Universidad Tecnológica de Querétaro

Universidad Tecnológica
de Querétaro
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Firmado digitalmente por Universidad Tecnológica de Querétaro
Nombre de reconocimiento (DN): cn=Universidad Tecnológica de
Querétaro, o=Universidad Tecnológica de Querétaro, ou,
[email protected], c=MX
Fecha: 2012.06.18 11:27:19 -05'00'
Nombre del proyecto:
ESTUDIO TECNICO COMPARATIVO DEL TRATAMIENTO DE AGUA
RESIDUAL POR TRATAMIENTO BIOLOGICO AEROBIO VS
ANAEROBIO VS FACULTATIVO
Empresa:
UTEQ
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el titulo de
Ingeniero Ambiental
Presenta
Zoranly Korina Hernández Leyva
Asesor de la empresa
M. en C Amb. Rosalinda Camacho Olguín
Asesor UTEQ
M. en C Amb. Rosalinda Camacho Olguín
Santiago de Querétaro, Junio 2012
RESUMEN
El término agua residual define un tipo de agua que está contaminada con
sustancias fecales y orina, ya sean procedentes de desechos orgánicos
humanos o animales. Su importancia es tal que requiere sistemas de
canalización, tratamiento y desalojo. El tratamiento nulo o indebido genera
graves problemas de contaminación. Encontrar la mejor alternativa para llevar a
cabo el tratamiento de aguas residuales y comparar los procesos de tratamiento
biológico: aerobio, anaerobio y facultativo, tanto en proceso, efectividad y
costos, es el objetivo del presente trabajo. La revisión bibliográfica en distintas
fuentes de los procesos, antes mencionados en cuanto a tratamiento de agua,
el análisis de los costos de cada proceso y la eficiencia de remoción de
nutrientes son los puntos de enfoque para la investigación. Trabajar una planta
de tratamiento de agua residual que tenga en su operación procesos integrados
(aerobia-anaerobia) con microorganismos facultativos, son los procesos que
presentan una mejor remoción de materia orgánica y nutrientes presentes en el
agua residual.
(Palabras clave: anaerobio, aerobio, facultativo, PTAR)
ABSTRACT
The water having been already used, is a residue which is identified as waste
water, waste water, the term defines a kind of water that is contaminated with
faecal and urine substances, organic wastes from humans or animals. Its
importance is such that requires piping systems, treatment and evacuation. Its
zero or improper treatment causes serious pollution problems in the treatment of
wastewater find the best alternative to carry out the treatment of wastewater and
to compare biological treatment processes: aerobic, anaerobic and facultative is
the purpose of work to be presented. The literature review on different sources
of the processes, aerobic, anaerobic and facultative regarding water treatment
concerns and the cost analysis of each process and the efficiency of nutrient
removal are the main points to be treated. Working plant wastewater treatment
in its operation have integrated processes (aerobic-anaerobic) in facultative
microorganisms, are the processes that have a better removal of organic matter
and nutrients in the wastewater.
DEDICATORIA
Quiero dedicar este trabajo de investigación a todas aquellas personas que
como yo, no sabían que estudiar y que terminaron estudiando ambiental. Esto
es sin duda un paso importante que todos damos, pues pensando que no
obtendremos nada, somos nosotros los que podremos mejorar el futuro.
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer de forma especial a:
M. en C. Amb. Rosalinda Camacho Olguín por su ayuda y asesoría técnica en
esta investigación.
Mi hijo David Tadeo quien se durmió mientras trabajaba en la investigación y
lejos de ser un obstáculo, fue un impulso.
A mis papás por haberme convencido de entrar a ingeniería y por su apoyo en
estos 2 años.
A mis hermanos por prestarme sus computadoras e internet móvil cuando era
necesario.
A mi esposo por su apoyo durante las revisiones del documento.
A todos mis maestros, por haber compartido sus conocimientos y recordarme
que siempre habrá cosas que aprender.
INDICE
RESUMEN ............................................................................................................
ABSTRACT ...........................................................................................................
DEDICATORIA ......................................................................................................
AGRADECIMIENTOS ...........................................................................................
INDICE ...................................................................................................................
I. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 1
II. ANTECEDENTES ............................................................................................ 3
III. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................ 5
IV.OBJETIVOS .................................................................................................... 7
V. ALCANCES ..................................................................................................... 7
VI. JUSTIFICACIÓN TEÓRICA ........................................................................... 8
VI.1.1 tratamiento aeróbico ................................................................................ 10
VI.1.2 Tratamiento anaerobio ............................................................................ 11
VI.1.3 Tratamiento Facultativo ........................................................................... 13
VI.2 Reactores Biológicos .................................................................................. 13
VI.2.1 Reactores Biológicos Aerobios ............................................................... 13
VI.2.1.1 Parámetros de Control. ........................................................................ 15
VI.2.1.2 Nutrientes ............................................................................................. 16
VI.2.1.3 Aspectos generales del proceso .......................................................... 17
VI.2.1.4 Variaciones al Proceso ......................................................................... 18
VI.2.1.4.1 Estabilización por contacto ................................................................ 19
VI.2.1.4.2 Aireación decreciente. ....................................................................... 20
VI.2.1.4.3 Aireación por etapas o aireación por pasos (Step aereation). .......... 20
VI.2.1.4.4 Aireación extendida. .......................................................................... 21
VI.2.1.4.5 Mezcla completa. ............................................................................... 21
VI.2.1.4.6 Sistema de oxígeno puro. .................................................................. 22
VI.2.1.5 Reacciones Metabólicas ....................................................................... 23
VI.2.2 Reactores Biológicos Anaerobios ....................................................... 23
VI.2.2.1 Opciones de Tratamiento Anaerobio .................................................... 25
VI.2.2.1.1 Reactores De Primera Generación. .................................................. 25
VI.2.2.1.2 Reactores De Segunda Generación. ................................................. 25
VI.2.2.1.3 Reactores De Tercera Generación. ................................................... 26
VI.2.2.1.4 Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (UASB). ............................. 26
VI.2.2.1.5 EGSB. ................................................................................................ 27
VI.2.2.1.6 Filtro Anaerobio. ................................................................................ 27
VI.2.2.1.7 Reactor Anaerobio de Contacto. ....................................................... 27
VI.2.2.2 Reacción General. ................................................................................ 28
VI.2.2.3 Condiciones de operación .................................................................... 28
VI.2.3 Tratamiento facultativo ......................................................................... 31
VI.2.3.1 Reacción de fotosíntesis ...................................................................... 32
VI.2.3.2 Señales del Buen Funcionamiento de los reactores Facultativos ........ 38
VI.2.3.3 Problemas del Funcionamiento en Reactores Facultativos ................. 38
VI.2.3.4 Parámetros De Control ......................................................................... 38
VI.2.3.4.2 Decantabilidad de los Lodos en el Clarificador ................................. 39
VI.2.3.4.3 Tiempo de Permanencia del Lodo Activo en el Decantador
Secundario ...................................................................................................... 39
VI.2.3.4.4 Concentración de Oxígeno Disuelto en el Reactor de Aireación ..... 39
VI.2.3.4.5 Caudal de Recirculación .................................................................... 40
VI.2.3.4.6 Extracción de Lodos en exceso ......................................................... 40
VI.2.3.4.6.1 Características de las Aguas Residuales Brutas ............................ 40
VI.2.3.4.6.2 Calidad Exigida al Efluente ............................................................. 41
VI.2.3.5 Parámetros Operacionales ................................................................... 41
VI.2.3.5.1 Carga Másica. ................................................................................... 41
VI.2.3.5.2 Edad del Lodo: .................................................................................. 41
VI.2.3.5.3 Carga Volumétrica ............................................................................. 41
VI.2.3.5.4 Rendimiento en la Depuración .......................................................... 42
VII.PLAN DE ACTIVIDADES ............................................................................ 43
VIII. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS ................................................ 44
IX. DESARROLLO DEL PROYECTO ............................................................... 44
X. RESULTADOS OBTENIDOS ....................................................................... 45
X.1 Criterios Económicos ................................................................................... 46
X.1.1 Costos de la inversión .............................................................................. 46
X.1.2 Costos de Operación, Mantenimiento y Periodo de Vida útil. .................. 47
XI. ANÁLISIS DE RIESGO ................................................................................ 48
XII. CONCLUSIONES ........................................................................................ 51
XIII. RECOMENDACIONES .............................................................................. 51
XIV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 53
!!
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Reacción de Asimilación de materia orgánica ...................................... 4
Figura 2. Reacciones metabólicas ..................................................................... 23
Figura 3. Reacción anaerobia ............................................................................ 29
Figura 4. Reacción general de biomasa ............................................................ 30
Figura 5. Diagrama de laguna facultativa .......................................................... 31
Figura 6. Ecuación balanceada de fotosíntesis ................................................. 32
Figura 7. Cargas superficiales límites para reactores facultativos ..................... 34
Figura 8. De donde viene el oxigeno ................................................................. 36
Figura 9. Tabla de costos .................................................................................. 47
I. INTRODUCCIÓN
Las aguas residuales son materiales derivados de residuos domésticos o
de procesos industriales, los cuales por razones de salud pública y por
consideraciones de recreación económica y estética y debido a la normatividad
mexicana, no pueden desecharse vertiéndolas sin tratamiento en lagos o
corrientes convencionales.
Los materiales inorgánicos como la arcilla, sedimentos y otros residuos
se pueden eliminar por métodos mecánicos y químicos; sin embrago, si el
material que debe ser eliminado es de naturaleza orgánica, el tratamiento
implica usualmente actividades de microorganismos que oxidan y convierten la
materia orgánica en CO2, es por esto que los tratamientos de las aguas de
desecho son procesos en los cuales los microorganismos juegan papeles
cruciales. Cuando las aguas residuales entran en una Estación Depuradora,
sufren un pretratamiento en el que se retiran los sólidos y gruesos de gran
tamaño, así como las arenas y grasas. A continuación, el agua pasa al
denominado tratamiento primario, donde se eliminan sólidos en suspensión
fácilmente sedimentables y algo de materia orgánica. El tratamiento de las
aguas residuales da como resultado la eliminación de microorganismos
patógenos, evitando así que estos microorganismos lleguen a ríos o a otras
fuentes de abastecimiento de agua. La materia orgánica que queda disuelta y
en suspensión así como el resto de las partículas sólidas que no se han
1
eliminado en los tratamientos anteriores, son eliminadas mediante los
denominados “Procesos Biológicos de Depuración”, que en la línea de aguas
constituyen los tratamientos secundarios.
Específicamente el tratamiento biológico de las aguas residuales es
considerado un tratamiento secundario ya que este está ligado íntimamente a
dos procesos microbiológicos, los cuales pueden ser aerobios y anaerobios.
2
II. ANTECEDENTES
El objetivo del tratamiento biológico de aguas residuales es reducir el
contenido en materia orgánica,
en nutrientes y eliminar los patógenos y
parásitos existentes.
El tratamiento biológico aerobio es un tratamiento de fácil manejo; las
sustancias orgánicas biodegradables disueltas (sustrato) en agua residual
suministran una fuente de alimento a los microorganismos. De este modo el
agua residual se depura biológicamente. La degradación biológica del sustrato
tiene lugar en un tanque de aireación; la aireación del agua residual suministra
oxigeno a los microorganismos aerobios. El sistema de lodos activados consiste
en desarrollar un cultivo bacteriano disperso en forma de flóculos (lodos
activados) en un depósito agitado y aireado, y alimentado con el agua a
depurar. Después de un tiempo de contacto suficiente, el licor de mezcla se
envía a un clarificador (decantador secundario) destinado a separar el agua
depurada de los fangos, un porcentaje de estos últimos se recirculan para
mantener en el reactor una concentración de biomasa activa elevada.
La asimilación de materia orgánica ocurre de acuerdo con la siguiente reacción:
3
Figura 1. Reacción de Asimilación de materia orgánica (Yañez,1992)
Los tratamientos aerobios se pueden clasificar en tratamientos con biomasa
suspendida y tratamientos con biomasa fija. Entre los primeros, los más
importantes son los lodos activados y las lagunas aireadas, y con biomasa fija
se cuentan los llamados “filtros percoladores”.
El tratamiento biológico anaerobio también se usa para la remoción de
materia orgánica de las aguas residuales, éste, se caracteriza por la producción
del denominado “biogás”, formado fundamentalmente por metano (60-80%)y
dióxido de carbono (40-20%) y susceptible de ser utilizado como combustible
para la generación de energía térmica y/o eléctrica. Además, solo una pequeña
parte de la DQO tratada (5-10%) se utiliza para formar nuevas bacterias, Sin
embargo, la lentitud del proceso anaerobio obliga a trabajar con altos tiempos
de residencia, por lo que es necesario diseñar reactores o digestores con una
alta concentración de microorganismos (CNA, 1994).
Los
organismos
anaerobios
facultativos
pueden
elegir
entre
la
fermentación y diversos receptores terminales de electrones éstas pueden usar,
en ausencia de oxígeno, otros compuestos inorgánicos como aceptores finales
4
de electrones, por ejemplo: nitrato, fumarato, sulfato etc dependiendo de las
condiciones ambientales en las cuales se encuentren,.
son bacterias que
pueden adaptarse para crecer y metabolizar tanto en presencia como en
ausencia de oxígeno.Usan la fermentación como única vía de producción de
energía y esta es bloqueada en presencia de oxígeno, asegurando que el
suministro de energía se produzca por respiración, que consume menos
glucosa y acumula menos lactato. Las proteobacterias (Proteobacteria) son uno
de los principales grupos de bacterias. Incluyen una gran variedad de
patógenos, tales como Escherichia, Salmonella, Vibrio, Helicobacter, Neisseria
gonorrhoeae y muchos otros. Otras son de vida libre, e incluyen muchas de las
bacterias responsables de la fijación del nitrógeno, su morfología es muy
variable. La nutrición es usualmente heterótrofa.
III. JUSTIFICACIÓN
El tratamiento de las aguas residuales municipales y en algunos casos
llevan altos contenidos de nutrientes, los cuales no pueden ser removidos por el
tratamiento convencional de lodos activados, por lo que resulta necesario
implementar una combinación de tratamiento aerobio-anaerobio que nos
permita disminuir los nutrientes para que el agua tratada cumpla con la
normativa vigente en materia de agua.
Sabemos que la degradación anaerobia de la materia orgánica requiere
la intervención de diversos grupos de bacterias facultativas y anaerobias
5
estrictas, las cuales utilizan en forma secuencial los productos metabólicos
generados por cada grupo. La digestión anaerobia
de la materia orgánica
involucra tres grandes grupos tróficos y cuatro pasos de transformación:
1. Hidrólisis
Grupo I: bacterias hidroliticas
2. Bacterias fermentativas
Grupo I: bacterias fermentativas
3. Acetogénesis
Grupo II: bacterias acetogénicas
4. Metanogénesis
Grupo III: bacterias metanogénicas
El proceso inicia con hidrólisis de polisacáridos, proteínas y lípidos por la
acción de enzimas producidas por las bacterias del Grupo I. Los productos de
esta son fermentados a ácidos grasos con bajo número de carbonos, los
productos de fermentación son convertidos a acetato, hidrógeno y dióxido de
carbono por la acción de las bacterias del Grupo II, las cuales son conocidas
como “bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno”.
6
Finalmente las bacterias metanogénicas convierten el acetato a metano y
CO2, o reducen el CO2 a metano. Estas transformaciones involucran dos grupos
metanogénicos que son los encargados de llevar a cabo las transformaciones
mencionadas anteriormente.
IV.OBJETIVOS
Comparar los procesos de tratamiento biológico para aguas residuales:
aerobio, anaerobio y facultativo.
Encontrar la mejor alternativa para llevar a cabo el tratamiento de aguas
residuales.
V. ALCANCES
Este proyecto, se basa principalmente hacer una investigación acerca de
los procesos biológicos para el tratamiento de agua residual y por medio de ella
determinar cuál es el mejor sistema para hacerlo.
La digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de
destrucción de la materia orgánica, como no hay presencia de un oxidante en el
proceso, la capacidad de transferencia de electrones de la materia orgánica
permanece intacta en el metano producido. En vista de que no hay oxidación,
se tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de
7
la materia orgánica digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es
convertida en lodo (3 a 10%). En las reacciones bioquímicas que ocurren en la
digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía libre es liberada,
mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química
en el metano producido.
Por otro lado en la digestión anaerobia se llevan a cabo procesos
catabólicos oxidativos. Como el catabolismo oxidativo requiere la presencia de
un oxidante de la materia orgánica y normalmente este no está presente en las
aguas residuales, él requiere ser introducido artificialmente. La forma más
conveniente de introducir un oxidante es por la disolución del oxígeno de la
atmósfera, utilizando la aireación mecánica, lo que implica altos costos
operacionales del sistema de tratamiento. Adicionalmente la mayor parte de la
DQO de la materia orgánica es convertida en lodo, que cuenta con un alto
contenido de material vivo que debe ser estabilizado.
VI. JUSTIFICACIÓN TEÓRICA
El término agua residual define un tipo de agua que está contaminada con
sustancias fecales y orina, procedentes de desechos orgánicos humanos o
animales. Su importancia es tal que requiere sistemas de canalización,
tratamiento y desalojo. Su tratamiento nulo o indebido genera graves problemas
de contaminación.
8
Comúnmente las aguas residuales suelen clasificarse como:
•
Aguas Residuales Municipales. Residuos líquidos transportados por el
alcantarillado de una ciudad o población y tratados en una planta de
tratamiento municipal.
•
Aguas Residuales Industriales. Las Aguas Residuales provenientes de
las descargas de Industrias de Manufactura.
Otra forma de denominar a las Aguas Residuales es en base al contenido
de contaminantes que esta porta, así se conocen como:
•
Aguas negras a las Aguas Residuales provenientes de inodoros, es
decir, aquellas que transportan excrementos humanos y orina, ricas en
sólidos suspendidos, nitrógeno y coliformes fecales.
•
Aguas grises a las Aguas Residuales provenientes de tinas, duchas,
lavamanos y lavadoras, que aportan sólidos suspendidos, fosfatos,
grasas y coliformes fecales, esto es, aguas residuales domésticas.
•
Aguas negras industriales o la mezcla de las aguas negras de una
industria en combinación con las aguas residuales de sus descargas. Los
contaminantes provenientes de la descarga están en función del proceso
industrial, y tienen la mayoría de ellos efectos nocivos a la salud si no
existe un control de la descarga.
9
Las Aguas Residuales son conducidas a una Planta de Tratamiento de
Aguas Residuales (PTAR) donde se realiza la remoción de los contaminantes, a
través de métodos biológicos o fisicoquímicos. La salida (efluente) del sistema
de tratamiento es conocida como Aguas Residuales tratadas.
VI.1 Tratamiento de las aguas residuales
El tratamiento de las aguas residuales consiste en una serie de procesos,
que tienen como fin eliminar los contaminantes físicos, químicos y biológicos
presentes en el agua efluente del uso humano. El objetivo del tratamiento es
producir agua limpia (o efluente tratado) o reutilizable en el ambiente y un
residuo sólido o fango (también llamado biosólido o lodo) convenientes para su
disposición o reuso.
VI.1.1 tratamiento aeróbico
En el tratamiento aeróbico de las aguas residuales, se incrementa
fuertemente el aporte de oxigeno por riego de superficies sólidas, por agitación
o agitación y aireación sumergida simultaneas. El crecimiento de los
microorganismos y su actividad degradativa crecen proporcionalmente a la tasa
de
aireación.
Las
sustancias
orgánicas
e
inorgánicas
acompañantes
productoras de enturbiamiento son el punto de partida para el desarrollo de
colonias mixtas de bacterias y hongos de las aguas residuales, los flóculos que,
con una intensidad de agitación decreciente, pueden alcanzar un diámetro de
10
unos mm dividiéndose o hundiéndose después. La formación de flóculos se ve
posibilitada por sustancias mucilaginosas extracelulares y también por las
microfibrillas de la pared bacteriana que unen las bacterias unas con otras. El
40 – 50% de las sustancias orgánicas disueltas se incorporan a la biomasa
bacteriana y el 50 – 60% de las mismas se degrada.
La acción degradativa o depuradora de los microorganismos en un
proceso se mide por el porcentaje de disminución de la DBO en las aguas
residuales tratadas. Dicha disminución depende de la capacidad de aireación
del proceso, del tipo de residuos y de la carga de contaminantes de las aguas
residuales y se expresa así mismo en unidades de DBO.
VI.1.2 Tratamiento anaerobio
El tratamiento de aguas anaerobio se utiliza principalmente en el
tratamiento de agua industriales y domésticas con altas cargas de DBO. Este
tratamiento no requiere oxígeno y su producción de lodos es de 3-20 veces
menos lodos que tratamiento aerobio (20- 150 vs. 400-600 kg biomasa/m3) .A
pesar de que este tratamiento Es más lento que tratamiento aerobio (requiere >
tiempos de contacto o sea > tiempos de retención hidráulica), es más sensitivo
a choques tóxicos y requiere mayor tiempo de aclimatación,
produce una
cantidad de metano suficiente para ser utilizada por algún dispositivo extra y
cuentan con la reducción de energía necesaria. Perseveran actividad aun
después de días sin alimento si es que el sistema no ha sido operado en días,
11
por lo que es útil en periodos vacacionales. Cuentan con una buena remoción
de hidrocarburos clorinados, co-metabolismo, etc.
Este proceso requiere de interacciones en sinergia entre cuatro grupos
Microbianos:
I. Bacterias hidroliticas
II. Bacterias fermentadoras
III. Bacterias acetogénicas
IV. Bacterias metanogénicas
Como en todos los tratamientos de aguas, igual se rige bajo varios parámetros
para controlar la operación anaerobia:
1. Temperatura
2. HRT (tiempo de retención hidráulico)
3. pH (alcalinidad)
4. Composición del desperdicio
5. Competencia con bacterias sulfidogénicas (bacterias respiradoras de azufre).
12
6. Tóxicos (oxígeno, amoniaco, solventes clorinados, benceno, formaldehido,
ácidos volátiles, )etc.
VI.1.3 Tratamiento Facultativo
En cuanto al tratamiento facultativo Son estanques de tratamiento de
aguas residuales donde el proceso se realiza mediante una combinación de
bacterias aerobias, anaerobias y facultativas. Un reactor facultativo es profundo.
El agua residual a tratar se introduce por la parte inferior del tanque a cierta
altura para evitar la agitación de los lodos sedimentados y el efluente se recoge
por la parte superior. Podemos considerar que el tanque está dividido por tres
regiones: la región inferior donde se trabaja con bacterias anaerobias, la región
media en la que se encuentran las bacterias facultativas y la región superior que
es donde tenemos las bacterias aerobias. El oxigeno para las bacterias
aerobias se obtiene por algas o por aireadores de superficie.
VI.2 Reactores Biológicos
VI.2.1 Reactores Biológicos Aerobios
La selección del tipo de reactor así como su tamaño vendrá dada en cada
caso particular en función del tipo de agua, caudal, lugar en el que se vierte,
espacio disponible, etc. Por este motivo no existe un estándar de este tipo de
plantas. El objetivo de estos equipos es, principalmente, la eliminación de DQO,
13
DBO y sólidos en suspensión de distintos efluentes. Su funcionamiento se basa
en la oxigenación, mediante difusores de aire en las aguas a tratar en un
reactor de dimensiones adecuadas. Debido a la carga de entrada y al aporte de
oxígeno se crean las condiciones apropiadas para el crecimiento de
microorganismos, principalmente bacterias, que serán los encargados de
degradar la materia orgánica soluble biodegradable. Una parte de esta materia
orgánica soluble se asimila para la formación de la estructura de las propias
bacterias y otra parte se asimila para la supervivencia de estas bacterias en su
función de respiración, así como en la formación de nuevas células. En este
último proceso hay un desprendimiento de CO2 y H2O.
En este reactor tendremos los sólidos que hayan podido entrar con las
aguas residuales y los sólidos correspondientes a los microorganismos que se
han formado, y que son los responsables de la eliminación de la carga
biodegradable. La concentración máxima de sólidos totales en este tipo de
reactores será de 3,500-4,000 ppm ya que por encima de esta concentración
los sólidos presentan problemas para decantar. De éste decantado parte de los
lodos irán a deshidratación y parte se recircularán al reactor para mantener la
concentración de sólidos y mantener el rendimiento del mismo (Bartone, 1985).
En el diseño y explotación de un reactor biológico aerobio hay que tener
en cuenta una serie de factores para conseguir un rendimiento adecuado.
14
VI.2.1.1 Parámetros de Control.
Los parámetros de control son la edad de lodos y la carga de alimentación
aplicada, estos deben mantenerse dentro de ciertos rangos establecidos para
un tipo de agua residual en particular. El control se logra regulando
adecuadamente el caudal de recirculación y el descarte o purga de lodos.
pH : El desarrollo de microorganismos está en estrecha relación con un pH
óptimo, como la actividad enzimática depende fuertemente del mismo. El rango
de tolerancia para microorganismos anaerobios se encuentra entre 6,8 a 7,5 de
pH (Böhnke et al., 1993 ).
Temperatura: Los lodos activados operan a temperatura ambiente del
laboratorio y por lo tanto están comprendidas en el rango de 13,0 a 23,5 °C.
Oxígeno Disuelto (OD): Aparte del período corto con problemas con los
difusores se garantiza una concentración mínima de oxígeno disuelto en el
tanque de aireación de 2,0 mg/L, según lo recomendado en la literatura
(Ronzano et al., 1995).
VI.2.1.2 Nutrientes: El interior celular, aparte de C, H y O, elementos
característicos de la materia orgánica, contiene otros elementos como son el N,
P, S, Ca, Mg etc., denominados nutrientes y que a pesar de que muchos de
15
ellos se encuentran en el organismo sólo en pequeñas cantidades, son
fundamentales para el desarrollo de la síntesis biológica.
Se ha determinado a nivel medio que los microorganismos para
sobrevivir necesitan por cada 1000 g. de C, 43 de N y 6 de P, y que en las
aguas residuales urbanas existen por cada 1000 g. de C, 200 g. de N y 16 g. de
P (MOPT, 1991).
Si comparamos lo que necesitan los microorganismos para sobrevivir,
con las cantidades existentes de dichos elementos en el agua residual,
podemos concluir que a título general dichos microorganismos pueden
desarrollarse en el agua residual perfectamente.
Es interesante comentar que en el caso de determinadas aguas con vertidos
industriales, las proporciones de dichos elementos no están equilibradas,
siendo necesario a veces dosificar N y P en el agua, para que pueda darse el
desarrollo bacteriano y exista depuración biológica.
Así, para obtener el máximo partido a este tipo de sistemas de depuración,
las aguas de llegada a los mismos no deben llevar aceites ni grasas, así como
sólidos gruesos y además contener la menor cantidad posible de sólidos en
suspensión. Debido a esto, los reactores biológicos deben tener como etapas
previas la eliminación de aceites y grasas mediante separadores de aceites y
grasas, la eliminación de sólidos gruesos mediante rejas de desbaste y la
16
máxima eliminación posible de sólidos en suspensión mediante sistemas de
decantación.
La explotación de un biológico como lodos activados es el sistema de
depuración más eficiente económicamente en el caso de que exista espacio
disponible y las restricciones de los parámetros de vertido sean las de
alcantarillado municipal.
VI.2.1.3 Aspectos generales del proceso.
En el proceso de lodos activados, los microorganismos son completamente
mezclados con la materia orgánica del agua residual, la que sirve de alimento
para su propio crecimiento y reproducción. A medida que la población de
microorganismos aumenta, se agrupa y forma flóculos para producir una masa
activa llamada lodo activado.
El lodo activado es de color café, cuando es sano huele a “tierra mojada”,
presenta una estructura granular y sedimenta rápidamente. El agua residual
que ingresa continuamente al tanque de aireación del sistema, se une con los
lodos activados recirculados provenientes del sedimentador secundario, donde
el aire es introducido para realizar una mezcla completa y proporcionar el
oxígeno necesario para que los microorganismos remuevan la materia orgánica.
La mezcla de lodo activado y agua residual que se produce en el tanque de
aireación, se llama “licor mezclado”, el cual se envía a un tanque de
17
sedimentación secundario o clarificador donde el agua se decanta para
posteriormente ser desinfectada, y parte del lodo activado sedimentado se
recircula, el sobrante se envía a tratamiento o disposición.
El aire es introducido al tanque de aireación, ya sea mediante difusores
que se colocan en el fondo o por aireadores mecánicos superficiales los que
pueden ser fijos, ubicados sobre plataformas o flotantes.
VI.2.1.4 Variaciones al Proceso
Lodos activados convencional (Flujo pistón). El agua a tratar y el lodo
activado recirculado entran en el tanque de aireación y se mezclan con aire
disuelto o con agitadores mecánicos. El suministro del aire suele ser uniforme a
lo largo de toda la longitud del canal. Durante el período de aireación, se
produce la adsorción, floculación y oxidación de la materia orgánica. Los sólidos
del lodo activado se separan en un sedimentador secundario, los tiempos de
retención hidráulica varían entre 4 a 8 horas.
El pase de burbujas de aire a través de las aguas de desecho coagula los
coloides y la grasa, satisface parte de la demanda bioquímica de oxígeno
(DBO), y reduce un poco el nitrógeno amoniacal. La aireación también puede
impedir que las aguas de desecho se vuelvan sépticas en uno de los tanques
subsiguientes de sedimentación. Pero si las aguas de desecho se mezclan con
lodo previamente aireado y luego se vuelve a airear, como se hace con los
18
métodos de tratamiento de aguas de desecho utilizando lodo activado, la
efectividad de la aireación se mejora mucho. La reducción de la DBO y sólidos
en suspensión en el proceso convencional del lodo activado que incluye
predecantación y sedimentación final, puede variar desde 80 a 95% y la
reducción de las bacterias coliformes de 90 a 95%. Además, el costo de
construcción de una planta de lodo activado puede ser competitivo con otros
tipos de plantas de tratamiento que producen resultados comparables. Sin
embargo, los costos unitarios de operación son relativamente altos.
El método del lodo activado es un tratamiento biológico secundario que
emplea la oxidación para descomponer y estabilizar la materia putrescible que
queda después de los tratamientos primarios. Otros
métodos de oxidación
incluyen la filtración, estanques de oxidación, y la irrigación. Estos métodos de
oxidación ponen a la materia orgánica de las aguas de desecho en contacto
inmediato con microorganismos bajo condiciones aerobias. (IMTA, 1993)
VI.2.1.4.1 Estabilización por contacto.
En esta variante, el agua residual entrante al proceso (efluente primario),
es aireada durante un tiempo de 20 a 30 minutos en un tanque llamado “tanque
de contacto” para que los microorganismos absorban los contaminantes
orgánicos sin dar oportunidad de asimilar la materia orgánica. El lodo activado
pasa a sedimentación y es conducido a un tanque llamado “tanque de
estabilización” donde se airea de 1.5 a 3 horas para degradar la materia
19
orgánica. Parte del lodo recirculado se desecha y el restante se envía al tanque
de contacto.
VI.2.1.4.2 Aireación decreciente.
En tanques de aireación largos y angostos -relación largo/ancho mayor de
8- se presenta un flujo tipo pistón con una demanda mayor de oxígeno a la
entrada, disminuyendo hasta la salida. La cantidad total de aire se obtiene como
en un proceso de lodos activados convencional, pero su distribución se hace
decrecer a lo largo del tanque colocando menos difusores o aireadores.
VI.2.1.4.3 Aireación por etapas o aireación por pasos (Step aereation).
Esta variante consiste en introducir el agua residual en varios puntos a lo
largo del tanque de aireación. En los sitios de alimentación se esparce la
demanda de oxígeno, resultando una mayor eficiencia en la distribución del aire
inyectado al sistema.
Cada incremento reacciona con el lodo que ya se encuentra en el tanque.
Por consiguiente, los requisitos de aire casi son uniformes en todo el tanque. La
aireación por mezcla completa obtiene mejores resultados dispersando el
influente del agua de desecho tan uniformemente como sea posible, a lo largo
de la longitud total del tanque de aireación, de manera que se produzca una
demanda uniforme de oxígeno a todo lo largo. La aireación extendida es similar,
20
pero el agua de desecho se airea por 24 horas en vez de las 6 a 8 horas
convencionales.
VI.2.1.4.4 Aireación extendida.
Esta modificación consiste en aumentar el tiempo de retención hidráulica
en el sistema de 12 a 36 horas en lugar de 6 a 8 horas que emplea el proceso
convencional. Este periodo de aireación permite que el lodo sea parcialmente
digerido dentro del tanque de aireación. Una variación del sistema de aireación
extendida es la llamada “zanja de oxidación”, que consiste en un tanque de
aireación formado por un canal cerrado donde un rotor o aireador mecánico
generalmente del tipo cañón introduce el oxígeno suficiente al licor mezclado y
mantiene la mezcla en movimiento
VI.2.1.4.5 Mezcla completa.
Esta modificación consiste en uniformizar la aireación y la entrada del
licor mezclado en el tanque de aireación y extraer los lodos de una forma
igualitaria a lo largo del tanque. Con este sistema se logra que la demanda de
oxígeno permanezca constante en todos los lugares del tanque de aireación
siendo más eficiente la utilización del aire suministrado.
VI.2.1.4.6 Sistema de oxígeno puro.
21
Desde 1970, ha habido interés por los sistemas que utilizan oxígeno puro
en lugar de aire, para eficientar los requerimientos de bacterias aerobias que
realizan la depuración del agua. Los tanques de aireación en esta modalidad,
se encuentran cubiertos y el oxígeno es recirculado a través de varias etapas
que corresponden a diferentes compartimentos provistos por un agitador
superficial que realiza la mezcla de agua y lodo permitiendo la inclusión del
oxígeno.
El sistema permite el uso eficiente del oxígeno proporcionado con bajos
requerimientos de energía. El número de etapas depende de la concentración
de carga orgánica del desecho, características del agua a tratar y calidad del
efluente deseado. El oxígeno empleado se genera en el sitio de la planta, en
donde si la planta es grande el aire se licúa y destila en unidades criogénicas;
mientras que en plantas pequeñas la separación del oxígeno se obtiene
adsorbiendo el nitrógeno del aire, una característica de este proceso es que el
contenido de oxígeno disuelto en el licor mezclado del reactor presenta
concentraciones de 6 a 12 mg/l, y los contenidos de sólidos sedimentables son
altos.
El proceso de lodos activados puede convertir casi toda la materia
orgánica del influente en sólidos. Dichos sólidos al ser removidos producen un
efluente de alta calidad. Desafortunadamente la sedimentación de sólidos
floculentos es una operación difícil de realizar, por lo que se requiere un control
22
operacional cuidadoso del sistema. Dentro de las variantes presentadas al
proceso de lodos activados, las más utilizadas en México son los sistemas
convencionales y aireación extendida en la modalidad de zanjas de oxidación.
VI.2.1.5 Reacciones Metabólicas
(Materia
organica)
(Nuevas
células
bacterianas)
Figura 2. Reacciones metabólicas (Metcalf & Eddy, 1997).
VI.2.2 Reactores Biológicos Anaerobios
Tradicionalmente la digestión anaerobia ha sido utilizada para la
estabilización de lodos primarios y secundarios en las plantas convencionales
municipales.
Las principales aplicaciones de la tecnología anaerobia se presentan en
residuos industriales con alta carga contaminante, por el beneficio que reporta
en términos de ahorro energético. Los procesos de estabilización anaerobia
también se han venido utilizando para el tratamiento directo de residuos
líquidos, especialmente como tratamiento primario.
Dentro de las nuevas tendencias se manejan procesos relacionados con:
23
• Desnitrificación, para la remoción de nitratos, sulfato reducción, para la
remoción y recuperación de metales pesados y azufre.
• Biorremediación, para la destrucción de compuestos tóxicos y peligrosos.
Teniendo la siguiente reacción:
MATERIA
ORGANICA
+
Microorganismos Anaerobios
= CH4 + CO2
Figura 3. Reacción anaerobia (Yañez, 1984)
VI.2.2.1 Opciones de Tratamiento Anaerobio
Los reactores anaerobios se clasifican de manera similar a los procesos
aerobios: Existen reactores de biomasa en suspensión y reactores de biomasa
adherida, igualmente existen reactores de baja carga y reactores de alta tasa.
Otra manera de clasificarlos es con base en el proceso evolutivo: primera
generación, segunda generación y tercera generación.
VI.2.2.1.1 Reactores De Primera Generación.
Son los denominados reactores de baja tasa. El TRH es igual al tiempo de
residencia celular. Se caracterizan por tener la mayor parte de la biomasa
acumulada como sedimento y su configuración no garantiza el adecuado
contacto de la misma con el sustrato. Se incluyen en esta categoría el tanque
24
séptico, el tanque Imhoff, la laguna anaerobia y el digestor convencional
(biodigestor). El sistema de contacto (versión anaerobia de los lodos activados)
constituye un proceso de transición entre la primera y segunda generación.
Incorpora un reactor mezclado, un sedimentador y la recirculación de lodos.
VI.2.2.1.2 Reactores De Segunda Generación.
Los microorganismos son retenidos en el tanque por medio de una
biopelicula adherida a un soporte (empaque), o bien, por su sedimentación en
forma de agregados (flóculos, granos) densos. En estos sistemas se ha
separado el tiempo de retención hidráulico del celular y se ha mejorado
considerablemente el dispositivo de distribución de agua en su interior.
Constituyen los mejores exponentes de este grupo el filtro anaerobio y el
reactor de manto de lodos UASB. Los reactores de lecho granular expandido
(EGSB) se ubican en una fase de transición éntrelos sistemas de segunda y
tercera generación.
VI.2.2.1.3 Reactores De Tercera Generación.
También retienen los microorganismos en biopelicula o grano compacto y
denso, con la particularidad que el soporte se expande o fluidifica con altas
velocidades de flujo (reactores de lecho expandido o fluidificado). Los
resultados más importantes obtenidos durante el desarrollo tecnológico a través
de la evolución de los reactores son la disminución del tiempo de retención
hidráulico de días a horas. Permiten la creación de instalaciones muy
25
compactas con un gran incremento de su estabilidad y de las eficiencias del
tratamiento del agua residual a temperaturas por debajo de la óptima (35 ºC).
VI.2.2.1.4 Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (UASB).
El flujo ascendente del agua mantiene en suspensión a la masa bacteriana
que forma gránulos o flóculos de fácil sedimentación, permitiendo un buen
contacto entre las partículas de materia orgánica y las bacterias, facilitando su
digestión. Se pueden manejar cargas orgánicas superiores a 4 Kg./m3.d con
agua desde 600 mg./l hasta 50,000 mg./l de DBO5.
VI.2.2.1.5 EGSB.
Tratamiento de altas velocidades ascensionales y equipadas con un
sedimentador para recuperar la bacteria que haya salido del reactor con el
efluente, puede manejar cargas orgánicas mayores a 10 kg./m3.d y agua con
10,000 a 50,000 mg./l de DBO5.
VI.2.2.1.6 Filtro Anaerobio.
Equipo en el que la bacteria se encuentra fija en un soporte para resistir
las fuerzas ascensionales altas. Indicado para agua residual donde las materias
orgánicas en suspensión sean mínimas y la mayor parte de la DBO5 sea por
materia disuelta.
26
VI.2.2.1.7 Reactor Anaerobio de Contacto.
Reactores de baja tasa para la digestión orgánica, que requieren de alto
tiempo de retención hidráulica. Indicado para la digestión de lodos provenientes
de plantas aerobias o lodos primarios, así como para residuos sólidos.VI.2.2.2
Reacción General.
La reacción general podría resumirse como:
Figura 4. Reacción general de biomasa (ECOMAC, 2004)
VI.2.2.3 Condiciones de operación
Los niveles de reacción química y biológica normalmente aumentan con
el incremento de la temperatura, esto es incierto dentro de un rango de
temperatura tolerable para diferentes microorganismos. Las altas temperaturas
causan una declinación del metabolismo, debido a la degradación de las
enzimas; y esto es crítico para la vida de las células. Los microorganismos
tienen un nivel óptimo de crecimiento de 35°C a 55°C manteniendo una buena
eficiencia en general.
Además de una fuente de carbono orgánico, los microorganismos
requieren de nitrógeno, fosforo y otros factores de crecimiento que tienen
27
efectos complejos. Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la
concentración óptima para el metano ya que ellas se inhiben severamente por
falta de nutrientes. Sin embargo, la deficiencia de nutrientes no debe ser un
problema con los alimentos concentrados, pues estos aseguran en más que
suficientes las cantidades de nutrientes. Por otra parte, la descomposición de
materiales con alto contenido de carbono ocurre más lento, pero el periodo de
producción de biogás es más prolongado. Los materiales con diferentes
relaciones C : N en residuales porcinos es de 9 a 3; en vacunos de 10 a 20; para
humanos es de 10 a 8 y para residuos vegetales es de 10 a 35. La relación
óptima se considera en un rango de 30:1 hasta 10:1, una relación menor de 8:1
inhibe la actividad bacteriana debido a la formación de un excesivo contenido
de amonio.
Los compuestos tóxicos incluso en bajas concentraciones, afectan la
digestión
y
disminuyen
los
niveles
de
metabolismo.
Las
bacterias
metanogénicas son generalmente las más sensibles, aunque todos los grupos
pueden ser afectados. Un nutriente esencial también puede ser tóxico si su
concentración es muy alta. En el caso del nitrógeno, mantener un nivel óptimo
para garantizar un buen funcionamiento sin efectos tóxicos es particularmente
importante. Por ejemplo, en alimentos de alto contenido de proteína para el
ganado,
un
desbalance
por
altos
contenidos
de
nitrógeno
y
bajas
disponibilidades energéticas, cusa toxicidad por de amonio. Usualmente, el
nivel de amonio libre debe ser mantenido en 80 ppm. Sin embargo, una
28
concentración más alta, alrededor de 1500-3000 ppm, puede ser tolerada. Se
debe tener precaución para evitarla entrada al biodigestor de ciertos iones
metálicos, sales bactericidas y sustancias químicas sintéticas.
Se reportado
la reducción de gas cuando se encuentran antibióticos.
El Nivel de Carga es calculado como la materia seca total (MS) o materia
orgánica (MO) que es cargada o vertida diariamente por metro cúbico de
volumen de biodigestor. La MO o sólidos volátiles (SV) se refiere a la parte de la
MS o solios totales (TS), que se volatilizan durante la incineración a
temperaturas superiores a 500 °C. Los SV contienen componentes orgánicos,
los
que
teóricamente
deben
ser
convertidos
a
metano.
Según
los
requerimientos operacionales para un reactor anaerobio, la eficiencia de la
producción de biogás s3e determina generalmente expresando el volumen de
biogás producido por unidad de peso MS o SV. La fermentación de biogás
requiere un cierto rango de concentración de MS que es muy amplio,
usualmente desde 1% al 30%. La concentración óptima depende de la
temperatura.
En cuanto al tiempo de retención existen dos parámetros para identificar
el tiempo de retención de las sustanciasen el biodigestor: 1. El tiempo de
retención de los sólidos biológicos (TRSB) que se determinan dividiendo la
cantidad de MO o SV que entra al biodigestor entre la cantidad de materia
orgánica que sale del sistema. El TRBS es asumido para representar la media
29
del tiempo de retención de los microorganismos en el biodigestor. 2. El tiempo
de retención hidráulico (TRH) es la relación entre el volumen de biodigestor
(VD) y la media de la carga diaria. Estos parámetros son importantes para los
biodigestores avanzados de alto nivel, los cuales han alcanzado un control
independiente del TRSB y del TRH a través de la retención de la biomasa.
VI.2.3 Tratamiento facultativo
Estos son una combinación de los tratamientos anteriores e incluyen
procesos como son las lagunas facultativas, lodos activados con empaque fijo o
móvil, biodiscos, biofiltro, etc. (CONAGUA, 2010)
Un reactor facultativo bien diseñado y operado no tiene malos olores ni
crecimiento de plantas acuáticas. Usualmente son de color verde el cual es
causado por las algas que producen oxígeno por la fotosíntesis.
El propósito de un reactor facultativo es remover la DBO bajo condiciones
aeróbicas, aprovechando principalmente la simbiosis entre las algas y la
bacteria; el reactor también contribuye a la remoción de patógenos a través del
largo período de retención hidráulica típico en el diseño, que permite la
sedimentación de huevos de helminto, y la mortalidad de bacteria causado por
el tiempo de retención hidráulica, por los rayos ultravioletas de la energía solar,
y el aumento en pH por las actividades de las algas.
30
A continuación podemos observar los componentes de una laguna
facultativa en donde también se puede distinguir una zona anaeróbica en los
lodos acumulados (ver Figura 5 Diagrama de laguna facultativa).
Figura 5. Diagrama de laguna facultativa con la zonas aeróbica, donde las algas
consumen CO2 y producen O2 y la bacteria consume O2 y produce CO2, y la
zona anaeróbica donde los lodos acumulan y digieren, produciendo los gases
de CO2 y CH4.
VI.2.3.1 Reacción de fotosíntesis
La Carga Orgánica Superficial por el Método de Radiación Solar es el
método más apropiado para el diseño de reactores facultativos es el de la carga
orgánica superficial, lo que depende sobre la cantidad de oxígeno producido por
las algas en la laguna ver figura 6. Ecuación balanceada de fotosíntesis
(Rittmann y McCarty, 2001).
:
31
Celdas de algas
2,428 mg 3,776 mg
1 mg 1.55 mg
1 kg 1.55 kg!
Figura 6. Ecuación balanceada de fotosíntesis (Rittmann y McCarty,
2001):
La ecuación balanceada muestra que 1 kilogramo de algas produce 1.55
kilogramos de oxígeno.
La energía del sol requerida para producir un kilogramo de celdas de algas
es de 24,000 kilo Joules (kJ) (Rittmann y McCarty, 2001). De la energía solar
que radia la superficie de una laguna facultativa, solamente un porcentaje es
utilizado por las algas como resultado de su eficiencia de conversión; la
eficiencia de conversión varía entre las especies de algas y el rango ha sido
reportado de 2 a 7% (Arceivala, 1970).
32
Con respecto a los efectos de viento y temperatura en el diseño no se
incluye el efecto de reaireación por el viento en el diseño de lagunas facultativas
porque, como discutió Oswald hace cuarenta años (1963), la ganancia del
oxígeno por reaireación es solamente una fracción de la ganancia por
fotosíntesis. Por ejemplo, el oxígeno disuelto dentro de una laguna tendría que
tener un déficit de 10 mg/L—una condición en que la laguna tendría muy malos
olores—para obtener una ganancia de 18 kg O2/ha-día por reaireación, un
factor insignificante relacionado a las ganancias por fotosíntesis (Oswald, 1963).
Se recomienda una profundidad de 1.8 a 2.0 metros en los reactores
para mantener condiciones aeróbicas en el primer metro de profundidad y tener
espacio por abajo para la acumulación de lodos. La profundidad más utilizada
es 1.8 metros. Se recomiendo una relación de largo a ancho en reactores
facultativos de por los menos 2/1 y preferiblemente 3/1 para modelar flujo de
tipo pistón. Estos reactores tienen la función principal de eliminar la DBO y los
coliformes. Para determinar el área de del reactor facultativo se recomienda
usar la relación mostrada en la Figura 7. Cargas superficiales límites para
reactores facultativos.
33
Figura 7. Cargas superficiales límites para reactores facultativos (Yañez
Cossío, 1993)
Donde
T (ºC) Temperatura del agua
Un diseño basado en esta fórmula asegura suficiente oxígeno en el
reactor (producido por las algas) y normalmente es posible cumplir solamente
un valor límite del efluente de 80mg DBO/l, incluida la DBO de las algas.
Las siguientes tablas muestran las áreas específicas necesarias para
diferentes cargas (45 y 60g DBO/(hab.•d)) y diferentes temperaturas.
34
Se calculan las áreas para los dos sistemas:
• Reactores
•"Solamente
facultativos con lagunas anaeróbicas previas
reactores facultativos
El oxigeno es producido por algas fotosintéticas e introducido por aireación
de la superficie, este, es subsecuentemente utilizado por bacterias aeróbicas
para estabilizar la materia orgánica. Figura 8 De donde viene el oxigeno.
Figura 8. De donde viene el oxigeno. (CONAGUA, 2010)
Para el mantenimiento de estos reactores, es necesaria la eliminación de
sólidos del tratamiento primario, cortar pasto en taludes, eliminación de
espumas y macrofitas de la superficie, esto se hace para maximizar la luz
incidente, aumentar la aireación y prevenir la cría de mosquitos y reparar los
taludes dañados.
35
La acumulación de lodos al fondo de un reactor facultativo puede afectar
su funcionamiento, disminuyendo el volumen y por lo tanto el tiempo de
retención hidráulica. Se debe calcular la acumulación en el diseño, y se debe
medir la acumulación en la operación y mantenimiento de un reactor facultativo
para poder preparar para la remoción de lodos.
Es posible remover de 2.0 hasta 2.5 ciclos log10 de coliformes fecales y
de 2.0 hasta 3.5 ciclos log10 de Escherichia coli en reactores facultativos con
tiempos de retención nominales de 7 a 23 días. Si el reactor está bien diseñado
hidráulicamente, con un tiempo de retención promedio que aproxima el TRH
nominal mínimo de 10 días, se debe obtener una remoción de 2.0 ciclos log10
de coliformes fecales y E. coli en reactores facultativos a temperaturas igual a
25 ° C. (Oakley,!et!al.,!2000).!
Se recomienda que, para drenar el reactor, se detenga el afluente y
enviarlo al siguiente tratamiento. Después de vaciar dicho reactor, se remueven
los lodos y se secan por un período entre uno y dos meses. La extracción de
lodos con la maquinaria debe tomar menos de una semana. Los lodos
removidos deben ser almacenados—en un sitio que no ofrezca peligro a la
población y al medio ambiente— por un período de, por lo menos, un año para
destruir los huevos viables de helmintos. Es muy importante remover los lodos
del fondo de los reactores facultativos cuando se llega a una acumulación
media de menos que 0.5 metros, y preferiblemente menos de 0.3m. Ya que se
36
forman una capa muy dura resultado del secado por evaporación, si se permite
que lleguen a una profundidad de más que 0.5 m., será casi imposible secar y
remover los lodos con maquinaria. Con una profundidad menos que 0.5 m. se
secan los lodos fácilmente por medio de evaporación y la formación de
agrietamientos. Por esta razón es fundamental diseñar planificar un programa
de mediciones de las profundidades de lodos, remoción y tratamiento de lodos,
y disposición final. (INAA, 1996).
VI.2.3.2 Señales del Buen Funcionamiento de los reactores Facultativos
Las señales de buen funcionamiento son los siguientes:
1. El agua del efluente tiene una coloración verde brillante.
2. La superficie del agua en la laguna está libre de natas y sólidos flotantes.
3. La ausencia de plantas acuáticas en la laguna y malezas en los taludes
interiores.
4. La ausencia de malos olores en la laguna.
VI.2.3.3 Problemas del Funcionamiento en Reactores Facultativos
Los problemas de funcionamiento más frecuentes en los reactores son la
acumulación de natas y materias flotantes; aparición de malos olores; desarrollo
de coloraciones café, gris/negro, amarillo/verde opaco, rosa o rojo, cual es una
37
señal que el reactor no está funcionando bien; crecimiento de malezas; y la
aparición de mosquitos y otros insectos (MOPT, 1991; WEF, 1990).
VI.2.3.4 Parámetros De Control
El control se basa en la evaluación y actuación sobre determinados
factores relacionados entre sí:
VI.2.3.4.1 Cantidad de Lodos
Cantidad de lodos que hay que mantener en el proceso respecto a la
Carga Orgánica Entrante
Para conseguir los rendimientos deseados es fundamental mantener una
carga másica (Cm), determinada, controlando los Kg de DBO5 que entran en el
tratamiento y la concentración de sólidos en suspensión en el licor mezcla
(MLSS) en el reactor.
VI.2.3.4.2 Decantabilidad de los Lodos en el Clarificador
La decantabilidad puede controlarse mediante el Índice Volumétrico de Lodos o
IVL.
VI.2.3.4.3 Tiempo de Permanencia del Lodo Activo en el Decantador
Secundario
38
El lodo del decantador debe extraerse tan pronto como se forme la manta
de lodos, cuyo espesor se recomienda que esté comprendido entre 0,3 - 1
metro, esto se controla con el disco Secchi.
VI.2.3.4.4 Concentración de Oxígeno Disuelto en el Reactor de
Aireación
La aportación de O2 al reactor debe ser suficiente para que los
microorganismos puedan respirar y oxidar la materia orgánica y debe regularse
en función de la carga orgánica que llegue al reactor.
VI.2.3.4.5 Caudal de Recirculación
Regula la concentración de sólidos en suspensión en el reactor, MLSS.
VI.2.3.4.6 Extracción de Lodos en exceso
Regula la edad del lodo y la concentración de MLSS en el reactor. Existen
otros factores que no son controlables por el operador, pero que influyen
decisivamente en el rendimiento, como son:
VI.2.3.4.6.1 Características de las Aguas Residuales Brutas
39
Caudales, concentraciones de DBO5, presencia de tóxicos e inhibidores,
etc. Es fundamental controlar el aumento puntual de la carga contaminante que
los vertidos industriales, las operaciones de limpieza del alcantarillado o la
puesta en marcha de alguna estación de bombeo parada durante largo tiempo
pueden producir en el agua de entrada a la planta, así como los aumentos de
caudal y arrastre de arenas que se producen en la época de lluvias en los
sistemas de alcantarillado.
VI.2.3.4.6.2 Calidad Exigida al Efluente
Porcentaje de eliminación de DBO5, SS, bacterias coliformes, nitrógeno,
grasas y aceites, etc. La calidad que las autoridades exijan al agua de salida de
la planta, va a determinar tanto el funcionamiento del proceso como el control
del mismo. Si se requiere un alto grado de tratamiento, el proceso deberá estar
muy controlado y probablemente se requiera de un tratamiento adicional.
VI.2.3.5 Parámetros Operacionales
Hay unos parámetros operacionales que son característicos del proceso y
cuyos rangos se deben respetar para mantener un óptimo rendimiento, son los
parámetros que se fijaron en el diseño de la planta:
VI.2.3.5.1 Carga Másica.
40
Es la relación entre la carga de materia orgánica que entra en el reactor
biológico al día y la masa de microorganismos existentes en el mismo.
Tiene una relación directa con el rendimiento de depuración que puede
dar la planta. Se expresa como:
Cm = Q * S0 / V * X (kg DBO5/kg MLVSS día)
Donde:
Q = es el caudal.
S0 = es el DBO5 de entrada;
V = es el volumen;
X = Sólidos en Suspensión Volátiles del Licor Mezcla.
VI.2.3.5.2 Edad del Lodo:
Es la relación entre la masa de lodos existentes en el reactor de aireación
y la masa de lodos purgados por unidad de tiempo, días normalmente.
Según la edad del lodo tendremos un cultivo más o menos estable con
mayor o menor capacidad para degradar la DBO. El operador debe
encontrar la edad de lodo adecuada para la planta en concreto dentro de
unos rangos que están relacionados con la carga másica. Se expresa:
41
E = V * X / Qp * Xp (días)
Donde:
Qp = caudal de purga de lodos;
Xp = Sólidos en suspensión Volátiles de los lodos purgados o lodos en exceso.
VI.2.3.5.3 Carga Volumétrica: Es la relación entre la masa de materia
orgánica que entra en el reactor, por unidad de tiempo y el volumen del
reactor. Se expresa como:
Cv = Q * S0 / V (Kg DBO5/m3 día)
VI.2.3.5.4 Rendimiento en la Depuración: Es la relación entre la masa de
la materia orgánica eliminada y la del influente que entra en el reactor
biológico. Se expresa en porcentaje de eliminación:
R= S0 - S / S0 (%)
S = DBO5 del efluente del decantador secundario.
42
VII.PLAN DE ACTIVIDADES
43
VIII. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS
Los recursos materiales necesarios para desarrollar el proyecto y así
garantizar los resultados son los siguientes:
• Libros
• Computadora
• Hojas
• Lápices y bolígrafos
Con respecto al recurso humano es necesario el trabajo de 1 estudiante y
1 asesor.
IX. DESARROLLO DEL PROYECTO
Para la elaboración del proyecto, se realizaron las actividades listadas a
continuación:
•
Revisión bibliográfica del proceso biológico aerobio, anaerobio y
facultativo.
•
Análisis técnico comparativo de los tres procesos biológicos.
•
Propuesta del diagrama del proceso aerobio anaerobio.
•
Escritura del reporte.
•
Revisión del reporte.
44
•
Entrega del reporte.
X. RESULTADOS OBTENIDOS
Con respecto a las ventajas del tratamiento anaerobio sobre el aerobio,
podemos darnos cuenta de que ya que no se emplea equipo de aireación, por
el contrario se produce ahorro en el costo de consumo energético. El coeficiente
de producción de biomasa para los procesos anaerobios es mucho menor que
para los sistemas aerobios, esto significa que se produce menos biomasa por
unidad de sustrato consumido y en consecuencia se presentan ahorros
considerables en los procesos de manejo y evacuación del exceso de lodo, a su
vez significa un menor requisito de nutrientes. En los procesos anaerobios es
posible operar a cargas orgánicas del afluente superiores a las soportadas por
el proceso aerobio, este hecho resulta de la limitación de velocidad de
transferencia de oxigeno en el proceso aerobios.
La producción de metano en los procesos anaerobios es una ventaja
debido a su valor como combustible.
Ventajas del tratamiento anaerobio:
• Es un proceso simple y sencillo de operar, aplicable en pequeña,
mediana y gran escala, para residuos industriales y domésticos.
45
•
Trabaja con altas cargas orgánicas (hasta 20 Kg. mg./l de DQO/
m3.d), soporta sin problema incremento o decremento en su
alimentación por meses.
•
El gas obtenido en los reactores puede ser utilizado en la generación
de electricidad usando alguna de las opciones de generadores, los
cuales funcionan con biogás
•
Tiene un bajo o nulo consumo de energía (eventualmente bombeo).
•
Presenta una baja producción de lodos (estabilizados).
•
Sus instalaciones compactas demandan poco espacio.
X.I Criterios Económicos
Se han analizado los siguientes costos contemplando la construcción de
un reactor integrado (aerobio-anaerobio) debido a la similitud entre las
características necesarias para la construcción.
X.1.1 Costos de la inversión:
En la inversión inicial se contemplan los aspectos siguientes:
• Construcción del Reactor
Tomando en cuenta los materiales para construcción como son tubos de
PVC, válvulas de paso, pegamento para PVC, manguera, abrazaderas, bomba
sumergible, varilla, cemento, etc.
46
• Material de laboratorio.
Solo se ha considerado el material para efectuar las pruebas de DQO
como son ácido sulfúrico concentrado, dicromato de potasio y sulfato ferroso
amoniacal.
•
Materiales e instrumentos auxiliares Tomamos en cuenta todo
aquello que es necesario para realizar las muestras de los
parámetros físicos; Termómetro, potenciómetro, guantes de hule,
mangueras de látex, etc.
• Evaluación económica
Uno de los aspectos de vital importancia para que se establezca un
proceso es su viabilidad económica, por lo cual se realizo la cotización en
diversas empresas del área del bajío (Celaya, DF, León, Querétaro), obteniendo
así los precios más accesibles.
!
Concepto
Inversión inicial
(única)
Personal
Reactivos
Mantenimiento
Energía
Total
!
PTAR
Aerobia
!
PTAR Anaerobia
4,000,000.00
3,500,000.00
130,000.00
400,000.00
60,000.00
150,000.00
$4,740,000.00
108,000.00
400,000.00
60,000.00
100,000.00
$4,168,000.00
47
Figura 9. Tabla de costos
X.1.2 Costos de Operación, Mantenimiento y Periodo de Vida útil.
El costo de operación y de mantenimiento son muy bajos debido a que la
materia prima que se utiliza en el proceso es generada por agua residual, los
cuales se colectan de manera sencilla, el mantenimiento del reactor se puede
realizar de forma mensual, tomando en cuenta que el tiempo de retención sería
aproximado a 30 días. Teniendo así periodos de mantenimiento, lo que
proporcionará al reactor un mayor periodo de vida útil.
XI. ANÁLISIS DE RIESGO
Es fundamental capacitar a los operadores en los riesgos para la salud
de su trabajo, en las medidas de seguridad que deberían tomar para prevenir
accidentes e infecciones, y las medidas de primeros auxilios. Las siguientes
medidas de seguridad
son recomendadas para operadores de lagunas de
estabilización:
48
1.
La instalación debe contar siempre con una fuente de agua limpia, jabón
y cloro. Es aconsejable utilizar toallas desechables de papel para evitar que,
debido a la necesidad de transporte para la limpieza de las toallas de tela, éstas
permanezcan demasiado tiempo sin lavar y pueden servir como un foco de
infecciones.
2. La caseta de control debe contar con un botiquín en el que se incluya, como
mínimo, tela adhesiva, algodón, alcohol, mercromina o similar, una solución
detergente desinfectante, tijeras, y pinzas, y un repelente para mosquitos e
insectos. También debe contar con extintores y un teléfono para emergencias.
3. El trabajador debe disponer de guantes y botas de hule, casco de trabajo, y
al menos dos trajes de trabajo. Todas las prendas utilizadas en la instalación
deben permanecer en ella al finalizar la jornada laboral.
4. Siempre que se vaya a comer o beber, se debe lavar las manos con agua
limpia y jabón. Si se hace alguna comida en el recinto de la instalación, se debe
designar un área para ese fin, y evitar en todo momento comer a la vez que se
está efectuando alguna labor que ponga en contacto a la comida con algún
elemento que haya estado en contacto con desechos contaminados. Lo más
recomendable es no comer cerca de desechos líquidos o sólidos depositados o
almacenados.
49
5. Todas las herramientas de trabajo deben lavarse con agua limpia antes de
ser guardadas después de haberlas usado.
6. Los cortes, arañazos y contusiones que pueda sufrir el trabajador deben
desinfectarse inmediatamente después de que se hayan producido.
7. Si el sitio dispone de electricidad, y el trabajador debe ocuparse del
mantenimiento de equipos eléctricos, debería asegurarse de que sus manos,
ropas y calzado estén siempre secos.
8. La entrada del sitio debe mantenerse cerrada cuando no existen visitas
autorizadas. Se deben recordar los riesgos higiénicos para los visitantes si no
están suficientemente informados.
9. La instalación debe disponer de una cuerda y por lo menos un salvavidas.
10. El trabajador debe vacunarse contra el tétanos, fiebre tifoidea y otras
posibles enfermedades que indiquen las autoridades sanitarias del área.
También debe someterse a un chequeo médico por lo menos una vez por año
que incluye análisis para infecciones de parásitos.
11. Todos los trabajadores deben recibir capacitación periódicamente en
primeros auxilios, seguridad y salud ocupacional.
XII. CONCLUSIONES
50
El análisis de los tipos de tratamiento biológicos para el tratamiento de
agua residual, nos deja ver que tanto el proceso aerobio como el anaerobio
cuentan con las suficientes ventajas que sugiere trabajar con procesos
integrados (aerobio – anaerobio) para tener una mejor remoción de
contaminantes. Las ventajas con las que podemos contar son las siguientes:
•
Menor consumo de oxígeno (energía)
•
Tiempos de residencia hidráulicos (TRH) menores
•
Menor producción de lodos
•
Valorización de la materia orgánica en biogás
•
Bajos costos de funcionamiento
XIII. RECOMENDACIONES
Hasta fechas recientes, los tratamientos aerobios-anaerobios han sido
los procesos industriales de depuración realizados a gran escala.
A partir de la década pasada se están imponiendo los procesos
biológicos, principalmente en depuradoras de aguas residuales cuya DBO5
supera los 1500 p.p.m, actualmente los procesos biológicos para la depuración
51
de vertidos líquidos se ha consolidado, ofreciendo estos tratamientos un medio
eficaz en la lucha para la mejora del medio ambiente.
El conocimiento del proceso, junto con los reactores integrados
desarrollados recientemente y la introducción de nuevos instrumentos para la
medida de los parámetros operativos, permitirán una mayor eficacia en el
control del tratamiento. Por otra parte, existe la posibilidad de poder automatizar
y estabilizar el sistema, al introducir tratamiento informático de datos de
operación, seguimiento y control del proceso mediante ordenadores. Todo ello
contribuye a garantizar la expansión y futuro de una PTAR en funcionamiento.
Una planta de tratamiento que cuenta con un reactor integrado nos
permite remover de forma eficiente la materia orgánica que está presente en el
agua residual a tratar; incluso tendremos un proceso de desnitrificacion para
reducir la concentración de nitrógeno con ello se mejora la calidad en el agua
tratada. De la misma forma se pueden trabajar altas cargas orgánicas con una
baja producción de lodos ya estabilizado.
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