UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERIA QUMICA
DISEO Y CONSTRUCCION DE UN REACTOR DE MANTO DE LODO ANAEROBIO DE
FLUJO ASCENDENTE (UASB) A NIVEL DE LABORATORIO PARA EL TRATAMIENTO
DEL AGUA RESIDUAL MUNICIPALDEL DISTRITO DE HUANCAYO
Tesis
Para optar el ttulo profesional de Ingeniero Qumico
Presentado por:
Bach. DIAZ VIVANCO, GiancarlosBach. OCHOA BRUNO LINCOLN
HUANCAYO - PERU2013
ASESOR:
Ing. Ms. DEMETRIO SALAZAR MAURICIO
DEDICATORIAA Dios por darnos la fortaleza espiritual y fsica, a
mi adorada Madre Nelly; por darme la vida, estar conmigo y
brindarme su apoyo en todo momento para realizarme como persona y
profesional. Lincoln
DEDICATORIA
A Dios por darnos la fortaleza espiritual y fsica, a mi adorada
Madre Victoria; por darme la vida, estar conmigo y brindarme su
apoyo en todo momento para realizarme como persona y profesional. A
mi hermano Joesef por su desinteresada ayuda y sus consejos para
alcanzar mis metas. GIANCARLOS
AGRADECIMIENTO
El agradecimiento a la municipalidad distrital de Huancayo, muy
en especial al Ing. Jess Vila Retamozo Jefe Del Laboratorio De
Control De Calidad De Agua Potable por permitirme realizar este
trabajo de investigacin.Agradezco a todas las personas de alguna u
otra manera me han podido ayudar en la elaboracin del presente
informe.Un especial agradecimiento al Ing. Ms. Ivn Luis Osorio Lpez
por su constante apoyo en la realizacin de este trabajo de
investigacin, quien con su experiencia y conocimiento supo
encaminarnos al buen desarrollo de este trabajo.
INTRODUCCIN
El presente informe presenta la necesidad de formar una
tecnologa que permitir solucionar los problemas causados por
vertimientos domsticos que son los ms frecuentes en nuestra
localidad, en forma tal que estas aguas residuales se reutilicen
evitando el desperdicio.El agua residual se puede definir como la
combinacin de los residuos lquidos o aguas portadoras de residuos
procedentes, tanto de residencias como instituciones pblicas,
plantas industriales y comerciales. Sin embargo, cindonos a los
objetivos de esta .investigacin, al hablar de aguas residuales
municipales nos referimos a aguas de origen domstico, con alguna
posible aportacin de pluviales y/o de procedencia incontrolada.Los
parmetros ms utilizados para evaluar el comportamiento de las aguas
residuales son la demanda qumica de oxigeno (DQO), que caracteriza
la carga orgnica y la cantidad de oxigeno consumido en la oxidacin
qumica de la materia orgnica, el nmero de coliformes totales (CT),
que indica el grado de contaminacin fecal y el nmero de bacterias
saprofitas (BS), que indica la cantidad de microorganismos
transformadores de materia en componentes ms simples.Por ello el
tratamiento de las aguas residuales es una obligacin inaplazable
para todos los pases latinoamericanos. Sin embargo, dadas las
limitaciones econmicas de la regin es necesario buscar alternativas
tecnolgicas que garanticen efectividad, sencillez y bajo costo lo
cual permitir desarrollar una verdadera poltica de control de la
contaminacin hdrica.Podemos decir que la tecnologa anaerobia y
particularmente el sistema UASB, parece constituir una solucin muy
apropiada para nuestra condicin de pas en desarrollo.Es un hecho
que las tecnologas convencionales y financieramente estn muy
alejadas de las posibilidades de cualquier municipalidad.Los
reactores (UASB) han sido ampliamente usados para el tratamiento de
aguas residuales de baja y alta carga orgnica, de naturaleza
soluble y compleja. La operacin de stos se basa en la actividad
auto regulada de diferentes grupos de bacterias que degradan la
materia orgnica y se desarrollan de manera continua, formando un
lodo biolgicamente activo dentro del reactor, siempre y cuando en
el interior se tenga un buen contacto con el agua residual y un
tiempo de permaneca suficiente para alcanzar una alta eficiencia en
la remocin de material orgnico biodegradable. En general en el
diseo de un proceso que involucra a un UASB se considera necesaria
una etapa de acidificacin con un tiempo de retencin de 6 24 horas,
la cual puede lograrse en el mismo tanque de homogenizacin. Si la
DQO es superior a 10 g/L, deber considerarse la inclusin de un
separador de slidos suspendidos antes de entrar al UASB, con el
objeto de impedir la entrada de la biomasa acido gnica formada en
el reactor de pre acidificacin. Para evitar esto se puede disear el
UASB considerando el incremento de slidos suspendidos voltiles
(SSV) que representa esa biomasa. Si el residuo tiene una DQO menor
de 1500 mg/L, generalmente el diseo es fijado por la carga
hidrulica (velocidad ascendente) y para aguas ms concentradas, el
diseo lo impone la carga orgnica volumtrica.Es por ello que el
presente trabajo de investigacin tiene por objetivo disear y
construir un reactor UASB para el tratamiento de aguas residuales
municipales del distrito de Huancayo.
RESUMEN
Esta tesis tiene el propsito de disear y construir un reactor
UASB para el tratamiento de aguas residuales municipales del
distrito de Huancayo a escala de laboratorio, ya que es una
alternativa que permitir solucionar los problemas causados por
vertimientos domsticos, en forma tal que estas aguas residuales se
reutilicen evitando el desperdicio. Para el diseo del reactor UASB
se us el mtodo tradicional o emprico. En la que se ha seguido una
secuencia que consiste en proponer los parmetros de diseo que en
este caso fueron la carga orgnica volumtrica de la concentracin
inicial del agua residual municipal o del sustrato de 1Kg DQO/m3,
el flujo de alimentacin de , y la eficiencia de depuracin asumida
para el diseo fue del 85%.Con estos parmetros se calcul el volumen
del reactor que es de 6L con un dimetro de 0.12 m, una altura total
de 0.60538 m, el tiempo de residencia hidrulica de 12 horas, el rea
de la abertura del separador gas-lquido-slido (GLS) es de 0.03 m2,
el rea de la seccin transversal de la campana del separador (GLS)
es 0.90m2 y su altura es de 0.075385m con un ngulo de 60 .El ancho
de los deflectores es de 0.0207m y su longitud es 0.0414m con un
ngulo de 45.El reactor fue construido en acrlico de 3mm de
espesor..Para poner en marcha el reactor en primer lugar se
caracterizaron las aguas residuales municipales del colector Daniel
Alcides Carrin LA RIVERA HUANCAYO; se instal el reactor de 6L en el
laboratorio de qumica general de la FIQ, El inoculo fue adicionado
al reactor en un 23% del volumen total y aforado con agua residual;
se puso en funcionamiento el reactor alimentando el ARM durante 14
das a temperatura ambiente y 72 das a 35C y pH
(6.8-7.5).Desarrollado la biopelcula, se procedi a analizar el
afluente y efluente durante 48 das de biodegradacin de la materia
orgnica obteniendo una eficiencia de remocin del 62.47% del DQO, 48
horas con un eficiencia de 65.39%, 21 horas con una eficiencia de
70.53% y en 14 horas con una eficiencia de 77.29%. Palabras clave:
UASB, reactor anaerbico, aguas residuales, carga orgnica volumetra,
tiempo de residencia hidrulica, biopelicula.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Disear y construir un reactor de manto de lodo anaerobio de
flujo ascendente (UASB) a nivel de laboratorio para el tratamiento
del agua residual municipal del distrito de Huancayo.OBJETIVOS
ESPECIFICOS
Caracterizar el agua residual municipal del colector de Daniel
Alcides Carrin SEDAM - HUANCAYO. Disear un reactor de manto de lodo
anaerobio de flujo ascendente a nivel de laboratorio. Construir el
reactor de manto de lodo anaerobio de flujo ascendente a nivel de
laboratorio. Determinar la eficiencia de remocin de la carga
orgnica en el reactor
NOMENCLATURAArea de la superficie reactor (m2)
BvCarga orgnica volumtrica (kgDQO/m3)
BXCarga orgnica msica (g DQO/g SSV*d)
DDimetro del reactor (m)
NEficiencia de depuracin
QFlujo de alimentacin (m3/d
Vavelocidad ascendente en zona de lodos (m/h)
S0Concentracin inicial del sustrato (Kg DQO/m3)
TTemperatura (C)
VrVolumen del reactor UASB (m3)
VLVolumen lquido del reactor (m3)
HLAltura del lquido del reactor (m)
HGAltura de la campana del separador S-L-G (m)
HTAltura total del reactor (m)
AArea de la abertura del separador S-L-G (m2)
Acampanarea de la campana del separador S-L-G (m2)
WAAncho de la abertura (m)
RRRadio del reactor (m)
RCRadio de la campana del separador S-L-G (m)
WGAncho de la campana
TVTraslapo (m)
WDAncho de los deflectores (m)
LDLongitud de los deflectores (m)
ABREVIATURASAGVcidos grasos voltiles
ARMAguas Residuales Municipales
DQODemanda qumica de oxigeno
DBODemanda bioqumica de oxigeno
ODOxgeno Disuelto
OHPABacterias Acetognicas Productoras de Hidrgeno
SSSlidos suspendidos
SSTSlidos Suspendidos Totales
SSVSlidos Suspendidos Voltiles
THRTiempo de Retencin Hidrulica (h)
UASBUpflowAnaerobicSludgeBlanket
NDICE
DEDICATORIAiiiAGRADECIMIENTOivINTRODUCCINvRESUMENviIOBJETIVOSviiiOBJETIVO
GENERALviiiOBJETIVOS
ESPECFICOSviiiNOMENCLATURAixABREVIATURASixNDICEx
CAPITULO IASPECTOS GENERALES
1.1. ANTECEDENTES141.2. EXPERIENCIAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES MUNICIPALES CON REACTORES UASB151.3. ADELANTOS
CIENTIFICOS191.4. JUSTIFICACION20
CAPITULO IIMARCO TEORICO2.1. DISEO DE REACTORES212.1.1.
REACTORES BIOLGICOS21a) rea superficial del soporte21b) Carga
orgnica msica (Bx)22c) Carga orgnica volumtrica (Bv)23d) Tiempo de
retencin celular o de slidos (TRS)23e) Tiempo de residencia
hidrulica242.1.2. DISEO DEL REACTOR UASB24A) Volumen del
reactor25B) Sistemas de alimentacin28C) Separador Gas
Slido-lquido29D) Descarga de lodos 29E) Recirculacin del
efluente.302.2. REACTORES UASB30A) VENTAJAS32B) DESVENTAJAS332.2.1.
FUNDAMENTOS DEL PROCESO UASB342.2.2. PARMETROS DE SEGUIMIENTO EN UN
REACTORUASB34A. Temperatura35B. pH35C. Alcalinidad35D.
Slidos362.2.3. POSTRATAMIENTO DE EFLUENTES DE REACTORES UASB QUE
TRATAN AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES362.3. AGUA372.4. AGUAS
RESIDUALES382.4.1. EL AGUA RESIDUAL MUNICIPAL Y SUS EFECTOS SOBRE
EL MEDIO RECEPTOR382.4.2. PARMETROS UTILIZADOS PARA
CARACTERIZARAGUAS RESIDUALES MUNICIPALES41A) Materia slida del agua
residual42B) Compuestos orgnicos de agua residual43C) Compuestos
inorgnicos del agua residual442.4.3. COMPOSICIN TPICA DEL AGUA
RESIDUAL MUNICIPAL452.5. TRATAMIENTO BIOLGICO DE LAS AGUAS
RESIDUALES MUNICIPALES492.5.1. TRATAMIENTO BIOLGICO AEROBIO492.5.2.
TRATAMIENTO BIOLOGICO ANAEROBIO49A) DIGESTIN ANAEROBIA49B)
INHIBICIN DEL PROCESO ANAEROBIO54C) MICROBIOLOGA DE LA DIGESTIN
ANAEROBIA55
CAPITULO IIICORRIDAS EXPERIMENTALES3.1. DISEO DEL REACTOR
UASB583.1.1.DETERMINACIN DE LOS PARMETROS DE
ALIMENTACIN583.1.2.CLCULOS PARA HALLAR LAS DIMENSIONES DEL REACTOR
UASB593.2. PREPARACION DE MATERIALES633.2.1.MATERIALES PARA LA
CONSTRUCCIN DEL REACTOR UASB633.3. CONSTRUCCIN DEL REACTOR UASB
633.4. BALANCE DE MATERIA Y ENERGA DEL REACTOR UASB64
3.4.1. BALANCE DE MATERIA643.4.2. BALANCE DE ENERGIA67
CAPITULO IVDISTRIBUCION DE PLANTA
4.1. METODOLOGA PARA LA PUESTA EN MARCHA DEL REACTOR 724.1.1.
INSTALACIN DEL REACTOR Y SUS COMPONENTES724.1.2. PRUEBA HIDRULICA
DEL SISTEMA724.1.3. PROCEDENCIA DEL LODO734.1.4. TOMA DE MUESTRA
DEL AGUA RESIDUAL734.1.5. ADAPTACION DEL LODO ANAEROBIO744.1.6.
PUESTA EN MARCHA DEL REACTOR UASB744.2. DISTRIBUCION DE
PLANTA764.2.1. DIAGRAMA DE FLUJO764.2.2. DIAGRAMA DE BLOQUES77
CAPITULO VRESULTADOS5.1. RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIN DEL
AGUA RESIDUAL MUNICIPAL785.2. RESULTADOS DEL DISEO Y CONSTRUCCIN
DEL REACTOR UASB785.2.1. RESULTADOS DEL DIMENSIONAMIENTO DEL
REACTOR UASB785.2.2. CONSTRUCCIN DEL REACTOR UASB795.2.3. VALIDACIN
DEL REACTOR UASB80
CONCLUSIONES82RECOMENDACIONES83BIBLIOGRAFA84ANEXOS89
18CAPITULO IASPECTOS GENERALES
1.1. ANTECEDENTES:
Los tratamientos anaerobios se han convertido en un mtodo
popular para el tratamiento de aguas residuales, tanto por su
efectividad en el tratamiento de agua residual con gran carga como
por sus ventajas econmicas.Desarrollado en los Pases Bajos a
finales de los setenta por el profesor Gatze Lettinga, el reactor
UASB (lecho de lodos anaerobio de flujo ascendente, por sus siglas
en ingls) fue originalmente usado para tratar agua residual
producto de la refinacin de azcar, cerveceras e industria del
papel.En los ltimos tiempos las aplicaciones de esta tecnologa han
alcanzado sectores como efluentes de plantas qumicas y
petroqumicas, industrias textiles y tratamiento de lixiviados. En
estos aos, el nmero de reactores anaerbicos en el mundo se est
incrementando rpidamente y cerca del 72% de estos son reactores
basados en la tecnologa UASB. [1]En un experimento realizado por
Ravina (1992) en Israel; Utilizando aguas residuales se evalu la
forma de varios tipos de emisores de riego por goteo, ampliamente
usados en ste pas. El conglomerado de materia de partculas finas de
productos microbiales y en lnea con el desarrollo de la biomasa
fueron los principales agentes de obstruccin, cuyo comportamiento
fluctu de la siguiente forma: se increment cuando la calidad del
agua disminuy y decreci cuando sta mejor. Estas fueron diferencias
definidas en tres emisores diferentes. El proceso de obstruccin se
inici generalmente con los emisores localizados ms alejados del
final del lateral; mientras que los emisores parcialmente
obstruidos fueron los ms comunes que los que estaban completamente
taponeados. El trmino ms confiable de operacin de los tipos de
emisores fue logrado con filtraciones de 80 mesh, combinado con
clorinacin diaria. Monitoreando la descarga lateral se encontr que
sta sera la forma ms conveniente para detectar el inicio del
proceso de obstruccin. La cloracin fue ms eficiente cuando fue
aplicada antes que los emisores comenzaran a obstruirse
masivamente. [2]
1.2. EXPERIENCIAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
MUNICIPALES CON REACTORES UASB:
Entre las plantas de tratamiento anaerobio de aguas residuales
municipales con reactores UASB ms importantes, que han trabajado a
condiciones de temperatura del agua mayores a 20C, y que han
servido como fuente de informacin sobre criterios de diseo y
operacin de reactores UASB, se encuentran:
Planta de demostracin a nivel piloto en Cali, Colombia con un
reactor UASB de 64 m3 (4x4x4m). Planta de demostracin a nivel
piloto en So Paulo, Brasil con un reactor UASB de 120 m3 (4.8 m de
altura y 5.2 m de dimetro inferior y 7.9 de dimetro superior)
Planta a escala real en el municipio de Pedregal en Campia Grande,
Brasil, con un reactor UASB de 160 m3 (4x4x10m). Dividido en 5
compartimientos de 32 m3 c/u (2x4x4 m). Planta de Tratamiento de
Aguas Residuales "Ro Fro" en Bucaramanga, Colombia constituida por
3 reactores UASB de 3 300 m3 cada uno (altura 4 m). Planta a escala
real en Kampur, India con un reactor de 1 200 m3 (dividido en 3
secciones de 600, 300 y 300 m3 cada una).
Cabe mencionar que la planta de tratamiento de Bucaramanga,
Colombia, probablemente constituye el sistema ms grande del mundo
que maneja efluentes municipales con reactores UASB. Inclusive,
para el ao 2003 se tiene planeada la construccin del cuarto reactor
UASB de 3300 m3 en esta planta. En la tabla N 01 y 02 se presentan
los parmetros de diseo y operacin ms importantes de estos
reactores. [2]
Tabla N 01: Parmetros de diseo y operacin de algunas plantas con
reactores UASB que tratan.Planta
Tiempo y perodo de operacinTren de tratamientoTRH de diseo/
operacinFlujo de dise244o
Planta a nivel piloto de demostracin en Cali, Colombia. (Cali)5
aos y medio, fecha de arranque: 1983, fecha de finalizacin: 1989
cmara desarenadora caja controladora de flujo (0-10 L/s 0-36 m3/s)
Reactor UASB de 64 m32.8 8 h23-8 m3/h
Planta a nivel piloto de demostracin en So Paulo, Brasil. (So
Paulo)
5 aos, Fecha de arranque: 1986, Fecha de finalizacin: 1991
Rejillas estacin de bombeo cmara desarenadora reactor UASB de
120 m34h4.4-14.5 h
30 m3/h0.008 m3/s
Planta a escala real de Pedregal en Campia Grande, Brasil.
(Pedregal)En funcionamiento en la actualidad, Fecha de arranque:
junio de 1989
Rejillas de 25 mm canal Parshall Doble canal desarenador reactor
UASB de 160 m36 h2.1-17.0 h
27 m3/h0.0075 m3/s
Planta de Tratamiento de Aguas Residuales "Ro Fro" en
Bucaramanga, Colombia. (Bucaramanga)
En funcionamiento en la actualidad, Fecha de arranque: 1989
Rejillas (2 unidades en paralelo) Cmara desarenadora (3 unidades
paralelas) 3 reactores UASB de 3300 m3 cada uno 2 lagunas
facultativas de 2.7 ha cada una. lechos de secado de lodos5.2
hmini. 3 h
1950 m3/h0.54 m3/s
Planta a escala real en Kampur, India.(Kampur)
En funcionamiento en la actualidad Fecha de arranque: abril de
1989
Caja control de flujo Rejillas Cmara desarenadora Caja de
distribucin de flujo Reactor UASB de 1200 m3 Lechos de secado de
lodos6 h208 m3/h0.06 m3/s
FUENTE: Schellinkhout, A. y Osorio, E. (1994).
Una conclusin que se desprende sobre los valores de eficiencias
de remocin de DQO, DBO y SST, obtenidos al variar el TRH en los
reactores, es que se logran eficiencias de remocin de materia
orgnica aceptables ( alrededor de 60-75 %), con tiempos de retencin
relativamente bajos (TRH = 4-6 h). A pesar de estos resultados, las
concentraciones de DBO y SST en el efluente estn por arriba de 50
mg/L, que es la concentracin mxima admitida en la mayora de los
estndares de calidad de efluentes [3]. Esta situacin hace necesario
un postratamiento que contribuya al pulimento del efluente. Sin
embargo, estas eficiencias de remocin alcanzadas tambin ponen en
claro la factibilidad tecnolgica del reactor UASB para tratar este
tipo de efluentes, sobre todo cuando no se requiere una calidad de
agua tratada de nivel secundario. Un reactor UASB alimentado con un
agua residual municipal tpica con temperatura superior a los 20C,
entregar una calidad de agua tratada con DQO entre 140 y 160 mg/L,
DBO entre 40 y 50 mg/L y SST entre 50 y 60 mg/L. Lo importante es
que este nivel de remocin puede lograrse en forma consistente, con
poca influencia de la operacin del proceso. [3]Tabla N 02: Datos
sobre la operacin en estado estacionario de los reactores UASB de
algunas plantasReactorT (C)aguaTRHVa(m/h)Remocin promedio de
DQOTotal (mg/L)Remocin promedio de DBOTotal (mg/L)Remocin promedio
de SST (mg/L)
Inf.Efl.%Inf.Efl.%Inf.Efl.%
Cali254h6h1,44-0,5365321135109626513716136317481185212102414581
So
Paulo20-224,4h5h5,1h6,1h1,440039330718818928011783533262561812011981041111215842394271602362071496710578492455626764
Pedregal255,7h1,43-0,23695Crud273Sed20861471Crud146Sed11369472Crud176Sed15242
Bucaramanga:UASB 1UASB 2UASB
3-5h0,79365132128139636463171404044767675225585261747672
Kampur con presencia de:ManparesFlujo
constanteFluctuacionesDia/noceheT = 23C T =
20C20-236h6h6h6h6h6h6h-43047145070670674945817217913527423122013560627061677170162161161272272274159565050887981506569696971706919721527154054062151968725730017417311167797944687279
FUENTE: Cavalcantiet al., 1994
En lo que concierne a la legislacin mexicana, la disposicin que
debe cumplirse en relacin a la descarga de aguas residuales a
cuerpos receptores provenientes de los sistemas de alcantarillado o
drenaje municipal es la NOM-067-ECOL-1994. Las
NOM-CCA-032-ECOL/1993 y 033-ECOL/1993 establecen las condiciones
que debe cumplir el agua residual tratada para ser usada en riego.
En relacin a la DBO y los SST, la NOM-032 establece lmites mximos
de 120 mg/L en ambos casos. La NOM-033 se aboca al control
bacteriolgico de las aguas utilizadas en riego. Los lmites mximos
permisibles (promedios diarios) que la NOM-067-ECOL-1994 establece
para la DQO, DBO5 y SST, en el caso de ciudades menores de 80 000
habitantes, son 200 mg/L, 100 mg/L y 100 mg/L, respectivamente. Si
se comparan estos valores con los de DQO, DBO5 y SST que reportan
las experiencias de tratamiento de aguas residuales municipales en
los efluentes de los reactores UASB (100-150 mg/L para DQO, 50-100
mg/L para DBO5 y 50-300 mg/L para SST), se concluye que el reactor
UASB es capaz de alcanzar estos valores, principalmente en lo que
concierne a DQO y DBO5, pero un proceso de postratamiento asegurara
definitivamente el cumplimiento de los lmites de esta norma,
inclusive para ciudades mayores de 80 000 habitantes (DQO: 100
mg/L, DBO5: 50 mg/L, SST: 50 mg/L, entre otras). Como ejemplo, se
tiene el caso de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales "Ro
Fro" en Bucaramanga, que con dos lagunas de maduracin produce un
efluente con concentraciones de DQO y DBO5 por debajo de 110 mg/L y
30 mg/L, respectivamente (Informacin directamente proporcionada por
Corporacin Autnoma Regional para la Defensa de la Meseta de
Bucaramanga). Para el cumplimiento con la NOM-033 se requiere una
desinfeccin y en caso de la calidad ms estricta de esa norma (tipo
1), se requiere adems de una filtracin, con el fin de eliminar
totalmente los huevos de helmintos. [4]Otros aspectos importantes
de mencionar relacionados con la operacin de estos reactores
son:Las eficiencias de remocin de DQO, DBO y SST en un reactor UASB
que trate aguas residuales municipales se ven afectadas por el TRH.
Puede generalizarse que a tiempos de retencin bajos (< 4 - 6 h),
la eficiencia del proceso tambin es baja. Sin embargo, a tiempos de
retenciones mayores, aunque la eficiencia puede incrementarse, este
aumento ya no es significativo y tiende a disminuir, por lo que la
eficiencia se mantiene casi constante. Este comportamiento indica
que ms all de TRH mayores a 4 - 6 h, que concuerdan con el
intervalo de los TRH de diseo, la limitante del proceso de digestin
ya no lo es el tiempo de contacto de la materia a ser degradada con
la poblacin microbiana, sino los aspectos hidrulicos que comienzan
a caer fuera de lo recomendado.Los reactores UASB que tratan aguas
residuales municipales demostraron ser sistemas estables en
oposicin a lo que comnmente se piensa. En las condiciones de
temperatura y cargas orgnicas y con las variaciones de TRH a las
cuales se sometieron los reactores, ninguno present inhibicin de la
actividad metanognica, aunque a pequeos tiempos de retencin
hidrulica, las eficiencias de remocin fueron bajas [23]. Por su
parte, Van Haandel y Lettinga (1994) concluyen que si el reactor
UASB es utilizado como proceso unitario fundamental de tratamiento,
el TRH debe ser lo suficientemente grande para garantizar una alta
eficiencia de remocin (TRH no menor de 4 - 6h). Sin embargo, si el
reactor es usado como pretratamiento, pueden aplicarse TRH menores.
[4]
1.3. ADELANTOS CIENTIFICOS:
El 19 de agosto del 2009, se dio apertura del VI Encuentro Nodal
de Semilleros de Investigacin: Haciendo Ciencia con Conciencia,
Nario 2009; en este encuentro, participaron los semilleros de las
diferentes instituciones pertenecientes al Nodo Nario: Universidad
Cooperativa de Colombia, Institucin Universitaria CESMAG,
Universidad del Atlntico, Universidad Autnoma, Universidad Nacional
Abierta y a Distancia, UNAD, La fundacin Universitaria San Martn
(Sede del Evento) y la Universidad Mariana; en este evento se
presentaron 75 proyectos de investigacin, entre propuestas,
investigaciones en curso y proyectos terminados, con el fin de
recibir el aval para el XII Encuentro Nacional a realizarse del 7
al 12 de octubre del ao 2009 en la ciudad de Santa Fe de Bogot,
para este encuentro investigativo, asistieron 28 estudiantes de los
diferentes Programas Acadmicos de la Universidad Mariana. [5]
Mara Jos Guerrero; y Evaluacin de la remisin de carga
contaminante de lixiviados del relleno sanitario Antanas, a travs
de dos sistemas acoplados reactor UASB - POA humedales artificiales
con porosidad 30%, del Programa de Ingeniera Ambiental, presentado
por: Mara Esther Cora. [5]1.4. JUSTIFICACION:
Puesto que los parmetros ms utilizados para evaluar el
comportamiento de las aguas residuales son la demanda qumica de
oxigeno (DQO), que caracteriza la carga orgnica y la cantidad de
oxigeno consumido en la oxidacin qumica de la materia orgnica, el
nmero de coliformes totales (CT), que indica el grado de
contaminacin fecal y el nmero de bacterias saprofitas (BS), que
indica la cantidad de microorganismos transformadores de materia en
componentes ms simples. Por ello el tratamiento de las aguas
residuales es una obligacin inaplazable para todos los pases
latinoamericanos. Sin embargo, dadas las limitaciones econmicas de
la regin es necesario buscar alternativas tecnolgicas que
garanticen efectividad, sencillez y bajo costo lo cual permitir
desarrollar una verdadera poltica de control de la contaminacin
hdrica.
CAPITULO IIMARCO TEORICO2.1. DISEO DE REACTORES:
2.1.1. REACTORES BIOLGICOS:Hay bsicamente dos enfoques para el
diseo de reactores biolgicos:1) El mtodo tradicional o emprico que,
basado en aos de experiencia propone valores de carga orgnica y
predice un cierto grado de eliminacin de materia orgnica.2) El
mtodo conceptual, en el cual se simulan matemticamente los procesos
biolgicos, qumicos y/o fsicos involucrados en el reactor, para
predecir la eficiencia de remocin.A pesar de la complejidad de la
digestin anaerobia, el mtodo tradicional ofrece buenos resultados,
siempre y cuando se disee dentro de los lmites que marque la
experiencia. En caso contrario, la extrapolacin a otras situaciones
puede ser peligrosa [6].Por su parte, el mtodo conceptual relaciona
las principales caractersticas de los fenmenos involucrados, de
manera que se pueda generalizar la aplicacin del modelo de diseo.
Esto necesariamente lleva a procedimientos relativamente complejos
y con frecuencia los modelos derivados de este enfoque no se
aplican en el diseo sino ms bien, con ciertas simplificaciones, en
la simulacin y control de procesos.En general, un proceso anaerobio
puede disearse para dos fines: obtener una alta productividad de
metano (m3 CH4/m3 reactor*d) aprovechando energticamente el
desecho, o una alta eficiencia de remocin de materia orgnica para
el control de la contaminacin. A continuacin se describen en forma
breve los parmetros ms relevantes en el diseo de reactores
anaerobios [7].
a) rea superficial del soporte:El rea superficial del soporte en
reactores empacados es a priori un parmetro de diseo. Esto se
incorpora en el concepto de carga orgnica superficial o masa de
sustrato alimentado por unidad de superficie de soporte y por
unidad de tiempo (kg DQO/m2d). Sin embargo, debido a que gran parte
de la biomasa en reactores empacados est atrapada entre el soporte
y la relacin rea/volumen en estos reactores no es muy importante
para su diseo, ya que la eficiencia no es realmente funcin de esta
relacin. Esto se debe que la biopelicula es poca homognea. Por otro
lado, en un lecho fluidizado toda biomasa est adherida pero no
todas las partculas de soporte estn colonizadas en el mismo grado,
por lo que el problema es similar. Por lo anterior, es preferible
tomar como parmetro de diseo de ambos sistemas a la carga orgnica
msica [8].
b) Carga orgnica msica (Bx):La carga orgnica msica se interpreta
como la masa del sustrato (KgDQO) que se alimenta por unidad de
biomasa (Kg SSV) y por unidad de tiempo. La Bx mxima de diseo y
operacin para reactores anaerobios es de 2Kg DQO/Kg SSV*da 35C y
trabajar a cargas orgnicas mayores provocara la acidificacin del
reactor, por lo general, los reactores anaerobios se operan a Bx
del orden de 0.5 Kg DQO/Kg SSV*d, de lo que da un factor de
seguridad [8,9]. Para el clculo de carga orgnica msica se utiliza
la siguiente ecuacin:
Dnde:Bx: carga orgnica (Kg DQO/Kg SSV*d)Q: flujo (m3/d)S0:
concentracin de alimentacin de sustrato (Kg DQO/m3)Xr: concentracin
de biomasa dentro del reactor (Kg SSV/m3)V: volumen del reactor
(m3)
En la prctica es muy difcil determinar realmente el contenido o
concentracin de biomasa dentro de los reactores anaerobios
avanzados (concretamente en los reactores empacados). Debido a
esto, la carga orgnica msica no se emplea para diseo, a pesar de
involucrar a la biomasa, responsable de la degradacin de la materia
orgnica.
c) Carga orgnica volumtrica (Bv):La carga orgnica volumtrica es
la cantidad de sustrato (Kg DQO) que se introduce por unidad de
volumen (m3 reactor) por unidad de tiempo (da). Este es el parmetro
ms utilizado en el diseo de reactores anaerobios, aun cuando no
toma en cuenta la verdadera variable de diseo, que es el contenido
de slidos suspendidos voltiles activos (biomasa) del reactor. Sin
embrago, no todos los reactores, ni del mismo tipo, tienen igual
cantidad de biomasa por unidad de volumen. Es por esto que aunque
la Bv realmente no es la variable de diseo ms adecuada, por
tradicin se sigue empleando y es til con fines comparativos. [7,8].
El clculo de la carga orgnica volumtrica es como sigue:
Si reemplazamos el TRH en la ecuacin 1.5 se llega a:
Dnde:Bv: carga orgnica volumtrica (Kg DQO/m3*d)TRH: tiempo de
retencin hidrulica (d)
d) Tiempo de retencin celular o de slidos (TRS):El tiempo de
retencin celular se define como el tiempo que permanece la biomasa
dentro del reactor. En reactores completamente mezclados, el TRS
tiene mucha aplicacin como variable de diseo, no as en reactores de
pelcula fija donde la biomasa no tiene una distribucin homognea,
adems de la dificultad para medir la concentracin de SSV dentro del
reactor [8,10].La relacin de clculo es la siguiente:
Dnde: TRS: tiempo de retencin celular (d)QP: flujo de purga
(m3/d)XP: concentracin de biomasa en la purga (Kg SSV/d)Xe:
concentracin de biomasa en el efluente (Kg SSV/d)
Si se desprecia Xe, que son los SSV en el efluente, entonces
Cuando el influente tiene una concentracin importante de los
slidos suspendidos voltiles (SSV) se debe tener precaucin al
utilizar el TRS como variable de diseo y control de la operacin del
proceso.
e) Tiempo de residencia hidrulica (TRH):El tiempo de residencia
hidrulica es el tiempo que permanece el agua residual dentro del
reactor y se utiliza para comparar reactores; ms que para diseo.
Sin embargo, es la variable de diseo para el tratamiento de aguas
residuales con bajas cargas orgnicas y se ha propuesto para disear
filtros anaerobios. Debido a que los reactores avanzados tienen
diferentes tiempos de relacin celular e hidrulico, realmente el TRH
no debera de ser una variable de diseo sino una variable
dependiente (salvo en cargas muy bajas), donde el factor hidrulico
gobierna) [8,9].Su clculo es mediante la siguiente expresin.
Dnde:TRH: tiempo de residencia hidrulica (d)2.1.2. DISEO DEL
REACTOR UASB:
En general en el diseo de un proceso que involucra a un UASB se
considera necesaria una etapa de acidificacin con un tiempo de
retencin de 6 24 horas, la cual puede lograrse en el mismo tanque
de homogenizacin. Si la DQO es superior a 10 g/L, deber
considerarse la inclusin de un separador de slidos suspendidos
antes de entrar al UASB, con el objeto de impedir la entrada de la
biomasa acidognica formada en el reactor de pre acidificacin. Para
evitar esto se puede disear el UASB considerando el incremento de
slidos suspendidos voltiles (SSV) que representa esa biomasa. Si el
residuo tiene una DQO menor de 1500 mg/L, generalmente el diseo es
fijado por la carga hidrulica (velocidad ascendente) y para aguas
ms concentradas, el diseo lo impone la carga orgnica volumtrica
[11].A) Volumen del reactor:Para aguas residuales diluidas (con
niveles de DQO por abajo de 1000m/l) y temperaturas de operacin que
exceden os 20, el volumen de reactor se determina con el tiempo de
retencin hidrulico, ms que por la aplicacin de la carga orgnico.
[8,9](1.3)La determinacin del tiempo de retencin de diseo depende
tambin del tipo del lodo presente dentro del reactor (ya sea
floculento o granular) y de la eficiencia del separador gas
lquido.Para desechos con mayores concentraciones en DQO, el volumen
de reactor depende sobre todo d la concentracin del agua residual
(D) y de la aplicacin de la carga orgnica volumtrica.(1.4)Dnde: C=
concentracin de materia orgnico (kg/m3)En el tratamiento residual
industriales, generalmente el factor que gobierna el tamao del
reactor es la carga orgnico volumtrica (en trminos de la DQO
biodegradable). Esta carga depende sobre todo de la actividad del
lodo, as como de la temperatura y la eficiencia de tratamiento
propuesto [8].
Tabla N 3: Ejemplo de aplicacin de la carga orgnica diferentes
intervalos de temperatura.TBV (kg DQO/m3.d)
()Agua con AGVAgua sin AGVAgua con 30% de la DQO como SSV
1520253035402-44-66-1210-1815-2420-321.5-32-44-88-1212-1815-241.5-22-33-66-99-1414-18
Fuente: Universidad Del valle corporacin autnoma regional del
caucaNota: Para estos valores, Bx= Bv/ (25kgSSV/m3)Los reactores
UASB con lodo granular pueden soportar en promedio 3m/h para aguas
residuales solubles y de 1 a 1.5 m/h con aguas parcialmente
solubles. Bajo estas condiciones se retiene el lodo granular dentro
del reactor. En periodos cortos (2 a 4 horas al da), velocidades
ascendentes de hasta 6 y 2 m/h son toleradas para aguas solubles
parcialmente solubles y parcialmente solubles respectivamente.
Estas velocidades elevadas lavaran el lodo poco sedimentable, lo
cual no causa serios problemas. Para lodos de tipo floclenos, las
velocidades ascendentes son de 0.5m/h, pero tambin pueden soportar
velocidades de 2m/h durante 2 a 4 horas.Cuando la velocidad
ascendente es el factor limitante (caso de DQO inferior a 1000
mg/L), en lugar de la carga orgnica volumtrica, el tiempo de
retencin hidrulico (TRH) se determina mediante el rea superficial y
la altura del reactor de acuerdo con la siguiente
ecuacin:(1.5)(1.6)Dnde:TRH = tiempo de retencin hidrulica (h)A =
rea superficial del reactor (m2)H = altura del reactor (m)Q = tasa
de flujo (m2)Va= velocidad ascendente en zona de lodosEn tales
casos, los TRH no son inferiores a 5 horas.En el tratamiento de
aguas residuales completamente residual completamente solubles, se
pueden considerar alturas de reactor de 6 m o mayores, lo que da
como resultado bajo requerimientos de espacio de reactor y tambin
los costos para la distribucin de la alimentacin son menores. Sin
embargo, debe considerarse que el flujo de gas por unidad de
superficie se incrementa conforme lo hace la altura, a volumen de
reactor constante. Este flujo (m3 gas/m2min) provocara una fuente
de slidos suspendidos del separador gas- slido-lquido.Para el
tratamiento de aguas residuales diluidas semejantes a las
domesticas, se recomienda alturas de 3-5m en el caso de que la DQO
se encuentre entre 1000 a 5000 mg/L se recomienda una altura de
reactor de 5 a 6m. Aguas ms concentradas en DQO producirn una
importante cantidad de gas, por lo que se debe reducir la altura
del reactor a menos de 5m, con objeto de evitarse problemas de
retencin de slidos suspendidos.Se recomienda modular a partir de
400m3, dado que se obtienen ventajas en versatilidad durante el
arranque y operacin El diseo de un reactor modular ofrece un nmero
de ventajas sobre la aplicacin de un solo compartimiento de
reactor; entre estas se tienen. El arranque inicial de la planta se
facilita, en el caso de disponer de pequeas cantidades de lodo de
inoculo. Uno o dos mdulos pueden arrancarse separadamente a partir
de otro modulo, de tal manera que el lodo requerido es menor y se
genera inoculo. Uno o dos mdulos pueden arrancarse separadamente a
partir de otro modulo, de tal manera que el lodo requerido es menor
y se genera inoculo para los mdulos restantes. Los eventuales
trabajos de limpieza y/o reparacin de los mdulos por separado, se
realizan con mayor facilidad, evitando el paro total de la planta.
Los diferentes compartimientos pueden operarse en serie, lo cual
puede representar una opcin de operacin.B) Sistemas de
alimentacin:El sistema de distribucin para la alimentacin
constituye una parte fundamental del reactor, debido a que de este
depende que el lecho de lodos tenga un mejor contacto con el agua
residual y evitar as que se representen acanalamientos y la
formacin de zonas muertas. El peligro de acanalamiento es mayor con
baja produccin de biogs ya que no se tiene el efecto del mezclado
provocado por el ascenso de burbujas [9]. Tabla N 4: rea que debe
considerarse para las boquillas de alimentacin para un reactor
UASB.DISTRIBUCIN DE PUNTOS DE ALIMENTACIN PARA UN UASB
Tipo de lodoSuperficie por boquilla (m2)Carga (kg DQO/ m3.d)
Floculo denso(>40kg SST/ m3.d)0.5-11-22-32
Floculo medio(20-40 kg SST7m3.d)1-22-51-2>3
Lodo granular
0.5-11-2>222-4>4
Fuente: Universidad Del valle corporacin autnoma regional del
cauca,Nota: Cargas orgnicas inferiores a 2 kg DQO/m3.d corresponden
tpicamente a aguas residuales domsticas.
C) Separador Gas Slido-lquido: [8,9]El diseo del separador gas
slido - lquido no es necesariamente simple, particularmente en
aguas con elevada DQO, ya que la produccin de gas genera
turbulencia en esa zona. Para la construccin del separador se deben
tener presente las siguientes consideraciones:1. Las mamparas deben
tener un ngulo de 45 a 60 con respecto a la horizontal.2. El rea
del paso de los colectores debe ser del 15 al 20% de la superficie
del reactor.3. La altura del dispositivo es entre 1.5 y 2 m para
reactores con 5-7 m de altura.4. Debe crearse dentro del colector
una interface lquido gas para facilitar la evaluacin de gas para
tomar medidas contra la formacin de natas.5. El traspase entre
colectores superiores e inferiores debe ser al menos de 20 cm.6. Se
recomienda instalar natas frente a las canaletas tratadas.7. El
dimetro de las tuberas de evacuacin gas debe ser lo suficiente
mente grande para facilitar la operacin, inclusive en presencia de
espuma y natas.8. Si hay formacin de natas se debe prever la
instalacin de boquillas aspersores dentro de las colectoras.9. El
material de construccin puede ser de material cubierto con algn
material plstico, para evitar su pronta corrosin, o bien de plstico
estructural moldeados.Todos estos criterios no son de ninguna
manera inflexibles, ya que pueden ajustarse entre s de acuerdo a
las proporciones del reactor. D) Descarga de lodos:Se debe
incorporar al diseo un dispositivo para la evacuacin del lodo en
exceso del reactor. Generalmente, el punto de descarga se sita a la
mitad de la altura de la zona de lodos del reactor, aunque tambin
debe instalarse una purga al fondo. La descarga ruinara del exceso
de lodo se realiz por la parte superior de la cama de lodos, Zona
donde se encuentra el lodo flatulento.La frecuencia de la descarga
puede ser dividida o inclusive semanal, dependiendo del volumen que
ser evacuado, el cual deber exceder por extraccin el 5% del volumen
del reactor [8,11].E) Recirculacin del efluente:La recirculacin del
efluente en un reactor UASB, se recomienda cuando se tienen aguas
residuales con altas concentraciones y el objetivo es la dilucin
del nivel de DQO a valores por debajo de 15g/L. Con una
recirculacin se disminuye adems la toxicidad eventual del desecho,
se mejora el contacto de lodo con el agua residual y se favorece la
granulacin y adaptacin del todo durante el arranque.Otra importante
ventaja de re circular el efluente es el aprovechar en la corriente
de entrada la alcalinidad producida por el mismo reactor, lo que
contribuya a una mayor estabilidad del proceso, resistencia a
choques de pH y de carga orgnica, adems de reducir los posibles
consumos de reactivos alcalinos [8,9].2.2. REACTORES UASB:En el
reactor UASB, en cierto grado, el influente es alimentado y
homogneamente distribuido por el fondo del reactor y asciende a
travs de una cama de lodos anaerobios, los cuales son expandidos
por la velocidad ascendente del flujo. En la parte superior de la
zona de digestin se encuentra el separador gas-slido-lquido (GSL),
el cual est constituido por mamparas deflectoras y campanas, con
las cuales se separa y descarga el biogs generado y se previene el
lavado de la biomasa activa. En la zona superior del separador GSL
(zona de sedimentacin) se pule el efluente por la sedimentacin de
la biomasa y slidos que hayan logrado pasar a este nivel del
reactor. El reactor no tiene ningn relleno para soportar el
crecimiento biolgico. El lodo formado en el reactor puede
considerarse dividido en dos zonas; la zona 1, se denomina lecho o
cama de lodos. Y la zona 2 es la manta de lodos. La diferencia
entre las dos zonas es que el lodo en la primera es mucho ms
compacto que en la segunda.El reactor UASB, como cualquier sistema
de tratamiento, tiene ventajas y desventajas, que segn el caso de
aplicacin particular, podrn afectar determinantemente su seleccin
como opcin de tratamiento. De la experiencia en el arranque y
operacin de reactores UASB que tratan efluentes municipales o
domsticos.De manera general, el reactor UASB tiene una promisoria
aplicabilidad para el tratamiento de aguas municipales y domsticas,
ya que con un buen diseo del reactor pueden contrarrestarse las
desventajas que le son inherentes y aprovechar muchas de sus
cualidades. El reactor UASB es un proceso econmico, que disminuye
apreciablemente los costos de inversin y operacin de un proyecto de
una planta de tratamiento que involucre este proceso, inclusive con
postratamiento. Esto se debe a que el reactor UASB no requiere de
un gran consumo de energa elctrica, su operacin es sencilla, sin
requerimientos de equipo electromecnico otro que una bomba de
alimentacin ni de equipo para el control de su operacin y
proporciona un pretratamiento confiable y eficiente. En s, el
reactor UASB es un proceso generador de energa (productor de CH4),
en lugar de un consumidor energtico, como la mayora de los procesos
de depuracin de aguas residuales.Aunado a esto, est el hecho de la
menor generacin de lodo en exceso, cuyas buenas caractersticas de
compactacin y alto grado de estabilizacin, permiten su fcil manejo.
Esto como consecuencia de la digestin anaerobia en fase endgena que
puede alcanzar la biomasa en el interior del reactor UASB.A pesar
de que el reactor UASB es un proceso relativamente sencillo de
operar con aguas de tipo municipal, su simplicidad no implica que
no se requiera de atencin y cuidado en su diseo y operacin. Existen
ciertos factores al respecto que son importantes tener presentes.
El buen diseo de un reactor UASB es esencial para su correcto
funcionamiento. No puede esperarse que un reactor con fallas en el
diseo hidrulico tenga un buen desempeo.Uno de los factores
limitantes de la digestin anaerobia, que se hace evidente en el
tratamiento de aguas residuales diluidas, como las municipales, es
el lmite en la remocin de materia orgnica. La limitante en la
remocin de materia orgnica tiene su causa en la propia cintica
anaerobia, asociada especficamente con la constante de afinidad por
el sustrato Ks [13], la cual determina que exista una concentracin
mnima de sustrato para que el crecimiento y decaimiento de
microorganismos est en balance. En general, para la mayora de los
sustratos biodegradables, los procesos aerobios tienen Ks menores
que los anaerobios, lo que permite que los primeros alcancen
menores concentraciones de sustrato en el efluente. Para
contrarrestar lo ms posible esta caracterstica, en un reactor UASB
se tienen tiempos de retencin de biomasa altos y el diseo debe
proveer de una distribucin homognea del flujo del influente, que
con una velocidad ascendente adecuada, permita la expansin de la
cama de lodos, dndose as el mayor contacto posible entre el
sustrato y los microorganismos. Si este aspecto es descuidado en el
diseo de un reactor UASB que tratar efluentes municipales, el
proceso tendr gran probabilidad de trabajar
ineficientemente.Desgraciadamente, este caso es frecuente,
concretamente en el diseo del llamado RAFA (reactor de flujo
ascendente) que es una versin primitiva del UASB. [12,13]
C) VENTAJAS [12] Bajo costo de inversin debido a que se ocupan
cargas de diseo de 10 kgDQO/m3 d o ms altas; por lo tanto el
volumen del reactor es pequeo. No requiere de ningn tipo de soporte
para la retencin de biomasa, ni agitacin mecnica. Con un inculo
apropiado puede arrancar casi inmediatamente. Buenas eficiencias de
remocin de huevos de helmintos (alrededor de 90%). La produccin de
lodos en exceso es baja. El lodo generado tiene muy buenas
caractersticas de compactacin y est ya parcialmente estabilizado.
El biogs producido puede en ciertos casos ser un subproducto
energtico valioso. Conserva los nutrientes en el efluente (N y P),
punto atractivo en caso de rehus en riego. El proceso en s, no
requiere de suministro de energa elctrica (Muy bajos requerimientos
energticos en comparacin con tratamientos convencionales). Proceso
simple y econmico en operacin y mantenimiento. Soporta perodos sin
alimentacin (semanas e inclusive meses). Puede aplicarse a pequea y
gran escala Construccin simple y de bajo costo, con muy limitados
requerimientos de equipo electromecnico. Las fermentaciones cidas y
metnica, as como la sedimentacin tienen lugar en el mismo tanque.
Por lo tanto, las plantas son muy compactas, con considerable
economa de espacio. Como no hay relleno, se elimina la posibilidad
de corto circuitos, obstrucciones y puntos muertos. La retencin de
biomasa es muy buena y por lo tanto no es necesario reciclar el
lodo.
D) DESVENTAJAS: [12] No es efectivo para un tratamiento
secundario completo, ya que remueve preferentemente compuestos
orgnicos y slidos suspendidos. Se requiere de un postratamiento
para remover en mayor grado la materia orgnica. Poca experiencia en
la aplicacin del reactor a gran escala. Arranque lento si no se
cuenta con el inculo adecuado. Se ha comprobado que para aguas
residuales domsticas o municipales el reactor puede arrancarse sin
inculo, aunque en un tiempo mayor, del orden de 8 meses. Como todo
proceso biolgico, es sensible a la temperatura del agua residual
(inferior a 16C) y a cambios bruscos de pH fuera del intervalo de
6.5 a 7.5.
2.2.1. FUNDAMENTOS DEL PROCESO UASB:El desarrollo de tecnologas
anaerobias para el tratamiento de fangos y residuos de alto
contenido de materia orgnica se ha incrementado en los ltimos 10
aos.En condiciones anaerobias suelen ocurrir procesos como la
desnitrificacin, reduccin de sulfatos, hidrlisis y fermentacin
acetognica y metanognica. La conversin de la materia presente en el
agua residual en metano es realizada por una comunidad
microbiolgica heterognea compuesta por dos bacterias: No
Metanognicasy Metanognicas.La relacin simbitica que debe mantener
el grupo de bacterias conserva una asociacin sintrfica ya que las
bacterias acetognicas conocidas como bacterias productoras
obligadas de Hidrgeno producen Acetato e hidrgeno, el cual es
utilizado por las bacterias metanognicas y hidrogenoflicas.Los
mtodos de tratamiento anaerobio se han desarrollado en dos lneas.1.
Bajas tasas de aplicacin (Digestores de Biogs, Tanques Spticos,
Lagunas Anaerobias).2. Altas tasas de Carga Orgnica (Reactores con
Crecimiento Celular en Suspensin, Reactores con Biopelcula Fija).El
reactor anaerobio de flujo ascendente y manto de lodo describe un
reactor de Biopelcula fija sin medio de empaque o soporte, con una
cmara de digestin que tiene flujo ascendente y a cierta altura se
desarrolla un manto de lodos anaerobios que es altamente activa y
en el cual se da la estabilizacin de la materia orgnica del
afluente hasta CH4 y CO2 [12].
2.2.2. PARMETROS DE SEGUIMIENTO EN UN REACTOR UASB:La operacin
del reactor est basada en el monitoreo de varios parmetros. Estos
parmetros estn relacionados ya sea con el agua residual, el lodo,
el reactor, el contacto del agua residual con el lodo y la forma
como est distribuido en el interior del reactor. En esta parte se
discutirn los parmetros ms importantes los cuales son necesarios
para la operacin del sistema UASB.a. Temperatura:La temperatura es
una de las variables que ms influyen en el proceso, cuya eficacia
decrece por debajo de 15C ya que la depuracin se debe
fundamentalmente a la sedimentacin, mientras que por encima de 15 C
la biodegradacin se incrementa. La temperatura afecta la actividad
de los microorganismos, determina la cantidad de energa neta
producida e influye en la relacin pH-alcalinidad. Los ambientes
anaerbicos en relacin con la temperatura pueden subdividirse en
tres categoras: psicroflico (0 a 20C), mesoflico (20 a 40C) y
termoflico (45 a 65C). Si el intervalo de temperatura en el reactor
cambia, es necesario arrancar el reactor de nuevo. En el rango
mesoflico, la actividad y el crecimiento de las bacterias disminuye
a la mitad por cada 10C de descenso por debajo de 35C.Los cambios
de temperatura en el intervalo mesoflico pueden tolerarse
normalmente, pero cuando la temperatura desciende la carga tambin
debe disminuirse de acuerdo con el descenso de la actividad
esperada.b. pH:La influencia del pH sobre la produccin de metano
est relacionada con la concentracin de AGV. Los diferentes grupos
bacterianos presentan niveles de actividad satisfactorios a pH
prximos pero un poco diferentes; los hidrolticos encima de la
capacidad buffer del sistema tienen un efecto inhibidor de los
compuestos intermedios que se produce en funcin de su grado de
ionizacin.La actividad metanognica est, as mismo, relacionada con
la capacidad de tiempo que el lodo tiene para adaptarse a los AGV
del sustrato usado. Los AGV son degradados por bacterias
acetognicas hasta cido actico, que constituye el mayor sustrato de
las bacterias metanognicas.c. Alcalinidad:Cuantifica la capacidad
del agua residual de neutralizar cidos. Se mide en mg deCaCO3/L. Es
debida principalmente a la presencia de iones bicarbonato,
carbonato e hidroxilo. Se ha demostrado que cuando la relacin entre
AGV y la alcalinidad del medio supera 0,3-0,4 es indicador de fallo
inminente en el sistema de digestin anaerobia.d. Slidos:La materia
suspendida o disuelta que se encuentra en un agua residual recibe
el nombre de slidos. Se divide en tres categoras: Slidos Totales:
sedimentables, suspendidos y disueltos. Slidos Suspendidos: porcin
retenida por el papel filtro de 1,3 m de tamao de poro. Slidos
Disueltos: porcin que pasa por el papel filtro de 1,3 m.Estos a su
vez se dividen en fijos (quedan despus de la ignicin de la muestra)
y voltiles (prdida de peso de la muestra durante la ignicin). La
determinacin de los slidos es una prueba indispensable para la
operacin de reactores biolgicos, que junto con otros parmetros,
proporciona informacin de la eficiencia de remocin del proceso, e
indirectamente, de la concentracin de biomasa bacteriana en el
reactor.Los slidos suspendidos voltiles (SSV) representan la porcin
orgnica de los slidos suspendidos totales (SST); estos ltimos
representan el parmetro ambiental para el cobro de tasa
retributiva.2.2.3. POSTRATAMIENTO DE EFLUENTES DE REACTORES UASB
QUE TRATAN AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES:En la mayora de los casos
en los que se ha empleado el reactor UASB como proceso depurador de
aguas residuales municipales, se ha incluido en el proceso global,
un postratamiento. Las principales razones por las cuales el
efluente de un reactor UASB puede requerir de un postratamiento
son: Remocin de materia orgnica remanente (DQO y DBO) en el
efluente, debido a que la digestin anaerobia tiene un lmite de
remocin que depende, bsicamente, de la cintica global de
degradacin, y por lo tanto de la temperatura, el contenido de
biomasa activa y del grado de contacto entre el sustrato y los
microorganismos. Remocin de nutrientes (N y P), ya que la digestin
anaerobia tiene bajos requerimientos de nutrientes y prcticamente
no remueve nitrgeno ni fsforo. Esta remocin, sin embargo, puede no
ser necesaria, ya que si el agua ser usada para riego, la presencia
de estos elementos puede ser muy valiosa como nutrientes de las
plantas. Remocin de organismos patgenos, debido a que el reactor
UASB no es eficiente en la remocin de bacterias y virus patgenos,
aunque s tiene capacidad de remocin de huevos y quistes de
protozoarios, pero con un postratamiento se asegurara una remocin
del 100 %. Con excepcin de las lagunas de oxidacin, todos los
procesos biolgicos tienen, sin embargo, esta limitante. Remocin de
slidos sedimentables que hayan permanecido en el efluente o que se
hayan descargado en una desestabilizacin del reactor.La necesidad y
el tipo postratamiento del efluente de un reactor UASB que trate
aguas residuales municipales estndeterminada, fundamentalmente, por
los parmetros de calidad del efluente que la legislacin haya fijado
en particular. Cabe aclarar que en ciertas ocasiones, slo cierto
tipo de postratamiento, aplicable tambin a cualquier proceso
aerobio, ser necesario para cumplir con los niveles de depuracin
establecidos.
2.3. AGUA:
El agua (del latn aqua) es una sustancia cuya molcula est
formada por dos tomos de hidrgeno y uno de oxgeno (H2O). Es
esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de
vida. El trmino agua generalmente se refiere a la sustancia en su
estado lquido, aunque la misma puede hallarse en su forma slida
llamada hielo, y en su forma gaseosa denominada vapor. El agua
cubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre.2 Se localiza
principalmente en los ocanos donde se concentra el 96,5% del agua
total, los glaciares y casquetes polares poseen el 1,74%, los
depsitos subterrneos (acuferos), los permafrost y los glaciares
continentales suponen el 1,72% y el restante 0,04% se reparte en
orden decreciente entre lagos, humedad del suelo, atmsfera,
embalses, ros y seres vivos.3 El agua es un elemento comn del
sistema solar, hecho confirmado en descubrimientos recientes. Puede
ser encontrada, principalmente, en forma de hielo; de hecho, es el
material base de los cometas y el vapor que compone sus colas.
[19]
2.4. AGUAS RESIDUALES:Un agua residual puede definirse como un
residuo lquido recogido mediante la red de alcantarillado para su
envo a una planta depuradora. El tipo y la cantidad de agua
residual afluente a una estacin depuradora reflejan la naturaleza
del rea a la que se sirve, el uso que se le ha dado y las
condiciones del medio de conduccin [11].El factor que ms influye
sobre los procesos de depuracin del agua residual es, sin duda, su
composicin. La procedencia de un agua residual es un aspecto
determinante de gran parte de sus caractersticas qumicas, fsicas y
biolgicas. La tabla N 1 resume las principales contaminantes que se
pueden encontrar en el agua residual y sus posibles efectos sobre
el medio receptor.Segn su origen, las aguas residuales pueden
clasificarse en: domesticas o urbanas, industriales, agropecuarias,
de origen incontrolado (vertidos ilegales, infiltraciones) y
pluviales. Sin embargo, cindonos a los objetivos de esta
investigacin, al hablar de aguas residuales municipales nos
referimos a aguas de origen domstico, con alguna posible aportacin
de pluviales y/o de procedencia incontrolada. [11]2.4.1. EL AGUA
RESIDUAL MUNICIPAL Y SUS EFECTOS SOBRE EL MEDIO RECEPTORTienen una
composicin muy variada debido a la diversidad de factores que la
afectan y la naturaleza de la poblacin residente. La mayor fuente
de contaminacin que fluye por las alcantarillas domesticas tienen
su origen en los excrementos humanos y animales (heces y orina) y
en menor proporcin en las aguas resultantes del lavado de ropa,
preparacin de alimentos y duchas. Por otra parte las aguas
pluviales o de lavado de calles que drenan desde las zonas urbanas
aportan tambin una carga importante de contaminacin (arrastre de
materia slida inorgnica en suspensin y materia orgnica soluble e
insoluble). El consumo medio por persona y por da (entre 100 y 400
L/hab.dia) determina su concentracin (cantidad), mientras que la
dieta y los usos de la poblacin tributaria caracterizan
apreciablemente su composicin qumica (calidad). Las sustancias
contaminantes presentes en un agua residual pueden estar en firma
disuelta, de partculas decantables o en un estado fsico intermedio
denominado coloidal o en suspensin. En cualquier caso, la mayor
parte de los compuestos presentes en un ARM est constituido por
materia orgnica e inorgnica, nutrientes y microorganismos. Una
considerable parte de estos componentes se encuentran en forma
particulada y, comnmente, se valora mediante la concentracin de
materia en suspensin (MES). [15]Tabla N 5: Contaminantes presentes
en la ARU y sus posibles efectos sobre las aguas
receptores.CONTAMINANTESIMPACTOS MS SIGNIFICATIVOS
Materia en suspensinAumento de la turbidez del agua (alteracin
de la fotosntesis y reduccin de la produccin de oxigeno).
Sedimentacin, obstruyendo y cubriendo el lecho de los ros.
Compuestos inorgnicosEcotoxicidad de algunos compuestos, como
las sales de metales pesados.Reacciones con sustancias disueltas en
el agua pasando a formas compuestos peligrosos.
ConductividadConcentraciones elevadas de sales impiden la
supervivencia de diversas especies animales y vegetales.
NutrientesCrecimiento normal de algas y bacterias (aumento de la
turbidez del agua). Eutrofizacin del agua.
Materia orgnicaSu descomposicin puede provocar la disminucin de
la concentracin del oxigeno disuelto en el agua hasta alcanzar
condiciones spticas. Eutrofizacin del agua.Emisin de metano en caso
de aparicin de procesos anaerobios.
Compuestos orgnicos txicosToxicidad para la vida
acutica.Disminucin de la concentracin de oxigeno debido a los
procesos de biodegradacin.Produccin, en el caso de lquidos no
miscibles, de una pelcula superficial que impide la aeracin del
agua
Organismos patgenos ( bacterias, virus y parsitos)Inutilizacin
del agua para el uso humano.Contaminacin de los organismos acuticos
que pueden llegar al hombre con la cadena alimenticia.Enfermedades
de transmisin hdrica asociada a la contaminacin microbiolgica del
agua.
Contaminacin trmica por descarga de aguas de
refrigeracinModificacin de la solubilidad del oxigeno en el agua.
Aceleracin de los metabolismos de la flora y la fauna acutica
(eutrofizacin).Alteracin de los ecosistemas acuticos
Fuente:( Gordon MaskewFair 1987)En general las aguas residuales
municipales contienen un 99.9% de agua. La materia slida est
constituida en un 70% de sustancias orgnicas como protenas, grasas
y carbohidratos; mientras que el 30% restante es materia mineral
insoluble (sustancia inorgnica como la arena, arcillas y las
gravas).Las sustancias orgnica de un ARM esta constituidas
mayoritariamente por materia fecal, siendo la contribucin diaria de
DBO5, por parte de un adulto de 30 a 42 g; de los cuales 10.3g
corresponden a la orina, entre 24.7 y 30.6 g a materia fecal y de
2.0 a 3.5 g a materia de limpieza anal. (Droste, 1997). Adems,
tambin contienen hidratos de carbono (celulosa, almidn y azucares),
grasas y jabones (sales metlicos de los cidos grasos), detergentes
sintticos, protenas y sus productos de descomposicin (urea, glicina
y siteina) as como hidrxido de amonio y sales amoniacales
procedentes de la descomposicin de complejos orgnicos nitrogenados.
La gran diversidad que presentan las aguas residuales hace
necesario realizar un estudio concreto de caracterizacin, en
especial cuando se desea definir estrategias de tratamiento y de
aplicacin de tecnologa adecuadas que aseguran la conformidad con la
normativa del vertido a causes receptores vigentes en las zonas de
estudio. [16]
2.4.2. PARMETROS UTILIZADOS PARA CARACTERIZAR AGUAS RESIDUALES
MUNICIPALESLos parmetros utilizados para la caracterizacin del agua
residual municipal se muestran en la N 6.FsicosQumicosBiolgicos
Slidos totales (ST)mg/L Suspendidos VoltilesTemperatura,
CTurbiedad, UNT(a)Materia orgnica, mgO2/L Demanda bioqumica de
oxigeno (DBO5) Demanda qumica de oxigeno (DQO)pH Alcalinidad,
mgCaCO3/L Nitrgeno mg N/ L Orgnico Amoniacal (NH3-N, NH4+-N)
Nitritos (NO2--N) Nitratos (NO3--N)Fosforo mg P/L Orgnico Reactivo
soluble(PO4- P)Organismos patgenos Coliformes Virus, fc/100mL
Tabla N 6: Parmetros comnmente empleados para la caracterizacin
de un ARM.(a) unidades neftomtricas de turbiedad.(b) unidades
formadoras de colonias.Fuente:( Gordon MaskewFair 1987)
A) Materia slida del agua residual:La materia slida del agua
residual est presente tanto en forma disuelta como particulada
(suspensin). Se distinguen tres tipos de slidos en el agua:
totales, fijos y voltiles. La materia slida permite valorar la
concentracin y el estado fsico de los constituyentes del ARM. Es
importante determinar la presencia de aquellos slidos que por su
naturaleza le comunican propiedades indeseables al agua. Su
concentracin permite predecir el mayor o menor grado de depuracin
que puede obtenerse de acuerdo con la eficiencia de las distintas
etapas de tratamiento. La fig. N 1 muestra los distintos tipos de
slidos presentes en una muestra de ARM. Las sustancias obtenida por
decantacin, filtracin o centrifugacin de una muestra de agua
corresponden a la materia en suspensin (MES), mientras que aquellas
que no pueden separarse por estos mtodos y pasan a travs del papel
filtro (0,45um) se denominan materia disuelta. La materia en
suspensin constituye la contaminacin ms fcil de eliminar del agua,
siendo la sedimentacin el principal mecanismo de eliminacin [17].
Tanto la materia disuelta como la particulada estn compuestas por
materia orgnica e inorgnica. La incineracin a 550C permite
diferenciarlas, pues la prdida de materia por incineracin
representa el contenido orgnico de la muestra, mientras que las
cenizas residuales representan el contenido inorgnico o mineral. La
materia soluble de un agua residual est compuesta mayoritariamente
por materia inorgnica, mientras que la materia en suspensin es
predominantemente de naturaleza orgnica [16].
Figura N 1: Clasificacin y cantidad de slidos en un agua
residual municipal tpica
Orgnicos17%
Sedimentableles
Inorgnicos6%
Suspendidos30%
Orgnicos6%
No sedimentables
Inorgnicos2%
SLIDOSTOTALES100%
Orgnicos5%
Coloidal
Filtrables70%Inorgnicos1%
Orgnicos22%
Disueltos
Inorgnicos42%
Fuente: Clair N. Sawyer, Perry L. Mc Carty, 2000Aun cuando los
resultados de los residuos (total, fijo y voltil) estn sujetos a
errores apreciables a causa de la perdida de compuestos voltiles
durante la evaporacin (dixido de carbono y minerales voltiles en la
incineracin y oxido de calcio en las cenizas), son las ms
representativos junto con la demanda qumica y bioqumica de oxigeno,
para estimar el contenido de materia mineral y orgnica de los
vertidos lquidos [16].B) Compuestos orgnicos de agua residual:La
materia orgnica est constituida por una fraccin particulada y una
fraccin disuelta. La materia voltil ofrece una estimacin de
contenido de materia orgnico de un agua residual. Sin embrago, para
obtener una informacin ms preciosa es necesario evaluarla mediante
el oxigeno requerido para oxidar completamente la materia orgnica a
CO2, H2O y NH3.La presencia de oxigeno disuelto en las aguas
naturales es vital para mantener las distintas formas de vida. La
mayora de los compuestos orgnicos pueden servir de alimento para
las bacterias y otros microorganismos, que obtiene la energa
necesaria para sus funciones vitales y la sntesis celular a partir
de la oxidacin de la materia orgnica. Sin embargo, el vertido de
las aguas residuales no tratadas a un curso de aguas ejerce un
consumo de oxigeno, debido a la estabilizacin biolgica de la
materia orgnica que puede llegar a agitarlo, produciendo un efecto
negativo sobre la vida acutica y propiciando condiciones spticas
[17]Los compuestos orgnicos del agua residual tienen al menos un
tomo de carbono en su estructura, por lo que tambin se les conoce
como compuestos carbonosos. Estos tomos pueden ser oxidados tanto
qumicamente y biolgicamente para producir dixido de carbono (CO2).
El mtodo de determinacin de la materia orgnica mediante su oxidacin
biolgica se denomina DBO; mientras que mtodo basado en una oxidacin
(DQO) o demanda total de oxigeno (DTO), dependiendo del agente
qumico de oxigeno empleado y de la naturaleza de las condiciones de
oxidacin.C) Compuestos inorgnicos del agua residual:Los compuestos
inorgnicos capaces de representar una amenaza seria de contaminacin
son pocos y adems es factible realizar ensayos sencillos para
detectar aquellos que resultan ser probablemente los ms molestosos.
El nitrgeno y el fsforo son los compuestos inorgnicos ms
importantes para el control de la calidad de las aguas residuales.
La mayor parte del nitrgeno y del fsforo total de un ARM se
encuentra en su fraccin soluble (nitratos, amonio, polifosfatos y
ortofosfatos).El nitrgeno y el fosforo presentes en los cursos de
agua provienen de diferentes fuentes, como por ejemplo los
fertilizantes artificiales y los desechos ganaderos aplicados en la
agricultura, los efluentes industriales y en particular los
efluentes de los sistemas de tratamiento de las aguas residuales.
El nitrgeno de los efluentes de las plantas de tratamiento de las
aguas residuales proviene principalmente de las conversiones
metablicas de los compuestos derivados de los excrementos (urea y
protenas), mientras que el 50% o ms del fsforo procede de los
detergentes sintticos [15].El nitrgeno y el fsforo son nutrientes
esenciales para el crecimiento biolgico. El fosforo se asimila en
forma de fosfato, mientras que el nitrgeno puede ser asimilado
tanto en forma de amoniaco como de nitrato segn el organismo de que
se trate .Los organismos que se ocupan de la purificacin de las
corrientes de agua forman un sistema ecolgicamente equilibrado. La
descomposicin de la materia orgnica produce anhdrido carbnico y
consume oxigeno, mientras que el crecimiento de los organismos
fotosintticos utiliza el anhdrido carbnico y produce oxigeno
Posiblemente, la consecuencia ms relevante de la contaminacin por
parte de estos compuestos sea su capacidad de promover el
crecimiento de algas. La presencia de nitrgeno y de fosforo en un
agua propicia normalmente su eutrofizacin y una proliferacin de
algas indeseable. La eliminacin del nitrgeno y del fsforo del agua
residual o la conversin del amoniaco a nitratos reduce el efecto
adverso de su vertido.2.4.3. COMPOSICINTPICA DEL AGUA RESIDUAL
MUNICIPAL:Tabla N 7: Composicin tpica de aguas residuales
municipales (ARM)ParmetroConcentracin (mg/l)
ARM dbilARM mediaARM fuerte
Slidos totales3507201200
disueltos totales250500850
slidos en suspensin100220350
slidos sedimentables51020
DBO5100200300
COT80160290
DQO2505001000
Nitrgeno total204085
Orgnico81535
amonaco libre122550
Nitritos000
Nitratos000
Fsforo total4815
Orgnico135
inorgnico3510
Oxgeno disuelto0,20,10
Cloruros3050100
Sulfato203050
Alcalinidad50100200
Aceites y grasas50100150
Coliformes totales106-107 NMP107-108107-109
COV< 100 g/l100-400> 400
Fuente: Harol E. Babbitt, 1967
Tabla N 8: Lmites mximos permisibles para los efluentes de
PTARPARMETROUNIDADLMP DE EFLUENTES PARA VERTIDOS A CUERPOS DE
AGUA.
cidos Grasosmg/L20
Coliformes TermotolerantesNMP/1000 mL10.000
Demanda Bioqumica de Oxigenomg/L100
Demanda Qumica de Oxigenomg/L200
pHunidad6.5-8.5
Slidos Totales en Suspendidosmg/L150
TemperaturaC
