedentes de la Investigación 2.1.1. Antecedentes nacionales

En el ámbito nacional se han realizado las siguientes investigaciones referentes a procesos de biopelícula sumergida y tratamientos de aguas residuales:

(Palomino Lucano & Ballon Jomeque, 2007); elaboro la tesis titulado: “tratamiento de aguas residuales por procesos de biopelícula”, fijo como objetivo: determinar la eficiencia de remoción de la materia orgánica y solidos totales presentes en las aguas residuales mediante procesos de biopelícula fija sumergida. Aplicando una metodología: que consistió en la construcción de dos reactores utilizando como medio de contacto gravas seleccionadas y mangueras de PVC con una superficie especifica de 119.35 m2/m3 180 m2/m3 respectivamente, a cada reactor se aplicó un caudal de 1 ml/s y una tasa de oxigenación de 0.054 gO2/h y 0.062 gO2/h constantes, obteniendo los resultados siguientes: eficiencias de remoción de DBO de 86.35%, SST de 68.30% y Coliformes termotolerantes de 87.87%

para el reactor con medio de contacto de mangueras de PVC y con mayor tasa de oxigenación. Finalmente fija como conclusión: que empleando medios de contacto de alta superficie especifica e índice de porosidad con un espacio suficiente para drenar la biopelícula mejoran la eficiencia de remoción de la materia orgánica, así mismo, se verifico que una dosificación elevada y homogénea de tasa de oxigenación incrementa la eficiencia de tratamiento.

(Dextre Sanchez, 2018); presento la tesis titulado: “Determinación de los coeficientes cinéticos Ks y P de la tecnología lodos activados con biopelículas en medio fijo, para aguas residuales domesticas”, fijando como objetivo: comparar las eficiencias de remoción de la materia orgánica entre la tecnológica de lodos activados con biopelícula en medio fijo y lodos activados convencional. Aplicando una metodología: el cual consistió en la construcción de dos reactores a escala con sus respectivos sedimentadores, uno con la tecnología de biopelícula en medio fijo y la otra de tecnología convencional, ambos reactores trabajaron en las mismas condiciones para poder observar las ventajas y desventajas de cada uno de ellos, obteniendo los siguientes resultados: se obtuvo eficiencias de remoción de materia orgánica de 91.534 % y 76.793 % para la tecnología con biopelículas en medio fijo y tecnología convencional respectivamente aplicando una carga orgánica de 33. 625

(26)

8

gDQO/día y aplicando una carga orgánica de 181. 646 gDQO/día se obtuvieron eficiencias de 71.148 % y 55.058 % respectivamente. De los resultados obtenidos llega a la conclusión:

que la tecnología de lodos activados con crecimiento adherido de microorganismos es más eficiente que la de lodos activados convencional para el tratamiento de aguas residuales de origen doméstico.

(Cuyotupa Nuñez, 2017); en la tesis de pregrado titulado: “Diseño y construcción de un reactor biológico aerobio para la remoción de la carga orgánica a escala de laboratorio de las aguas residuales domésticas del distrito de San Agustín de Cajas-Huancayo”, teniendo como objetivo: operar un reactor biológico a escala de laboratorio para determinar la eficiencia del tratamiento de las aguas residuales del distrito en estudio. Aplicando una metodología:

consistió en caracterizar las aguas residuales del distrito para proceder a diseñar y construir un reactor biológico aerobio (lodos activados) a escala de laboratorio el cual funciono en dos etapas, la primera fue de pre experimentación que duro 27 días para la inoculación, aclimatación y arranque del sistema, la segunda etapa de experimentación duro 9 días en el cual se hizo un estudio de la eficiencia en remoción de la carga orgánica, con un suministro de aire de 2 L/min, en donde la variable independiente fue la temperatura, el cual se graduó de 15°C a 25°C y la variable dependiente fue la eficiencia de remoción de la DBO y la DQO, obteniendo los resultados siguientes: para el tratamiento a una temperatura de 15°C las eficiencias de remoción fueron 37.93% de DBO y 39.06% de DQO, a 20°C se obtuvo 56.05% de DBO y 57.90% de DQO y a una temperatura de 25°C se obtuvo 80.91% de DBO y 81.11% de DQO. Finalmente fija la siguiente conclusión: la temperatura más adecuada para el tratamiento es a 25°C con el cual se alcanza las eficiencias más óptimas de remoción, cumpliendo así con los límites reglamentados establecidos para los efluentes de estaciones de depuración de aguas residuales.

2.1.2. Antecedentes internacionales

En el ámbito internacional se han realizado las siguientes investigaciones referentes a procesos de biopelícula fija sumergida y tratamiento de aguas residuales:

(Integra Soluciones Ambientales, 2015); en el artículo de revista titulada: “Tecnología MSABP, proceso biológico activado multietapa. Depuración eficaz sin fangos activos en exceso: sin malos olores, bajos costes de explotación, modulable y ampliable”, fija como objetivo: establecer experimentalmente la eficacia de remoción de sólidos y el componente

(27)

9

orgánico presentes. Aplicando la siguiente metodología: se construyó un reactor biológico con aireación mecánica y segmentado en 12 etapas el cual se operó durante dos años utilizado como tratamiento secundario de aguas residuales industriales un modelo biológico multietapa de lecho fijo mediante procesos de biopelícula en el Centro de Experimentación de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA) realizándose dos pilotos, la primera con aireación en las todas las etapas y la segunda con la última sin aireación; obteniendo los siguientes resultados: en el primer piloto se obtuvo una eficiencia de 94% de depuración de DBO, 84% de DQO y 64% de SST, en el segundo piloto se convierte la cámara N°12 en clarificador al suprimirle la aireación por lo que el reactor funciono con once etapas en aireación resultando una eficiencia de 92% de remoción de DBO, 82% de DQO y 87% de SST. Finalmente fija las siguientes conclusiones: la eficiencia de depuración de SST es mucho mayor en el segundo piloto pero con el inconveniente de la sedimentación de los sólidos en la última etapa, así mismo se verifica que el modelo provee altos rendimientos de remoción de parámetros fisicoquímicos en la depuración de aguas residuales industriales sin la generación de solidos (lodos) en el proceso.

(Cortés Lorenzo, 2012); en la tesis titulada: “Tratamiento de agua residual urbana con salinidad variable”, fijo como objetivo: determinar la incidencia de las sales en la eficacia de depuración de las aguas residuales y el desarrollo de la biopelícula en modelos de tratamiento biológico con biopelícula fija sumergida. Aplicando la siguiente metodología:

construyo un reactor piloto a escala de filtro sumergido con aireación mecánica y una media de soporte plástico poroso, para el cual se utilizó como afluente las aguas residuales provenientes del decantador primario de una planta en condiciones naturales y para los siguientes experimentos se adiciono diferentes concentraciones de sal, obtuvo los resultados: para el experimento sin adición de sales las eficiencias de remoción promedio fueron DBO en 96%, DQO en 91%, SST en 96%, SSV en 97%. Finalmente fija como conclusión: que a mayor concentración de sales en el agua residual la remoción de la materia orgánica se va rediciendo proporcionalmente, lo mismo sucede con el nitrato y el amonio, a diferencia de la remoción de los sólidos suspendidos y volátiles que no son afectados por la presencia de sales.

(Maldonado, 2016); el artículo de investigación titulada: “Tratamiento de un efluente procedente de la industria agroalimentaria utilizando un reactor biológico aérobico de lecho fijo (RLF) combinado con un tratamiento mediante fotocatálisis solar”, fijo como objetivo:

plantear un sistema de tratamiento mediante un reactor biológico aerobio de lecho fijo como

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10

tratamiento secundario seguido de fotocatálisis solar como tratamiento terciario.

Desarrollando la siguiente metodología: caracterizó el agua residual generada por una industria agroalimentaria, de igual manera el efluente del reactor biológico y de las esferas de vidrio de la planta solar para determinar la eficiencia de depuración en cada etapa, obteniendo los siguientes resultados: eficiencias de depuración máximas de DQO de 97.35%, CT de 98.04%, nitrógeno total de 90.80% y solidos suspendidos totales de 98.78%

para periodos de retención hidráulica de 72 a 120 horas. Por ultimo fija las siguientes conclusiones: el tratamiento biológico con reactor de lecho fijo resulta eficiente para la depuración de aguas residuales industriales a diferencia del tratamiento fotocatalíco solar que no resulta eficiente para la eliminación de contaminantes orgánicos de baja concentración como los pesticidas.

2.2. Bases Teóricas 2.2.1. Marco legal

La (Autoridad Nacional del Agua, 2011) en la ley de Recursos Hídricos (Ley N° 29338) establece las siguientes disposiciones para el tratamiento de las aguas residuales:

Artículo 79: Vertimiento de agua residual.

La Autoridad Nacional autoriza el vertimiento del agua residual tratada a un cuerpo natural de agua continental o marina, previa opinión técnica favorable de las Autoridades Ambiental y de Salud sobre el cumplimiento de los Estándares de Calidad Ambiental del Agua (ECA-Agua) y Límites Máximos Permisibles (LMP). Queda prohibido el vertimiento directo o indirecto de agua residual sin dicha autorización.

Artículo 80: Autorización de vertimiento.

Todo vertimiento de agua residual en una fuente natural de agua requiere de autorización de vertimiento, para cuyo efecto debe presentar el instrumento ambiental pertinente aprobado por la autoridad ambiental respectiva, el cual debe contemplar los siguientes aspectos respecto de las emisiones: (1) Someter los residuos a los necesarios tratamientos previos. (2) Comprobar que las condiciones del receptor permitan los procesos naturales de purificación.

(29)

11

La autorización de vertimiento se otorga por un plazo determinado y prorrogable, de acuerdo con la duración de la actividad principal en la que se usa el agua y está sujeta a lo establecido en la Ley y en el Reglamento.

2.2.1.1. Sobre los Límites máximos permisibles (LMP)

Es la cuantificación de la aglomeración o de la cantidad de parámetros fisicoquímicos, biológicos y/o elementos y sustancias, que singularizan a una emanación y que al exceder su concentración provoca o puede generar agravios al bienestar de los seres vivos y el medio ambiente.

El (Ministerio del Ambiente, 2010) “establece los límites máximos permisibles para efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales domesticas o municipales para los parámetros básicos de las aguas residuales”.

Tabla II-1

Límites máximos permisibles para los efluentes de PTAR.

Parámetro Unidad LMP

Aceites y grasas mg/L 20

Coliformes termotolerantes NMP/100ml 10000 Demanda bioquímica de oxigeno mg/L 100

Demanda química de oxigeno mg/L 200

pH unidad 6.5 - 8.5

Solidos suspendidos totales mg/L 150

Temperatura °C < 35

Fuente: (Ministerio del Ambiente, 2010).

Según la (Organización Mundial de la Salud, 2006) los límites permisibles de parámetros químicos correspondientes a los principales nutrientes para descargar aguas residuales en cuerpos receptores de agua dulce son aquellos que se muestran en la siguiente tabla:

Tabla II-2

Límites permisibles para descargar aguas residuales en cuerpos receptores de agua dulce.

Parámetro Unidad LMP

Nitrógeno total (N) mg/L 15

Nitrógeno amoniacal (NH3) mg/L 10 Nitratos y Nitritos (NO2,NO3) mg/L 10 Fuente: Adaptado de (Organización Mundial de la Salud, 2006).

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12 2.2.2. Procesos biológicos aerobios

Los procesos biológicos se originan en fenómenos y procesos que se generan en la naturaleza y para obtener mejores condiciones de tratamiento se puede inducir la descomposición de los residuos a través del control del habitad y el entorno de los microorganismos, ya que el tratamiento biológico trata de controlar el ecosistema de los organismos presentes de tal manera que se adquieran escenarios de desarrollo favorables.

Los diferentes procesos biológicos aerobios utilizados en la depuración de aguas residuales se pueden dividir en función del método de cultivo ya sea en suspensión, en sistemas de cultivo fijo o en sistemas que resultan de la combinación de ambos (Metcalf & Eddy, Inc., 1995, pág. 431).

Tabla II-3

Tipos de procesos de tratamiento biológico.

Tipo de proceso Proceso Uso principal

Crecimiento Suspendido

Lodos activados Eliminación de la fracción orgánica y nitrificación.

Lagunas aireadas Eliminación de la fracción orgánica biodegradable.

Digestores aerobios Eliminación de la fracción orgánica y estabilización.

Lagunas facultativas Remoción de materia orgánica.

Crecimiento Adherido

Filtros percoladores Eliminación de la fracción orgánica y nitrificación.

Discos rotatorios Eliminación de la fracción orgánica y nitrificación.

Reactores de película fija

Eliminación de la fracción orgánica y nitrificación.

Fuente: Tratamiento de aguas residuales en pequeñas poblaciones (Crites &

Tchobanoglous, 2000).

2.2.3. Procesos de biopelícula fija sumergida

El tratamiento biológico mediante biopelícula fija utiliza un medio plástico para el crecimiento de microorganismos, este medio al hacer contacto con el agua residual genera el crecimiento de microorganismos sujetos a su superficie produciendo una capa de

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microorganismos que conforman una película biológica, tales microorganismos se alimentan de la materia orgánica presente en el agua residual (Gómez Salas, 2002, pág. 1).

En este sistema la biopelícula se encuentra sumergida en un reactor en el que escurre agua residual sometido a una aireación intensiva para que se desarrolle el proceso aerobio y eviten que existan superficies con pequeñas tasas de crecimiento de biopelícula. La aireación con burbujas de aire generan un flujo de convección provocada, que promueve el contacto entre la película biológica (microorganismos), el oxígeno presente en el aire y el sustrato o alimento (Gómez Salas, 2002, págs. 1-2).

Según (Gómez Salas, 2002, pág. 2) la biopelícula generada por la degradación de la materia orgánica se va fijando a la superficie de la media de soporte formando múltiples capas sobrepuestas, esto provoca que los microorganismos de las capas exteriores posean un elevado contacto con la materia orgánica y con el oxígeno del aire a diferencia de la capa fijada a la superficie de la media que cada vez posee menor contacto con el oxígeno y el sustrato, generándose en esta zona una alimentación y respiración deficiente provocando su muerte y desprendimiento del medio.

Figura II-1: Esquema del proceso de biopelícula fija sumergida.

Fuente: (Water and Enviromental Engineering Group, 2015, pág. 2).

En la superficie de la media que queda vacía al desprenderse la biopelícula muerta se inicia el desarrollo de una nueva biopelícula, generándose un ciclo sistemático repetitivo, pues el proceso biológico regula por sí mismo la concentración necesaria de biomasa para la depuración adecuada del agua residual. La biopelícula al desprenderse de la media forman concentraciones que permanecen en suspensión a causa de la turbulencia que genera el aire

(32)

14

suministrado evitando su sedimentación, además de ocasionar la eliminación acelerada de estos en la última etapa del tratamiento que de manera natural son consumidos por microorganismos de un nivel superior en la cadena trófica. Este proceso forzado en la última etapa de tratamiento provee una considerable eliminación del lodo (biomasa en forma de flóculos), generando de esta manera que los remanentes formen parte de los sólidos suspendidos totales del efluente del proceso (Integra Soluciones Ambientales, 2015, pág.

10).

2.2.3.1. Biopelícula

Las biopelículas también denominadas biofilm, se definen como concentraciones de microorganismos que se desarrollan embebidas en un ambiente de sustancias poliméricas extracelulares (SPE) fijados a una superficie inerte o un tejido vivo. Los procesos metabólicos de transformación se dan en el cuerpo de la biopelícula a través de la transferencia de oxígeno que determina la velocidad de conversión biológica (Palomino Lucano & Ballon Jomeque, 2007, págs. 23,24).

En la figura II-2 se muestra una representación con todas los componentes que integran una biopelícula, las cuales son: fluido en suspensión, capa límite, biopelícula y soporte de la biopelícula (acarreador).

Figura II-2: Formación y composición de un sistema de biopelícula.

Fuente: (Amy, y otros, 2017, pág. 512).

2.2.3.2. Media de soporte

El material de soporte denominado media se fija el interior de los reactores y sumergidos en el agua residual, el cual podría ser de procedencia natural (arena, gravas, piedras, etc.) o sintético (PVC, vidrio, polietileno, fibras, etc.) que se utilizan únicamente como apoyo o soporte para la biopelícula. A menudo la media de soporte es elaborado en forma de bloques,

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15

en tubos cilíndricos con perforaciones horizontales o fibras textiles que forman laminas delgadas onduladas (Cortés Lorenzo, 2012, pág. 22).

(Cortés Lorenzo, 2012, pág. 22) Menciona que las características de la media establecen la eficiencia de los procesos, siendo los principales requisitos:

 Alto grado de adherencia.

 Escasa resistencia al flujo del agua.

 Superficie específica y porosidad elevadas.

 Estabilidad química y biológica.

 Capacidad para atrapar sólidos en suspensión.

 Durabilidad y resistencia mecánica a la destrucción y abrasión.

 Tamaño granular uniforme o espaciado uniforme de placas permitiendo uniformidad del flujo a través del lecho.

 Densidad similar a la del agua para que no provoque una pesada carga las estructuras sumergidas o sobre el fondo del tanque.

Un considerable espacio vacío provee una asimilación más elevada de oxígeno en la masa de la biopelícula y disminuye los inconvenientes de colmatación de los canales por donde fluyen las burbujas de aire para alcanzar a la superficie a causa de un desmedido crecimiento de biopelícula. Así mismo una elevada densidad de superficie genera mayor biomasa por unidad de volumen, necesitándose menores volúmenes de los reactores a diferencia de otros métodos de tratamientos (Cortés Lorenzo, 2012, pág. 23).

En los procesos de biopelícula fija sumergida la media cumple con dos funciones fundamentales, servir como soporte para la adhesión de los organismos y contener a los sólidos suspendidos existentes en el agua residual; a medida que la superficie libre para la adhesión de las poblaciones de microorganismos es menor, la suficiencia de retención de solidos suspendidos por filtración también será menor. Así mismo los materiales con elevada superficie generan la acelerada evolución de la perdida de carga necesitando un lavado con mayor frecuencia (Palomino Lucano & Ballon Jomeque, 2007, pág. 33).

2.2.3.2.1. Superficie especifica

Es el área de soporte disponible para el crecimiento de la película biológica por unidad de volumen de lecho, esta establece la cantidad de biopelícula que es capaz de mantenerse

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16

por unidad de volumen de lecho. Sin embargo, un lecho de elevada superficie específica podría implicar un mayor atrapamiento o retención de sólidos en suspensión, y también que las pérdidas de carga por rozamiento sean mayores y por tanto que se requiera más energía para mover el agua a través del lecho a una cierta velocidad. Asimismo, la probabilidad de atascamiento es mayor si el relleno tiene una superficie específica muy elevada y un fuerte lavado para desatascar un lecho, conllevaría la eliminación de protozoos y micro-metazoos (recorte de la cadena trófica) y un incremento de la producción de fangos (Water and Enviromental Engineering Group, 2015, pág. 3).

𝑆𝑒 = ^𝐴𝑢

𝑉𝑚 Ec. II-1 Donde:

𝑆𝑒: Superficie especifica del medio de contacto en m2/m3.

𝐴𝑢: Área útil de la media en m2.

𝑉𝑚: Volumen tributario de la media en m3.

Para determinar la incidencia de la media en el diseño de los procesos de biopelícula fija sumergida es necesario establecer la relación entre el área superficial efectiva y el volumen del reactor que se representa mediante la densidad del medio, según lo establece (Amy, y otros, 2017, pág. 563).

𝐷𝑚 =^𝐴𝑢

𝑉𝑟 Ec. II-2 Donde:

𝐷𝑚: Densidad de la media en el reactor en cm2/l.

𝐴𝑢: Área superficial efectiva de la biopelícula en cm2.

𝑉𝑟: Volumen del reactor considerando la media en l.

2.2.3.2.2. Índice de vacíos

Es la fracción vacía del volumen de lecho. Permite estimar el volumen efectivo o útil para la circulación del agua, y por ende estimar el periodo de retención hidráulica (TRH). Cuanto mayor es la carga orgánica aplicada mayor tiene que ser la porosidad dado que la biopelícula que se producirá tendrá mayor espesor (Water and Enviromental Engineering Group, 2015, pág. 3). Se calcula dividendo el volumen que no es ocupado por la media y la biopelícula entre el volumen total del reactor:

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17 𝑛 =^𝑉𝑣

𝑉𝑟∗ 100 Ec. II-3 Donde:

𝑛: Índice de vacíos del reactor en %.

𝑉𝑣: Volumen de vacíos en el reactor e m3.

𝑉𝑟: Volumen del reactor en m3.

2.2.3.3. Demanda de oxigeno

Los microorganismos necesitan de una fuente de energía y carbono para la síntesis de nuevas células así como de nutrientes inorgánicos para su metabolismo. El metabolismo es la combinación de un conjunto de transformaciones bioquímicas necesarias para la síntesis celular y la producción de energía que se dan a través de procesos enzimáticos (Menéndez Gutiérrez & Pérez Olmo, 2007, pág. 78).

En la depuración biológico de aguas residuales la energía se encuentra en un primer instante en los compuestos orgánicos carbonosos y nitrosos, posteriormente se convierte en otras formas con la consecuente pérdida de energía. “La energía carbonosa es asimilada por organismos heterótrofos los cuales descomponen los compuestos proteicos en sus constituyentes carbonosos y nitrosos, así mismo el amoniaco obtenido es utilizado como fuente de energía por las bacterias nitrificantes” (Menéndez Gutiérrez & Pérez Olmo, 2007, pág. 79).

2.2.3.3.1. Demanda de oxígeno para sintetizar la materia orgánica

Según lo establece (Cuyotupa Nuñez, 2017, pág. 74) en el tratamiento, se dan una secuencia de procesos metabólicos y de asimilación de compuestos, iniciando con la producción de nuevas células (producción de biomasa) y la respiración del sustrato. Este primer proceso es fundamental ya que en un tratamiento aerobio se debe proveer una concentración optima de oxígeno disuelto para provocar la degradación de la materia orgánica. El segundo proceso que se da es la oxidación de las células para inducir la respiración endógena en los microorganismos vivos.

Estos procesos se pueden representar mediante las expresiones siguientes:

 Oxidación y síntesis

𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 + 𝑂₂+ 𝑛𝑢𝑡𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠^{𝐵𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠}→ 𝐶𝑂₂+𝑁𝐻₃+ 𝑜𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠

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18

 Respiración endógena

𝐶𝑒𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠 + 𝑂₂→ 𝐶𝑂₂+ 𝐻₂𝑂 + 𝑁𝐻₃+ 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎

La demanda de oxígeno para realizar estos procesos se determina mediante la siguiente expresión según (Cuyotupa Nuñez, 2017, pág. 74):

𝐷𝑂_𝑚𝑎= 𝑎 ∗ 𝑄𝑝 ∗ 𝐶_𝑚𝑎 Ec. II-4 Donde:

𝐷𝑂_𝑚𝑎: Demanda de oxígeno para sintetizar la DBO en kg/día.

𝑄𝑝: Caudal promedio en l/día.

𝐶_𝑚𝑎: concentración de materia orgánica expresada en DBO mg/l.

𝑎: Cantidad de oxigeno unitario necesario para sintetizar la DBO en kg O2/kg DBO.

2.2.3.3.2. Demanda de oxígeno para la nitrificación

Al darse los procesos de síntesis de la materia orgánica, también se produce una nitrificación del amonio, por lo que se necesita una cantidad extra de oxígeno para oxidar el nitrógeno amoniacal a nitrito y posteriormente a nitrato (Cuyotupa Nuñez, 2017, pág. 75).

Este proceso se presenta en dos etapas:

𝑁𝐻₃+ 1 1/2𝑂₂→ 𝐻𝑁𝑂₃+ 𝐻₂𝑂 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑁𝑂2+ 1/2𝑂2→ 𝑁𝑂3+ 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎