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INFORME

PRODUCCION DE LODOS A PARTIR DE AGUAS RESIDUALES URBANAS

EN LUNAHUANÁ

I. INTRODUCCIÓN:

Para el tratamiento de las aguas residuales urbanas en el distrito de Lunahuaná, con el objetivo de obtener

nutrientes para conformación de compost y otros compuestos que pudieran ser utilizados en la agricultura, en

base a la composición de los sólidos y componentes orgánicos contenidos en las excretas humanas y de la

orina, se estaría posibilitando atacar la realidad problemática que origina la contaminación del océano,

mediante la propuesta técnica de diseño de sistemas de reactores UASB y el empleo de las enzimas y

bacterias naturales contenidas en tales efluentes urbanos.

Se ha centrado la atención en tres aspectos:

1. El tratamiento fisicoquímico de los sólidos (heces humanas que contienen una importante

composición de fosforo, potasio y materia orgánica), cuyo tratamiento con fines compostables parte

del diseño de un sistema adecuado basado en el principio de biorreactores.

2. El tratamiento de los efluentes líquidos (la orina contiene nitrógeno, fósforo y potasio,

principalmente).

3. El diseño de un biorreactor para el tratamiento de los sólidos y líquidos referidos.

Para efectos de cálculo se han empleado los datos del INEI y de la OMS para América Latina, y los criterios

técnicos de formulación de reactores modelo UASB.

II. ESTIMACIÓN DE LA MASA POBLACIONAL (según INEI 2007 -2008)

UBIGEO DEPARTAMENTO,

PROVINCIA Y DISTRITO

2006 2007 2008

Total Hombre Mujer Total Hombre Mujer Total Hombre Mujer

150508 LUNAHUANÁ 4749 2400 2349 4756 2404 2352 4763 2408 2355

UBIGEO DEPARTAMENTO,

PROVINCIA Y DISTRITO

2009 2010 2011

Total Hombre Mujer Total Hombre Mujer Total Hombre Mujer

150508 LUNAHUANÁ 4770 2412 2358 4777 2416 2361 4784 2420 2364

UBIGEO DEPARTAMENTO,

PROVINCIA Y DISTRITO

2012 2013 2014 2015

Total Hombre Mujer Total Hombre Mujer Total Hombre Mujer Total Hombre Mujer

150508 LUNAHUANA 4.791 2.424 2.367 4.798 2.428 2.370 4.805 2.432 2.373 4.812 2.436 2.376

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III. ESQUEMA DEL PROCESO: DIAGRAMA DE FLUJO

Sedimentador

Primario

Suministro de

agua cloacal

Arena, y escoria

Filtración

Plástico, maderas,

grasa

LODOS

CH4 CO2 H2S

H2O c/Sólidos Orgánicos Disueltos

Y minerales

Biogás

Tanque de dilución

Rx

A bandejas de secado

A tanques de almacenamiento

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IV. BIORREACTOR UASB (BAFA) o REACTOR ANAERÓBICO DE FLUJO

ASCENDENTE (RAFA)

EL REACTOR UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) tiene la siguiente estructura:

DESCRIPCIÓN:

Consta de un tanque con una tapa cónica hermética provista de una salida para la colección

de gases en parte superior central. Se alimenta mediante una línea en la parte inferior lateral,

y se descarga mediante una línea en la parte superior lateral del tanque.

El reactor que se utilizará para tratamiento de las aguas servidas de la población de

Lunahuaná se adaptará a las necesidades de procesar la masa estimada de 3’300,000 kg/año

de efluentes líquidos (orina), 306,000 kg/año de sólidos contenidos en el efluente (heces y

otros desechos orgánicos).

1. ASPECTOS CINÉTICOS:

Es necesario tomar en cuenta los parámetros cinéticos y estequiométricos de los diferentes

grupos tróficos dentro del biorreactor. Estos son:

a. Velocidad específica máxima de crecimiento (m): para expresar la velocidad de

crecimiento en condiciones favorables sin limitación de sustrato.

b. Rendimiento celular (Y): que indica la fracción de sustrato destinada al crecimiento

celular.

c. Constante de afinidad (K): es la avidez de un grupo trófico por un determinado sustrato.

d. Actividad específica máxima (r): referida a la cantidad máxima de sustrato utilizada por

unidad de biomasa y unidad de tiempo.

2. PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS Y NUTRIENTES:

Son necesarios para el control del proceso:

a. pH: el pH óptimo de actividad se encuentra entre:

7.2 y 7.4, para bacterias hidrofílicas.

6.0 a 6.2, para bacterias homoacetogénicas.

6.5 a 7.5, para bacterias metanogénicas hidrogen´filas o acetociasias

Existe una relación definida entre el pH, la alcalinidad y la presión parcial del CO2 (dos de

ellos condicionan al tercero).

b. Potencial Redox: debe mantenerse un valor por debajo de -350 mV

c. Temperatura: para las bacterias anaerobias existen tres zonas de temperatura:

Rango psicrófilo: 5 – 20°C

Rango mesófilo: 20 – 40°C

Rango termófilo: 50 – 70°C

La diferenciación entre estas etapas en el caso real no se aprecian bien definidas por la

presencia de las bacterias termo tolerantes, y otras variantes.

La temperatura afecta la actividad y a las constantes de equilibrio fisicoquímico.

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d. Alcalinidad: es aconsejable mantener una alcalinidad por encima de 1.5 g/l, expresada

como bicarbonato

e. Nutrientes: El proceso anaerobio tiene baja demanda de nutrientes, derivada de la baja

producción celular. La relación de nutrientes es directamente proporcional a la

concentración de sustrato (DQO) a utilizar por los microorganismos. Los nutrientes que

abastecen la demanda son el fósforo y el nitrógeno.

3. OPERACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO: (Estado Ideal)

Es necesario el monitoreo de los parámetros que permitan una operación programada, y que

permiten la detección de anomalías funcionales.

a. Parámetros fisicoquímicos en el reactor: pH, Alcalinidad.

b. Compuestos Químicos: DQO a la entrada y salida, lo que permite conocer la

efectividad del tratamiento.

c. Caudal y composición del biogás: con el DQO en el influente y efluente se puede

plantear el balance de carga orgánica en el equipo. Igualmente la variación de la

composición del caudal puede determinar problemas operacionales.

d. Balance de velocidad de carga orgánica: cuando se opera a una velocidad de carga

orgánica superior a la que es posible tratar en las condiciones de operación, se acumulan

aquellos compuestos intermedios que producidos en una etapa no pueden ser

metabolizados a la velocidad debida en la etapa siguiente. El balance debe llevar el

siguiente esquema:

𝑉𝐶𝑂𝑖 = 𝑉𝐶𝑂𝑒 + 𝑉𝐶𝑂𝑔 + 𝑉𝐶𝑂𝑚 + 𝑉𝐶𝑂𝑎

Los subíndices indican, respectivamente: i, influente; e, efluente; g, gas; m,

microorganismos; a, acumulación.

4. OPERACIÓN EN ESTADO NO ESTACIONARIO: (Estado Real)

El reactor puede desestabilizarse por:

Sobrecargas (orgánicas e hidráulicas) del equipo.

Descenso o aumento de la temperatura (choque térmico).

Aparición de sustancias tóxicas o inhibitorias (presentes en el influente o formadas

en el proceso degradativo).

Modificación significativa de las condiciones fisicoquímicas: pH, potencial redox,

temperatura.

Modificación significativa de las características internas del reactor (lavado de

biomasa, colmatación por sólidos, etc.)

5. ESTABILIDAD A LARGO PLAZO:

Ocurre cuando, operando a las mismas condiciones de comprobada eficacia y capacidad del

sistema, ocurre un cambio lento pero progresivo de:

Pérdidas de lodos en el reactor.

Pérdidas de actividad específica y deterioro del lodo.

Aparición de problemas de transferencia de materia.

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Si bien, la causa puede ser de un diseño deficiente, o la elección de un biorreactor

inadecuado, la adopción de ciertas medidas puede dar la solución.

En el primer caso, es necesario determinar la cantidad de SSV en el efluente a la

hora de valorar la eficacia de los cambios introducidos.

La pérdida de la actividad puede sobrevenir como consecuencia de la acumulación

de sólidos inorgánicos (iones metálicos, sulfatos, cuyos cationes pueden precipitar

adhiriéndose al soporte, y restan eficacia al sistema), u orgánicos de difícil

degradación, o por una toxicidad permanente. El monitoreo del % de SSV y la

actividad específica microbiológica indican la naturaleza del problema.

La distribución del efluente y la resistencia a la transferencia de materia, puede

determinar colmatación, taponamiento y la parición de caminos preferenciales.

En la detección de este tipo de problemas juega un papel importante la técnica de

determinación de la distribución de los tiempos de residencia (DTR) en el reactor.

6. DISEÑO DEL REACTOR:

Los parámetros de diseño del reactor anaerobio son los siguientes:

6.1. Área Superficial de Soporte:

El área superficial de soporte se incorpora en el concepto de carga orgánica superficial

o masa de sustrato alimentado por unidad de superficie de soporte y por unidad de

tiempo (kg DQO/m2 d). Pero, gran parte de la biomasa es atrapada entre el soporte, la

relación Área/Volumen en estos reactores no es muy importante para el diseño.

En lecho fluidizado, toda la biomasa está adherida pero no todas la partículas de soporte

están colonizadas al mismo grado, y el problema es similar. Por lo tanto, es preferible

tomar como parámetro de diseño de ambos la Carga Orgánica Másica.

6.2. CARGA ORGÁNICA MÁSICA (BX ):

Es la masa de sustrato (Kg DQO) que se alimentan por unidad de biomasa (KgSSV) y

por unidad de tiempo. La BX máxima de diseño y operación para reactores anaerobios es

de 1 kg DQO/ Kg SSV.d a 35°C. Trabajar a mayores cargas producirá acidificación del

reactor

𝐵𝑋 = 𝑄 𝑆0

𝑋𝑡𝑉

Donde:

V : Volumen del reactor (m3).

Q : Gasto (m3/d).

S0 : Concentración de sustrato (kg DQO/m3)

BX : Carga Orgánica Másica (kg DQO /kg SSV.d)

Xt : Concentración de biomasa dentro del reactor (kg SSV/m3).

(en la práctica este último valor es de difícil determinación).

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6.3. CARGA ORGANICA VOLUMÉTRICA (BV):

Es la cantidad de sustrato (kg DQO) que se introducen por unidad de volumen (m3 de

reactor) por unidad de tiempo al dia. Este parámetro es el más utilizado aquí.

𝐵𝑉 =𝑄𝑆0

𝑉

𝑘𝑔𝐷𝑄𝑂

𝑚3∗𝑑

𝐵𝑉 =𝑆0

𝑇𝑅𝐻 𝐵𝑉 = 𝐵𝑋𝑋𝑡

Donde:

BV : carga orgánica volumétrica (kg DQO/m3.d)

V : volumen del reactor (m3)

Q : gasto (m3/d)

S0 : concentración de sustrato (kg DQO/m3).

TRH tiempo de retención hidráulica (V/Q).

6.4. TIEMPO DE RETENCIÓN CELULAR (TRC o X)

Es el tiempo en días que permanece la biomasa en el reactor.

𝑇𝑅𝐶 =𝑋𝑡𝑉

𝑄𝑃𝑋𝑃 + 𝑄.𝑋0

Donde:

TRC : tiempo de retención celular (d)

V : volumen del reactor (m3)

Q : gasto de agua tratada (m3/d)

Xt : concentración de biomasa (kg SSV/m3)

Qp : Gasto de purga (m3/d)

XP : concentración de biomasa purgada (kg SSV/d)

X0 : concentración de biomasa en el efluente (kg SSV/d)

Si se desprecia el X0 en el efluente, quedará:

𝑇𝑅𝐶 =𝑋𝑡𝑉

𝑄𝑃𝑋𝑃

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1. BALANCE DE MATERIA EN REACTOR UASB

𝑴𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 − 𝑴𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 − 𝑴𝒄𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒊𝒅𝒂 + 𝑴𝒈𝒆𝒏𝒆𝒓𝒂𝒅𝒂 = 𝑴𝒂𝒄𝒖𝒎𝒖𝒍𝒂𝒅𝒂

BALANCE DE FLUJO MOLAR

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜𝑑𝑒 𝑗 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙

𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

(𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 )

+

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑗 𝑝𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛

𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

(𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 )

−

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜𝑑𝑒 𝑗 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙

𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

(𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 )

=

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑑𝑒 𝑗 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙

𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

(𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 )

𝐹𝑗0 + 𝐺𝑗 − 𝐹𝑗 = 𝑑𝑁𝑗

𝑑𝑡

2. BALANCE GLOBAL:

MASA DE ENTRADA ESTIMADA ORINA (año 2032):

6000 personas * (550 kilogramos/persona – año) = 3’300,00 kilogramos/año = 3,300 ton/año

En volumen= 3300 (ton/año)/ 1.018 (kg/m3)

MASA DE ENTRADA ESTIMADA HECES (año 2032):

6000 personas * (51 kilogramos/persona – año) = 306,000 kilogramos por año =306 ton/año

3. BALANCE PARCIAL EN EL LÍQUIDO:

a. MASA DE ENTRADA DE AGUA ESTIMADA ORINA (año 2032):

a. (3,300 ton/año)*0.90 = 2970 ton/año

b. En volumen= 3300 (ton/año)/ 1.018 (kg/m3)*0.9 = 2’917,500 m

3/año

b. MASA DE ENTRADA DE SODIO, POTASIO Y NITROGENO ÚRICO ESTIMADA

ORINA (año 2032):

i. (3,300 ton/año)*0.10 = 330 ton/año

b. En volumen= (330(ton/año)/ 1.018 (kg/m3) )*1000 kg/ton= 324,200 m

3/año

4. CARACTERÍSTICA DE LA MEZCLA:

DENSIDAD DE LA MEZCLA ENTRANTE:

𝝆𝑴𝑬𝒁𝑪𝑳𝑨 = 𝑴𝒂𝒔𝒂 𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒏𝒕𝒆

𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒏𝒕𝒆=

𝟐𝟗𝟕𝟎 + 𝟑𝟑𝟎 + 𝟑𝟎𝟔 𝒕𝒐𝒏

𝒂ñ𝒐 ∗ 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒌𝒈𝒕𝒐𝒏

(𝟑𝟐𝟒,𝟐𝟎𝟎 +𝟐𝟗𝟏𝟕𝟓𝟎𝟎)𝒎𝟑/𝒂ñ𝒐= 𝟏.𝟏𝟏𝟏𝟐 𝒌𝒈/𝒎𝟑

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5. CALCULOS COMPLEMENTARIOS:

Fuente Orina (kg/año) Moles/año Heces (kg/año) Moles/año Moles totales

Urea 64834,0 1080,0 3857,2 64,3 1144,3

Potasio 13170,0 337,7 1800,0 46,2 383,9

Fósforo 1200,0 38,7 600,0 19,4 58,1

Nitrógeno 1800,0 128,6 128,6

P2O5 2752,0 19,4 19,4

K2O 4390,0 46,6 46,6

Masa total : 79204 14499,2

Volumen total entrante: la proporción es de 90:10, respecto a la masa total:

2’917,500 m3/año + 324,200 m

3/año = 3’241,700 m

3/año

El volumen a procesar es de 3’241,700 m3/año.

El reactor es de tipo flujo continuo, y deduciendo la ecuación de diseño a partir de la ecuación del

balance molar:

𝑉𝑟 = 𝐶0 − 𝐶𝑓

−𝑟𝑗

𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒: 𝑟𝑗 ∶ 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝐶𝑜 :𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙

𝐶𝑓 :𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙

La concentración inicial: C0 = Masa total/Volumen total

𝜌0 = 79204 + 14499,2 𝑘𝑔/𝑎ñ𝑜

3′241,700 𝑚3/𝑎ñ𝑜= 0,0289 𝑘𝑔/𝑚3

𝐶0 = 𝑀𝑜𝑙𝑒𝑠

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛

=

𝑀𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑈𝑟𝑒𝑎 + 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐾2𝑂 + 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑁2 + 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑃2𝑂5 + 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐾 + 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑃𝑎ñ𝑜

3′241,700𝑚3

𝑎ñ𝑜

𝐶0 =

1144,3 + 46,6 + 128,6 + 19,4 + 383,9 + 58,1 𝑎ñ𝑜

3′241,700𝑚3

𝑎ñ𝑜

𝐶𝑜 = 1780,9

3′700= 5.5 ∗ 10−4𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠/𝑚3

𝑆𝑖 𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 𝑎𝑙 90%, 𝑡𝑒𝑛𝑑𝑟𝑒𝑚𝑜𝑠 𝐶𝑓

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𝐶𝑓 = 𝐶0 1 − 𝑥 = 5.5 ∗ 10 −4 1−0.9 = 5.5 ∗ 10−5 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠/𝑚3

Por lo tanto:

a) Si la cinética es de 0rden Cero:

−𝑟 𝑗 = 𝐾

𝑉𝑟 = 𝐶0 − 𝐶𝑓

−𝑟 𝑗=

0,000495

𝐾

b) Si fuese de Primer Orden:

− 𝑟 𝑗 = 𝐾 𝐶0 1 − 𝑥 = 5.5 ∗ 10−4 ∗ 0,1 ∗ 𝐾 = 5.5 ∗ 10−5 𝐾

𝑉𝑟 = 𝐶0 − 𝐶𝑓

−𝑟 𝑗=

4.95 ∗ 10−5

5.5 ∗ 10−5𝐾= 0,9 ∗ 𝐾

Con estos procesos de biomasa retenida, se consiguen tiempos de retención de sólidos entre

10 y 100 veces mayores que en los digestores convencionales de mezcla completa. Con ello

se obtienen tiempos hidráulicos de retención notablemente inferiores y permiten un

incremento en la cantidad o volumen de carga a degradar.