análisis comparativo entre medios de soporte fijo de
TRANSCRIPT
Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería
1-1-2004
Análisis comparativo entre medios de soporte fijo de plástico, Análisis comparativo entre medios de soporte fijo de plástico,
grava y guadua, en reactores anaerobios de flujo a pistón para el grava y guadua, en reactores anaerobios de flujo a pistón para el
tratamiento de agua residual doméstica tratamiento de agua residual doméstica
Cesar Alejandro Méndez Hernández Universidad de La Salle, Bogotá
Ingrith Dianey Rodríguez Monroy Universidad de La Salle, Bogotá
Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria
Citación recomendada Citación recomendada Méndez Hernández, C. A., & Rodríguez Monroy, I. D. (2004). Análisis comparativo entre medios de soporte fijo de plástico, grava y guadua, en reactores anaerobios de flujo a pistón para el tratamiento de agua residual doméstica. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria/1778
This Trabajo de grado - Pregrado is brought to you for free and open access by the Facultad de Ingeniería at Ciencia Unisalle. It has been accepted for inclusion in Ingeniería Ambiental y Sanitaria by an authorized administrator of Ciencia Unisalle. For more information, please contact [email protected].
ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE MEDIOS DE SOPORTE FIJO DE PLÁSTICO, GRAVA Y GUADUA, EN REACTORES ANAEROBIOS DE FLUJO A
PISTÓN PARA EL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA
CESAR ALEJANDRO MÉNDEZ HERNÁNDEZ
INGRITH DIANEY RODRÍGUEZ MONROY
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA
BOGOTA D.C. 2004
ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE MEDIOS DE SOPORTE FIJO DE PLÁSTICO, GRAVA Y GUADUA, EN REACTORES ANAEROBIOS DE FLUJO A
PISTÓN PARA EL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA
CESAR ALEJANDRO MÉNDEZ HERNÁNDEZ
INGRITH DIANEY RODRÍGUEZ MONROY
Proyecto de grado para optar al título de
Ingeniero Ambiental y Sanitario
Director
ROBERTO RAFAEL BALDA AYALA Ingeniero de Alimentos
Msc., Ingeniería Sanitaria
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTALY SANITARIA
BOGOTA D.C. 2004
Nota de Aceptación _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________ _____________________________
_____________________________ Director
_____________________________ Jurado
_____________________________ Jurado
Bogotá D.C., Octubre 12 de 2004
A Dios y a nuestros Padres, por
permitirnos culminar esta etapa de
nuestra formación.
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus agradecimientos a:
El Director del proyecto, Ingeniero Roberto Balda, por su acompañamiento y
aporte técnico y conceptual.
El Ingeniero Oscar Javier Pérez, por su colaboración en el desarrollo del proyecto.
El Docente Jorge Otero, por su aporte en los análisis microbiológicos realizados
durante la investigación.
La comunidad del barrio El Oasis, por permitirnos desarrollar allí el proyecto; en
especial a la señora Gloria León y al señor José Celada, por su constante
colaboración.
Los monitores del laboratorio de Ingeniería Ambiental y Sanitaria de la Universidad
de la Salle, por su colaboración y orientación en el desarrollo de las prácticas.
TABLA DE CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………… 1 OBJETIVOS……………………………………………………………………….... 3 1. MARCO TEÓRICO…………………………………………………………….. 4 1.1 AGUA RESIDUAL DOMESTICA…………………………………………….. 4 1.2 DIGESTIÓN ANAEROBIA DE LAS AGUAS RESIDUALES……………… 6 1.2.1 Microbiología del proceso de digestión anaerobia……………………… 9 1.2.2 Factores ambientales que inciden en la digestión anaerobia…………. 13 1.3 TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LAS AGUAS RESIDUALES………….. 16 1.4 REACTORES ANAEROBIOS DE FLUJO A PISTON (RAP)……………… 20 1.5 MEDIOS DE SOPORTE FIJO ……………………………………………….. 23 1.6 ÁREA EN LA QUE SE DESARROLLÓ EL PROYECTO………………….. 25 2. METODOLOGÍA………………………………………………………………… 27 2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO……………………………… 27
Pág.
2.2 CARACTERISACIÓN DEL AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA AFLUENTE………………………………………………………………………..... 30 2.3 CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LOS MEDIOS DE SOPORTE EMPLEADOS………………………………….…………………………………..... 32 2.4 DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO……………….……………… 35 2.4.1 Determinación del caudal de diseño……………………………………… 36 2.4.2 Diseño del desarenador - trampa de grasas……………….…………… 36 2.4.3 Diseño de los reactores anaerobios de flujo a pistón…………………... 38 2.4.3.1 Diseño de la primera cámara de los reactores anaerobios de flujo a pistón…………………………………………………………………………. 38 2.4.3.2 Diseño de la segunda cámara de los reactores anaerobios de flujo a pistón…………………………………………………………………………. 41 2.4.3.3 Diseño de la tercera cámara de los reactores anaerobios de flujo a pistón…………………………………………………………………………. 44 2.4.4 Diseño del sedimentador……………………………………………….. 47 2.5 CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA………………………………………………………….. 49
Pág.
2.6 ARRANQUE E INOCULACIÓN DE LOS REACTORES ANAEROBIOS DE FLUJO A PISTÓN…………………..…………………………………………. 56
2.7 CONTROL Y SEGUIMIENTO DE LOS REACTORES ANAEROBIOS DE FLUJO A PISTÓN……………………………………………………………… 57 2.8 CARACTERIZACIÓN MICROBIOLÓGICA DE LA BIOPELÍCULA DESARROLLADA EN LOS MEDIOS DE SOPORTE………………………….. 59 2.9 CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE LODO Y METANO EN LA TRANSFORMACIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA……………………… 59 3. RESULTADOS Y ANÁLISIS………………………………………………… 62 3.1 CARACTERÍSTICAS DEL AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA AFLUENTE…………………………………………………………………………. 62 3.2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS MEDIOS DE SOPORTE EMPLEADOS………………………………………………………………………. 63 3.3 RESPUESTA DE LOS REACTORES ANTE EL ARRANQUE E INOCULACIÓN…………………………………………………………………… 65 3.4 EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LOS REACTORES ANAEROBIOS DE FLUJO A PISTÓN……………………………………………. 67 3.4.1 Análisis de los resultados de la evaluación de parámetros in situ……. 67 3.4.2 Análisis de los resultados de la evaluación de los parámetros medidos en laboratorio……………………………………………………………... 69
Pág.
3.4.2.1 Demanda Química de Oxígeno (DQO)……………………………….. 70 3.4.2.2 Sólidos Suspendidos Totales (SST)………………………………….. 73 3.4.2.3 Alcalinidad y Ácidos Grasos Volátiles (AGV)………………………… 75 3.5 RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN MICROBIOLÓGICA DE LA BIOPELÍCULA DESARROLLADA EN CADA MEDIO DE SOPORTE…… 79 3.6 PRODUCCIÓN DE METANO Y LODO EN LA TRASNFORMACIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA……………………………………………………… 81 4 MODELO DE SIMULACIÓN MATEMÁTICA……………………………….. 83 4.1 CÁLCULO DE LA CONSTANTE CINÉTICA DE REMOCIÓN……………. 83 4.2 OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN O MODELO MATEMÁTICO…………… 85 4.3 APLICACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO EN CADA UNO DE LOS REACTORES CON SU RESPECTIVO MEDIO DE SOPORTE……………………………………………………………………….. 86 5 MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO PARA EL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS EMPLEADO PARA LA INVESTIGACIÓN……………………………………………………… 88 5.1 OPERACIÓN GENERAL DEL SISTEMA………………………………….. 88
Pág.
5.2 CONTROL Y SEGUIMIENTO DEL SISTEMA……………………………… 88
5.3 OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LAS UNIDADES DEL SISTEMA…………………………………………………………………………….. 90 5.3.1 Retención de sólidos………………………………………………………… 90 5.3.2 Tubería de conducción………………………………………………………. 91 5.3.3 Desarenador y trampa de grasas…………………………………………... 92 5.3.4 Tubería de alimentación de los reactores…………………………………. 94 5.3.5 Reactores anaerobios de flujo a pistón con medios de soporte de plástico, grava y guadua…………………………………………………………….. 95 5.3.6 Sedimentadores………………………………………………………………100 5.3.7 Lechos de secado…………………………………………………………….101 CONCLUSIONES…………………………………………………………………….102 RECOMENDACIONES………………………………………………………………105 ANEXOS……………………………………………………………………………….106 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………. 125
INDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Composición típica de las aguas residuales domesticas………………. 4 Tabla 2. Poblaciones microbianas típicas de la biopelícula que se forma……… 12 en los medios de soporte. Tabla 3. Clasificación de los procesos de tratamiento anaerobio………………...17 Tabla 4. Ventajas y desventajas del tratamiento anaerobio de las aguas residuales………………………………………………………………………………..20 Tabla 5. Requerimientos de los materiales para ser empleados como medios de soporte……………………………………………………………………...24 Tabla 6. Análisis fisicoquímicos realizados al agua residual del barrio el Oasis…………………………………………………………………………………..31 Tabla 7. Distribución de los medios de soporte dentro de las cámaras de cada uno de los reactores……………………………………………………………..35 Tabla 8. Balance de cargas para la determinación del tiempo de retención En cada una de las cámaras de los reactores anaerobios de flujo a pistón…….39 Tabla 9. Análisis fisicoquímicos realizados al afluente y efluente de cada uno de los reactores anaerobios de flujo a pistón…………………………………..58 Tabla 10. Características Fisicoquímicas del agua residual doméstica del barrio el Oasis…………………………………………………………………………...62
Pág. Tabla 11. Características de los medios de soporte empleados en la investigación……………………………………………………………………………..63 Tabla 12. Resultados de la evaluación de parámetros in situ……………………. 68 Tabla 13. Análisis microbiológicos realizados a la biopelícula desarrollada en los medios de soporte empleados (plástico, grava y guadua)………………….79 Tabla 14. Consolidado semanal de la producción teórica de metano en cada uno de los RAP…………………………………………………………………………..81 Tabla 15. Consolidado semanal de la producción teórica de lodo en cada uno de los RAP…………………………………………………………………………..82 Tabla 16. Constantes cinéticas de remoción de DQO para cada reactor…………84 Tabla 17. Constantes propias de los medios de soporte a emplear en el modelo……………………………………………………………………………………86 Tabla 18. Comparación de los valores de la concentración de DQO obtenidos de manera práctica y Teórica…………………………………………………………..87 Tabla 19. Análisis que se deben realizar al sistema para ejercer un control del funcionamiento del mismo………………………………………………………….89
INDICE DE FIGURAS
Pág. Figura 1. Variación típica diaria de los caudales de agua residual doméstica….. 5 Figura 2. Desarrollo secuencial de la digestión anaerobia………………………… 9 Figura 3. Corte transversal de un reactor anaerobio de flujo a pistón (RAP)….. 21 Figura 4. Medio de soporte sintético, Roseta plástica……………………………. 33 Figura 5. Alturas determinadas en el diseño de cada cámara en el reactor anaerobio de flujo a pistón…………………………………………………………….40 Figura 6. Alturas determinadas en el diseño del sedimentador de cada reactor anaerobio de flujo a pistón……................................................…………..48
INDICE DE GRÁFICAS
Pág. Gráfica 1. Arranque y estabilización del sistema RAP alimentado con agua residual del barrio el Oasis teniendo en cuenta la variación de la concentración de DQO………………………………………………………………….66 Gráfica 2. Comportamiento de DQO con respecto al tiempo de funcionamiento de las unidades RAP alimentadas con agua residual del barrio el Oasis………………………………………………………………………..70 Gráfica 3. Eficiencias de remoción de DQO con respecto al tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis……………………………………………………………………………72 Gráfica 4. Concentración de Sólidos Suspendidos con respecto al tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis…...……………………………………………………………………….73 Gráfica 5. Eficiencia de Remoción de Sólidos Suspendidos con respecto al tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis……………………………………………………………………….74 Gráfica 6. Producción de Ácidos Grasos Volátiles en los RAP con respecto al tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis………………………………………………………………………76 Gráfica 7.Alcalinidad del sistema con respecto al tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis…………77 Gráfica 8. Relación AGV / Alcalinidad con respecto al tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis…………78
INDICE DE FOTOS
Pág.
Foto 1. Medios de soporte fijo empleados en la investigación……………………..23 Foto 2. Acometida para la captación del agua residual del barrio el Oasis………28 Foto 3. Desarenador y trampa de grasas…………………………………………….29 Foto 4. Reactores Anaerobios de flujo a Pistón (RAP)………………..……………30 Foto 5. Punto de muestreo (Emisario final de la red de alcantarillado del barrio el Oasis)…………………………………………………………………………..31 Foto 6. Medios de soporte fijo empleados (roseta plástica, grava media y anillos de guadua)……………………………………………………………………….32 Fotos 7 a 9. Medición de nivel…………………………………………………………50 Fotos 10 a 18. Proceso de construcción del sistema de tratamiento……………...51 Fotos 19 a 21. Impermeabilización del sistema de tratamiento……………………52 Fotos 22 a 24. Perforación de la pared del Pozo……………………………………52 Fotos 25 a 26. Adaptación de acometida…………………………………………….52 Fotos 27 a 29. Instalación de tubería de conducción……………………………….53
Pág.
Foto 30. Instalación del sistema de conducción de flujo a los desarenadores…...53 Foto 31. Instalación del sistema de división del flujo que alimenta a los Reactores..………………………………………………………………………………..54 Fotos 32 a 33. Instalación de válvulas para conducción de lodos…………………54 Foto 34. Instalación de Feed Well……………………………………………………..54 Foto 35. Instalación de mangueras para conducción del efluente de los reactores…………………………………………………………………………..55 Foto 36. Ubicación de los medios de soporte dentro de los reactores……………55 Foto 37. Inoculación del sistema con lodo anaerobio proveniente de la PTAR del municipio de Tenjo…………………………………………………………………..57
INDICE DE ANEXOS
Pág. ANEXO A. RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LOS REACTORES ANAEROBIOS DE FLUJO A PISTÓN..............................107 ANEXO A1. Eficiencia de remoción de la turbiedad en el sistema con respecto al tiempo….…….……………………………………………………………..107 ANEXO A2. Consolidado del comportamiento de la DQO en el sistema………..108 ANEXO A3. Tabla de consolidado del comportamiento de los Sólidos Suspendidos Totales en el sistema…………………………………………………..109 ANEXO A4. Tabla de consolidado del comportamiento de los Sólidos sedimentables en el sistema….………………….…………………………………...110 ANEXO A5. Tabla de consolidado del comportamiento de la Alcalinidad en el sistema..…………………………………………………………………………..111 ANEXO A6. Tabla de consolidado del comportamiento de los Ácidos Grasos Volátiles en el sistema………………………………………………………..112 ANEXO A7. Grafica de la producción de lodo con respecto al tiempo……….....113 ANEXO A8. Grafica de la producción de metano con respecto al tiempo..........113 ANEXO A9. Memorias de cálculo de la producción de lodo y metano ..………...114
Pág.
ANEXO B. PLANOS DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO EMPLEADO PARA LA INVESTIGACIÓN ANEXO B1. Flujograma y planta del sistema de tratamiento del barrio el oasis. ANEXO B2. Vista de planta y corte transversal (A-A’) del desarenador y trampa de grasas. ANEXO B3. Vista de planta y corte transversal (A-A’) de los reactores anaerobios de flujo a pistón. ANEXO B4. Vista de planta y cortes longitudinales (A-A’) (B-B’) Y (C-C’) de los reactores anaerobios de flujo a pistón. ANEXO C. SOPORTE FOTOGRAFICO………………………………………….…115 ANEXO C1. Terreno antes de la construcción………………………..…………...115 ANEXO C2. Terreno después de la construcción……………………………….….115 ANEXO C3. Etapa de construcción………………………………………………..…115 ANEXO C4. Etapa de construcción……………………………………………..……115
ANEXO C5. Etapa de construcción………………………………………….……….116
ANEXO C6. Etapa de construcción…………………………………………………..116
Pág. ANEXO C7. Etapa de construcción………………………………………………..…116 ANEXO C8. Etapa de construcción…………………………………………………..116 ANEXO C9. Funcionamiento del sistema……………………………………………116 ANEXO C10. Funcionamiento del sistema………………………………………….116 ANEXO C11. Funcionamiento del sistema………………………………………….117 ANEXO C12. Ubicación de los medios de soporte…………………………………117 ANEXO C13. Medio Plástico………………………………………………………….117 ANEXO C14. Medio Grava……………………………………………………………117 ANEXO C15. Medio Guadua………………………………………………………….117 ANEXO C16. Inoculación del sistema……………………………………………….117 ANEXO C17. Producción de metano..………………………………………….…...118 ANEXO C18. Purga de Lodos……………………………………..………………....118
ANEXO C19. Mantenimiento del desarenador……………………………………...118 ANEXO C20. Sólidos removidos en el desarenador……………………………….118
Pág. ANEXO D. CONSOLIDADO DE MEMORIAS DE CALCULO……………………..119 ANEXO D 1. Parámetros de diseño……..…………………………………………...119 ANEXO D 2. Diseño del desarenador…………………………………..……………119 ANEXO D 3. Diseño de la primera cámara de los reactores……………………...120 ANEXO D 4. Diseño de la segunda cámara de los reactores…………………….120 ANEXO D 5. Diseño de la tercera cámara de los reactores…………………........121 ANEXO D 6. Diseño del sedimentador de los reactores…………………………..121 ANEXO D 7. Consolidado de los datos del diseño de los reactores……………..121
ANEXO E. MODELO MATEMÁTICO ……………………………………………….122 ANEXO E1. Determinación de la constante cinética de remoción en cada uno de
los reactores…………………………………………………………………………….122
ANEXO E2. Desarrollo del balance de masa de los reactores anaerobios para la obtención de la ecuación que define el modelo matemático…………..…124
ANEXO E3. Memoria de cálculo de la concentración teórica de la DQO mediante la aplicación del modelo matemático……………………………………..125 ANEXO E4. Gráficas de la concentración teórica y práctica de la DQO………...126
ANEXO E5. Ejemplo de aplicación del modelo matemático en el diseño a escala real de un reactor anaerobio de flujo a pistón para el tratamiento de aguas residuales del barrio el oasis………………………………………………127
RESUMEN
Teniendo en cuenta la importancia de los medios de soporte en los tratamientos
anaerobios que emplean el mecanismo de película bacterial adherida, se realizó
un análisis comparativo entre los más utilizados, como lo son el plástico y la grava,
y adicionalmente la guadua como un medio no convencional. Para ello se
construyó un sistema de tratamiento de agua residual doméstica a escala piloto en
el barrio el Oasis de la localidad de Usme, compuesto por una estructura de
captación, un tratamiento preliminar por medio de canales desarenadores con
cámara trampa - grasas y tres reactores anaerobios de flujo a pistón, cada uno
con su correspondiente medio de soporte. Dicha comparación fue realizada
durante un periodo de veinte semanas que contemplaron el arranque, la
estabilización y la operación del sistema.
Como resultado de la investigación, se determinó que el medio plástico permitió
obtener las mejores condiciones operacionales y eficiencias de remoción de DQO
Y SST (79 y 81% respectivamente). No obstante la guadua, presentó un
desempeño favorable lo cual permite establecer que el uso de este material como
medio de soporte se constituye en una alternativa viable puesto que, además de
alcanzar eficiencias de remoción considerables (71% de DQO Y 73% de SST), su
costo es bajo con respecto a los demás medios de soporte empleados.
ABSTRACT
Taking into account the importance of the support media for anaerobic treatment
using the bacterial fixed film mechanism, a comparative analysis was made
between the most used material, like Plastic and Grava; and Guadua as a non –
conventional medium; hence a system for the treatment of domestic wastewater at
pilot scale was built , located at “El Oasis”, a neighborhood of Usme, it was
composed by a structure to receive raw wastewater, a preliminary treatment using
channels to remove sand, and oil traps plus three plug flow anaerobic reactors,
each one with its corresponding fixed medium; The comparison of the media was
done during a twenty weeks period including the start - up, stabilization, and
operation of the system.
As a result of the investigation, it was determined that the plastic medium allowed
the best operational conditions with COD and TSS removal efficiencies (79 and
81% respectively). Nevertheless Guadua showed a favorable performance which
shows that this material used as a fixed medium results a viable option since
efficiencies are satisfactory (71% of COD and 73% of TSS). Its costs are low in
compared to other fixed media.
GLOSARIO
ACIDOS GRASOS VOLÁTILES (AGV): son productos de la fermentación ácida
entre los que se tienen los ácidos fórmico, acético, propiónico o láctico, butírico,
valérico, isovalérico y cáprico.
ALCALINIDAD: la alcalinidad de un agua residual está provocada por la presencia
de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos como el calcio, el
magnesio, el sodio, el potasio o el amoniaco. La alcalinidad ayuda a regular los
cambios del pH, producidos por la adición de ácidos.
BUJE: accesorio hidráulico instalado en las tuberías el cual sirve para cambiar de
un diámetro a otro.
CARBONO ORGANICO TOTAL (COT): es la medida del contenido total en
carbono de los compuestos orgánicos presentes en las aguas. Se refiere tanto a
compuestos orgánicos fijos como volátiles, naturales o sintéticos.
CARGA ORGÁNICA: producto de la concentración de DBO o la DQO por el
caudal; se expresa en kilogramos por día (kg/d).
CARGA VOLUMETRICA: carga orgánica aplicada a un proceso de tratamiento
dado por unidad de volumen (Kg. DQO/ m3- día).
DEMANDA BIOQUIMICA DE OXÍGENO (DBO): cantidad de oxígeno usado en la
estabilización de la materia orgánica carbonácea y nitrogenada por acción de los
microorganismos en condiciones de tiempo y temperatura especificados
(generalmente cinco días y 20º C). Mide indirectamente el contenido de materia
orgánica biodegradable.
DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO): medida de la cantidad de oxígeno
requerido para oxidación química de la materia orgánica del agua residual, usando
como oxidantes sales inorgánicas de permanganato o dicromato en un ambiente
ácido y a altas temperaturas.
DEGRADACIÓN: capacidad de descomposición biológica o química de los
compuestos orgánicos. Se desarrolla principalmente, en razón de los procesos
metabólicos de microorganismos.
DIGESTIÓN ANAEROBIA: degradación de la materia orgánica en ausencia de
oxígeno molecular por efecto de microorganismos. Usualmente va acompañada
de la generación de ácidos y gas metano.
FILTRO ANAEROBIO: consiste en una columna llenada con varios tipos de
medios sólidos usados para el tratamiento de la materia orgánica carbonácea en
aguas residuales.
FEED WELL: en este caso se denomina fedd well a la tubería que alimenta los
sedimentadores con el agua residual proveniente de la tercera cámara de los
reactores.
INOCULACIÓN: Incorporación de lodos biológicamente activos al proceso unitario
(reactor biológico) con el objeto de acelerar la etapa inicial del proceso en el
tratamiento biológico de aguas residuales.
INTERSTICIOS: espacios vacíos que quedan entre partículas, este espacio esta
definido como la porosidad del medio medida en porcentaje.
MUESTRA SIMPLE: es una muestra recogida en un tiempo y lugar específicos, y
puede representar la composición de la fuente sólo en este tiempo y lugar. No
obstante, pueden existir casos en los que la composición no cambie y en este
caso una muestra simple tomada al azar es representativa.
MUESTRA COMPUESTA: combinación de muestras individuales de agua o agua
residual tomadas a intervalos predeterminados a fin de minimizar los efectos de
variabilidad de la muestra individual.
OXIDACIÓN: conversión de materia orgánica en formas más simples y estables
con liberación de energía. Esto se puede lograr con medios químicos o biológicos.
Adición de oxígeno a un compuesto.
PLANTA PILOTO: planta de tratamiento a escala de laboratorio o técnica, que
sirve para el estudio de la tratabilidad de un desecho líquido o la determinación de
las constantes cinéticas y los parámetros de diseño del proceso.
SINTROFIA: interacción de microorganismos que en vez de competir por el mismo
nutriente, colaboran para llevar a cabo una transformación determinada que
ninguno otro de los que intervienen en el proceso podría realizar por si mismo, ya
que el producto metabólico de un grupo microbiano se constituye en el sustrato de
otro.
SUSTRATO: alimento suministrado a los microorganismos; en este caso se
entiende por sustrato la materia orgánica contenida en el agua residual domestica.
TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO: tiempo medio que se demoran las
partículas de agua en un proceso de tratamiento. Usualmente se expresa como la
razón entre el caudal y el volumen útil.
TRATAMIENTO ANAEROBIO: es un proceso biológico en ausencia de oxígeno en
donde los microorganismos convierten los compuestos orgánicos a metano,
dióxido de carbono y materia celular, principalmente.
TRATAMIENTO BIOLÓGICO ANAEROBIO DE CRECIMIENTO ADHERIDO:
tratamiento en el cual el agua residual es puesta en contacto con la película
bacterial anaerobia adherida a un medio de soporte especifico. Un ejemplo de este
tipo de tratamiento es el RAP.
TRATAMIENTO BIOLÓGICO ANAEROBIO DE CRECIMIENTO SUSPENDIDO:
este tipo de tratamiento se efectúa por contacto del agua residual con un lodo
granulado o floculento en el cual se desarrollan los microorganismos. Un ejemplo
de este tratamiento es el UASB.
TRATAMIENTO PRELIMINAR: operaciones unitarias, como el tamizado, el
triturado y la remoción de arena gruesa, que preparan a las aguas residuales para
su tratamiento posterior.
UNIVERSAL: accesorio hidráulico que permite hacer una división en cualquier
punto de la tubería, principalmente para realizar el mantenimiento de la misma.
1
INTRODUCCIÓN
Entre las tecnologías empleadas para el tratamiento de aguas residuales, los
sistemas biológicos anaerobios han presentado un incremento en su aceptación y
utilización debido a que ofrecen características favorables frente a los tratamientos
aerobios y convencionales. Entre ellas cabe citar la menor generación de lodos,
menor área requerida para la construcción de las unidades de tratamiento y menor
demanda de energía, aspectos que en general representan una disminución en los
costos de implementación, operación y mantenimiento.
Dentro de los procesos anaerobios, el mecanismo de película bacterial adherida
que emplea un medio de soporte fijo, es una alternativa que ha presentado
resultados satisfactorios en el tratamiento de aguas residuales domésticas e
industriales de baja y alta tasa, aún cuando no se cuenta con una base técnica
que determine el medio de soporte que permite alcanzar una alta eficiencia de
remoción de contaminantes a bajo costo.
Por tal razón el objetivo principal de esta investigación fue realizar un análisis
comparativo entre el plástico, la grava y la guadua como medios de soporte, para
determinar cual de ellos se constituía en la mejor alternativa por favorecer el
crecimiento de la biopelicula y por permitir obtener la más alta eficiencia de
2
remoción de contaminantes en el tratamiento anaerobio de aguas residuales
domésticas.
Para ello, en el barrio el Oasis de la localidad de Usme se construyó un sistema de
tratamiento a escala piloto compuesto por una estructura de captación, un
tratamiento preliminar por medio de canales desarenadores y trampa de grasas y
tres reactores anaerobios de flujo a pistón, cada uno con su correspondiente
medio de soporte.
Para evaluar el desempeño de los materiales empleados, se realizaron análisis
fisicoquímicos al afluente y efluente de cada uno de los reactores; además de una
caracterización física de los medios de soporte y microbiológica de la biopelícula
desarrollada sobre la superficie de los mismos. Dicha evaluación fue realizada
durante un periodo de veinte semanas que contemplan el arranque, la
estabilización y la operación del sistema.
3
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Realizar un análisis comparativo entre plástico, grava y guadua como medios de
soporte fijo, para determinar cual de ellos permite obtener la más alta eficiencia
de remoción de contaminantes en el tratamiento anaerobio de aguas residuales
domésticas.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Definir las características físicas de los medios a emplear en el tratamiento
anaerobio.
Diseñar a nivel piloto tres reactores anaerobios de flujo a pistón.
Poner en funcionamiento los tres reactores con los medios definidos.
Realizar un análisis de los principales parámetros fisicoquímicos en el afluente y
efluente de cada uno de los reactores piloto
Aplicar un modelo matemático que permita obtener datos de variables que sirvan
de indicadores de la eficiencia en cada uno de los reactores.
Validar el modelo matemático con los resultados de los análisis de laboratorio.
Determinar cuál es el medio de soporte que permite mejor desarrollo,
comportamiento y adhesión de la biomasa.
Establecer los requerimientos de operación y funcionamiento del sistema.
4
1. MARCO TEÓRICO
1.1. AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA
Las aguas residuales domésticas son desechos líquidos provenientes de la
actividad humana en residencias, edificios e instituciones; éstas están
contaminadas con materia orgánica fácilmente biodegradable (40-60% de
proteínas, 25-50% de carbohidratos y 10% de lípidos, con trazas de otros
compuestos). La materia orgánica puede encontrarse como carbono disuelto
(Carbono Orgánico Disuelto, COD) o en forma particulada (Carbono Orgánico
Particulado, COP)1. En la tabla 1, se muestra la composición típica de las aguas
residuales domésticas en cuanto a sus constituyentes físicos y químicos.
Tabla 1. Composición típica de las aguas residuales domésticas.
CONCENTRACIÓN PARAMETRO UNIDADES BAJA MEDIA ALTA Sólidos Totales Sólidos Disueltos Totales Sólidos Disueltos Fijos Sólidos Disueltos Volátiles Sólidos Suspendidos Totales Sólidos Suspendidos Fijos Sólidos Suspendidos Volátiles Sólidos Sedimentables DBO COT DQO Nitrógeno Total Nitrógeno Orgánico Nitrógeno Amoniacal Nitritos Nitratos Fósforo Total Fósforo Orgánico Fósforo Inorgánico Cloruros Alcalinidad Grasas
mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L ml/L mg/L mg/L mg/L
mg/L – N mg/L – N mg/L – N mg/L – N mg/L – N mg/L – P mg/L – P mg/L – P mg/L – Cl
mg/L- CaCO3 mg/L
350 250 145 105 100 20 80 5
110 80
250 20 8
12 0 0 4 1 3
30 50 50
720 500 300 200 220 55
165 10
220 160 500 40 15 25 0 0 8 3 5
50 100 100
1200 850 525 325 350 75
275 20
400 290
1000 85 35 50 0 0
15 5
10 100 200 150
Fuente: METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas Residuales: Tratamiento, vertido y reutilización. Tercera edición. México: Mc Graw Hill, 1997. Tomo I. p. 125
1 http://www.unavarra.es/. Principios y microbiología del tratamiento de aguas residuales. Consultado el 29 de abril de 2004.
5
Uno de los principales problemas asociados con la composición de las aguas
residuales domésticas tiene que ver con sus constituyentes biológicos, ya que son
las aportantes de microorganismos patógenos. Los agentes infecciosos
potencialmente presentes en el agua residual doméstica y que son considerados
como los de mayor representatividad por ser los causantes de enfermedades de
tipo gastrointestinales, son: Escherichia Coli, Salmonella Typhi, Vibrio Cholerae,
Entamoeba Histolytica, Giardia Lambia.
Otro aspecto importante a tener en cuenta en las características del agua residual
doméstica pero que no se trata de sus constituyentes fisicoquímicos y biológicos,
tiene que ver con las variaciones de los caudales generados. Una curva típica de
la descarga de aguas residuales, para un alcantarillado sanitario, sin conexión de
aguas lluvias y suponiendo que la infiltración es despreciable, es la que se
observa en la figura 1.
Figura 1. Variación típica diaria de los caudales de agua residual doméstica.
Fuente: ROMERO ROJAS Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales: Teoría y principios de diseño. Colombia: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2000. p. 27
6
Como se puede observar en la figura anterior, los caudales mínimos ocurren en
las primeras horas de la mañana, entre las 2:00 y las 5:30; durante dichas horas el
consumo es mínimo y el flujo es básicamente por infiltración y pequeño volumen
de agua residual. El caudal máximo ocurre entre las 7:00 y 10:00 de la mañana,
cuando se presenta el consumo máximo; existe además un segundo caudal
máximo, el cual se presenta entre las 3:00 y las 4:00 de la tarde. Entre las 7:00 de
la mañana y las 7:00 de la noche el caudal de agua residual es mayor que el
caudal promedio; por el contrario, en el resto de horas del día el caudal es menor
que el promedio 2.
Es importante mencionar que la variación de la concentración de algunos
parámetros como la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), sigue el mismo
comportamiento de la curva de variación de caudales3.
1.2 DIGESTIÓN ANAEROBIA DE LAS AGUAS RESIDUALES
La digestión anaerobia es un proceso bioquímico fermentativo compuesto por
varias reacciones secuenciales, cada una de ellas con una población bacteriana
especifica4. El proceso se caracteriza por la transformación de la materia orgánica
presente en el agua residual representada por la DQO, en nuevas células
bacterianas y en una mezcla de gases constituida principalmente por metano y
dióxido de carbono.
2 ROMERO ROJAS Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales: Teoría y principios de diseño. Colombia: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2000. p. 28. 3 METCALF & EDDY. Ingeniería de Aguas Residuales: Tratamiento, vertido y reutilización. Tercera edición. México: Mc Graw Hill, 1997. Tomo I. 4 ZEGERS, F, “Microbiología” En: Curso sobre arranque y operación de flujo ascendente con manto de lodos -UASB- Santiago de Cali 1987.
7
Como se nombró anteriormente, la degradación de la materia orgánica requiere la
acción de diferentes grupos bacterianos, los cuales de manera secuencial van
empleando los productos metabólicos generados por cada grupo. Las diferentes
reacciones ocurridas en el proceso se describen a continuación:
La primera etapa de la digestión anaerobia, es la hidrólisis, en donde los
sustratos poliméricos como polisacáridos, proteínas y lípidos son hidrolizados por
enzimas extracelulares producidas por bacterias hidroliticas hasta monómeros de
bajo peso molecular como los azucares, aminoácidos, ácidos grasos y alcoholes,
los cuales pueden atravesar fácilmente la membrana celular de las bacterias
fermentativas. El fraccionamiento de la materia orgánica absorbe agua y por ello
es llamado hidrólisis.
Posteriormente en la acidogénesis, las bacterias fermentativas metabolizan los
sustratos monoméricos dentro de la célula hasta convertirlos en ácidos grasos con
bajo número de carbonos como el ácido acético, fórmico, propiónico y butírico, así
como compuestos reducidos como el etanol, además de H2 y CO2. El resultado
total de la fermentación es la conversión de sustratos neutros, tal como azucares y
aminoácidos en ácidos orgánicos relativamente fuertes.
En la acetogénesis, los productos finales de la fermentación como el ácido
butírico y el ácido propiónico no son sustratos directos de la bacterias
metanogénicas, por lo tanto un grupo metabólico intermediario de organismos
llamados bacterias acetogénicas, los toman dentro de sus células y los oxidan
anaeróbicamente hasta acetato, hidrógeno y dióxido de carbono, para luego ser
excretados fuera de la célula. Aproximadamente el 70% de la DQO es convertida
en ácido acético y el resto en hidrógeno.
8
Finalmente en el proceso de Metanogénesis, el acetato y el hidrógeno
provenientes en una parte de la fermentación y en otra de la Acetogénesis; son
tomados dentro de las células bacteriales Metanogénicas y metabolizados a
metano, que a su vez es excretado fuera de la célula.
Dependiendo de la cantidad de sustrato metanogénico usado, se pueden clasificar
las bacterias metanogénicas en dos grupos principales: Las bacterias productoras
de metano a partir de ácido acético o metanol, Acetoclasticas; y las productoras de
metano a partir de hidrógeno o gas carbónico, Hidrogenotróficas. En menor
proporción, compuestos como el metanol, las metilaminas y el ácido fórmico
pueden también ser usados como sustratos del grupo metanogénico.
Las bacterias que producen metano a partir de hidrógeno crecen mas rápidamente
que aquellas que usan ácido acético, de modo que las metanogénicas
acetotróficas o acetoclásticas generalmente limitan la velocidad de transformación
de material orgánico complejo5.
En la figura 2. Se observa el desarrollo secuencial de la digestión anaerobia,
teniendo en cuenta las etapas del proceso, los microorganismos implicados y los
porcentajes de conversión de la materia orgánica.
5 PEREZ V Y CAJIGAS C. Corrección de pH en reactores anaerobios tratando aguas residuales del procedo de extracción de almidón de yuca. Universidad del Valle. Cali. 2002.
9
Figura 2. Desarrollo secuencial de la Digestión Anaerobia.
Fuente: MADIGAN, M. Mertinko, J, y parker, J. Biology of Microorganisms. Prentice may. New Jersey, USA: 1997.
1.2.1 Microbiología del proceso de digestión anaerobia. Dentro del proceso
de la digestión anaerobia, se presentan asociaciones sintróficas entre los
diferentes grupos microbianos, en las cuales las bacterias en vez de competir por
el mismo nutriente, se interrelacionan para llevar a cabo una transformación
determinada que un único grupo de microorganismos no podría realizar de manera
independiente; en las relaciones sintróficas, se requiere que los grupos de
microorganismos que están interactuando convivan en el mismo microambiente ya
que el producto del metabolismo de uno de ellos debe ser de fácil acceso al
segundo6.
6 MADIGAN M. MARTINKO J. PARKER J. BROCK. Biología de los microorganismos, octava edición. Madrid. Prentice hall. 1999.
10
Las principales bacterias que intervienen en cada una de las etapas del proceso
de digestión anaerobia son7:
• Bacterias Hidrolíticas – Fermentativas: Las bacterias que llevan a cabo las
reacciones de hidrólisis y acidogénesis son anaerobias facultativas y los
géneros más frecuentes que participan son los miembros de la familia
Enterobacteriaceae, además los géneros Bacillus, Peptostreptococcus,
Propionibacterium, Bacteroides, Micrococcus y Clostridium.
• Bacterias Acetogénicas: Para que tenga lugar una eficiente metanogénesis,
los productos de fermentación como el propionato y el butirato, deben ser
oxidados a acetato, H2 y CO2. Esta acción es llevada a cabo por un grupo
denominado “organismos acetógenos productores obligados de hidrógeno
(OHPA)”, mediante un proceso conocido como acetogénesis. Aunque la
mayoría de este tipo de reacciones consume energía, en ambientes
anaerobios donde la energía disponible es baja, el acoplamiento de la actividad
de las bacterias OHPA con las bacterias consumidoras de H2 (metanógenos
hidrogenofilicos) permite un balance energético favorable. Este último grupo,
consume el hidrogeno generado por las OHPA manteniendo una presión
parcial de H2 a un nivel adecuado para que termodinámicamente pueda darse
la conversión de los ácidos grasos volátiles (AGV) a acetato e hidrógeno.
Dentro del grupo de acetógenos existe un grupo de bacterias conocidas como
bacterias homoacetogénicas las cuales son anaerobias obligadas y utilizan el
CO2, como aceptor final de electrones, produciendo acetato como producto
único de la fermentación anaerobia. Aunque este grupo no es un grupo
taxonómico definido, en el se incluyen una gran variedad de Gram (+) y Gram
7 RODRÍGUEZ JENNY. Tratamiento anaerobio de las aguas residuales. Universidad del Valle. Cali Colombia
11
(-) formadoras de esporas como: Clostridium Aceticum, Clostridium
Formicoaceticum y Acetobacterium Wooddi.
• Bacterias Metanogénicas: las bacterias metanogénicas pertenecen al grupo
actualmente conocido como Archeaea, cuyos miembros presentan
características diferentes a las encontradas en Bacteria. Éstas características
están relacionadas fundamentalmente con la composición química de algunas
estructuras celulares. Las bacterias metanogénicas son anaerobias estracitas y
producen metano como principal producto del metabolismo energético. A pesar
de los requerimientos estrictos de anaerobiosis obligada y el metabolismo
especializado de este grupo, estas bacterias se encuentran ampliamente
distribuidas en la naturaleza. Con base en el tipo de sustrato utilizado, las
bacterias metanogénicas se subdividen en tres grupos:
Grupo 1: utiliza como fuente de energía H2 y ciertos alcoholes, el CO2 es el
aceptor final de electrones el cual es reducido a metano; Grupo 2: utiliza una
amplia variedad de compuestos que tiene el grupo metilo. Algunas de las
moléculas son oxidadas a CO2, el cual actúa con aceptor final de electrones y
se reduce directamente a metano; Grupo 3: aunque la mayor parte del metano
que se genera en la naturaleza proviene del rompimiento del acetato, la
habilidad de catabolizar este sustrato esta limitada a los géneros:
Methanosarcina y Methanosaeta (Methanotrix). Es frecuente encontrar en
reactores anaerobios, una competencia por el acetato entre estos dos géneros,
sin embargo, las bajas concentraciones de acetato que usualmente
predominan al interior de los reactores favorece el crecimiento de las
Methanosaeta8.
8 DIAZ-BÁEZ, M; Espitia, S. Y Molina, F. Digestión Anaerobia una aproximación a la Tecnología. UNIBIBLIOS. Bogotá, Colombia. 2002.
12
Algunas de las principales colonias bacterianas que deben presentarse en la
biopelícula que se forma en los medios de soporte de los filtros anaerobios se
muestran en la tabla 2.
Tabla 2. Poblaciones microbianas típicas de la biopelicula que se forma en los medios de soporte.
COLONIA MICROBIANA DESCRIPCIÓN IMAGEN
Nitrobacter Winogradskyi
Bacilos cortos, inmóviles, con
membrana gelatinosa. Oxida los
nitritos a nitratos, habita en aguas
residuales y lodo activado.
Sarcina Methanica
(methanosarcina)
Células grandes esféricas, en
paquetes de ocho, anaerobios que
forman metano como producto
metabólico; utilizan amoniaco como
fuente de nitrógeno.
Streptococcus Margaritaceus
Células esféricas, a menudo en
cadenas de hasta 30 µm de largo.
Anaerobio facultativo presente en
aguas residuales.
Methanococcus Mazei
Células esféricas aisladas o en
grupos. Anaerobio que descompone el
ácido acético o butírico, formando
metano.
Flavobacterium Diffusum
Células solitarias o en cadenas muy
móviles; Presentan flagelos
distribuidos por todo el cuerpo.
Reducen los nitratos a amoniaco.
13
Continuación Tabla 2.
COLONIA MICROBIANA DESCRIPCIÓN IMAGEN
Escherichia Coli
Células cocales o bacilares,
solitarias, por parejas o en cadenas
cortas. Presente en aguas residuales
domésticas o instalaciones
depuradoras.
Proteus Vulgaris
Formas Bacilares en solitario o en
pareja, con frecuencia forman largas
cadenas. Colonias ameboides
visibles como película mucilaginosa.
Forma ácido sulfhídrico.
Methanobacterium
Propionicum
Células elipsoides, se desarrollan en
presencia de otras bacterias del
metano y están presentes en aguas
residuales sin oxígeno.
Methanobacterium
Formicum
Formas elipsoides o bacilos cortos
inmóviles, anaerobio obligado que
sintetiza metano y solo se desarrolla
bien junto a otras bacterias.
Bacillus Suptilis
Bacilos aislados o en cadenas muy
cortas, presente en aguas residuales,
participa en la fermentación ácida y
de manera general en la
descomposición de sustancias
orgánicas.
Fuente. HEINZ STREBLE. Atlas de los Microorganismos de Agua Dulce. 1987.
1.2.2 Factores ambientales que inciden en la digestión anaerobia. El proceso
de digestión anaerobia requiere un alto grado de control de las variables que
pueden incidir en el desarrollo normal de los microorganismos involucrados en el
proceso. Dentro de los principales requerimientos ambientales se tienen:
14
a) Temperatura. En los procesos anaerobios y en general los tratamientos
biológicos, la temperatura es un factor determinante dado que los niveles de
reacción química y biológica y por ende la velocidad del proceso de digestión de la
materia orgánica, varían de manera directamente proporcional a los cambios
presentados en la temperatura9. Generalmente las velocidades de reacción
aumentan con el incremento de temperatura, sin embargo, los microorganismos
tienen un rango óptimo en el cual su crecimiento y metabolismo se ve favorecido.
Con relación a lo anterior, existen tres rangos de temperatura para la digestión de
materia orgánica, el primero es el psicrofílico que ocurre entre los 10 – 25ºC; rango
en el cual se encuentran los microorganismos dentro de los tres reactores objeto
del presente estudio. El segundo es el mesofílico de los 25 a 45ºC y el tercero que
está por encima de los 45ºC. El rango óptimo para la digestión anaerobia se
encuentra entre los 35 a 55ºC, toda vez que en estas temperaturas, la producción
de metano es mayor10.
Tanto los cambios bruscos de temperatura, como los valores extremos máximos y
mínimos de la misma; interfieren de manera negativa en el desarrollo normal de
los microorganismos y por ende en la eficiencia de remoción de compuestos
orgánicos presentes en el agua residual.
b) pH. Cada organismo tiene un rango de pH dentro del cual es posible el
crecimiento y normalmente posee un pH óptimo bien definido; en el caso de los
organismos anaerobios aunque necesitan un pH cercano a la neutralidad para su
correcto desarrollo, permiten cierta oscilación entre 6 y 8 unidades.
Generalmente, los procesos de digestión anaerobia, presentan inconvenientes por
el descenso en el valor de pH a causa del desequilibrio entre la producción y el
9 CAMPOS P. biogás y aprovechamiento de la biomasa. Universidad de Lleida. 2000. 10 MANDIGAN. Op. cit. p.161.
15
consumo de ácidos grasos volátiles y por ende la posterior acumulación de los
mismos11. Por tal motivo, si este parámetro (pH) se mantiene bajo monitoreo,
puede constituirse como una variable de diagnostico de gran ayuda para la
prevención de la acidificación de los reactores.
Para tener un control sobre el proceso anaerobio, simultáneamente además del
pH, es recomendable tener en cuenta variables como los ácidos grasos volátiles y
la alcalinidad ya que por ser esta última, una medida de la capacidad tampón del
medio, se encuentra directamente relacionada con el pH.
c) Toxicidad. Los microorganismos presentes en los tratamientos biológicos
son muy sensibles al contacto con compuestos tóxicos, ya que incluso en bajas
concentraciones, estos afectan la digestión y disminuyen los niveles de
metabolismo. Son muchas las sustancias que pueden resultar inhibidoras del
crecimiento de los microorganismos anaerobios, un ejemplo de ello es que una
sustancia puede ser un toxico o un sustrato dependiendo de su concentración, así
un nutriente esencial puede también ser un toxico dependiendo de si su
concentración es muy alta12.
Se pueden distinguir tres tipos de toxicidad: la primera es la toxicidad metabólica
en la cual la toxicidad es reversible, la segunda es fisiológica y la recuperación es
tardía, y la bactericida donde se genera muerte celular13.
d) Disponibilidad de nutrientes. El nitrógeno y el fósforo, son los nutrientes
esenciales para todos los procesos biológicos. De la cantidad de nitrógeno y
fósforo en relación a la materia orgánica presente, depende la eficiencia de los 11 PEREZ Y CAJIGAS. Op. Cit. 12 CAMPOS P. Op. Cit. 13 RODRÍGUEZ JENNY. Arranque y operación de reactores anaerobios. Universidad del Valle. Cali Colombia
16
microorganismos en obtener energía para síntesis a partir de reacciones
bioquímicas de oxidación del sustrato orgánico14.
Además de nitrógeno y fósforo, el azufre también es considerado uno de los
macronutrientes esenciales para la metanogénesis. Dentro de los micronutrientes
considerados esenciales para los procesos anaerobios se destacan el Hierro, el
Cobalto, el Níquel y el Zinc15.
Otros factores determinantes en el comportamiento de los reactores anaerobios
son los que tienen que ver con la hidráulica y los parámetros de diseño; tales
como el tiempo de retención que determina el periodo en el cual el agua residual y
el sustrato se encuentran en contacto con los microorganismos; y la carga
orgánica que corresponde a la cantidad de materia orgánica introducida
diariamente en el sistema, esta depende directamente de la concentración del
sustrato y del tiempo de retención hidráulico; la variación de este parámetro y las
sobrecargas puntuales pueden causar una inestabilidad en los reactores,
especialmente por la acumulación de ácidos grasos volátiles.
1.3. TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LAS AGUAS RESIDUALES
El tratamiento biológico anaerobio de las aguas residuales es un mecanismo
mediante el cual los compuestos orgánicos biodegradables (materia orgánica), en
forma de sólidos no sedimentables coloidales y disueltos, son degradados o
removidos parcialmente por acción de microorganismos en ausencia de oxigeno
molecular; mediante su conversión en gases y biomasa.
14 DIAS L, Campos J R. Efecto del nitrógeno amoniacal en la actividad metanogénica especifica durante la degradación de glucosa. Sao Paulo Brasil. 15 FORESTI E, FLORENCIO L. Tratamento de esgostos sanitarios por processo anaerobio e disposição controlada no solo. PROSAB. 1999
17
Los tratamientos anaerobios han sido utilizados principalmente para la digestión
de los lodos producidos en el tratamiento de agua residual; sin embargo, en la
actualidad, países de América Latina, han implementado estos sistemas para el
tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales, mostrando resultados
satisfactorios dado que las condiciones climáticas son favorables.
Los sistemas de tratamiento anaerobios son clasificados en procesos de
crecimiento en suspensión, de película bacterial adherida o híbridos, como se
muestra en la Tabla 3.
Tabla 3. Clasificación de los procesos de tratamiento anaerobio.
PROCESOS DE TRATAMIENTO ANAEROBIO Procesos de crecimiento
en suspensión Procesos híbridos de crecimiento en
suspensión y película bacterial adherida Procesos de película
bacterial adherida
Digestión con mezcla completa
Procesos de contacto anaerobio
Manto de lodos
anaerobio de flujo
ascendente
Reactor de manto de lodos con
flujo ascendente / lecho fijo
Lagunas anaerobias
Procesos de lecho
fijo
Procesos de lecho
expandido / lecho
fluidizado
Fuente: CRITES Y TCHOBANOGLOUS, Tratamiento de aguas residuales en pequeñas poblaciones. Colombia: Mc Graw Hill, 2000. p. 401
El uso de la tecnología anaerobia implica dos etapas fundamentales: el arranque y
la operación del sistema. El arranque de un reactor anaerobio es el periodo
durante el cual la biomasa anaerobia se adapta en cantidad y calidad a las
características del agua residual; la duración de la etapa de arranque dependerá
del tiempo que se requiera para obtener una calidad constante del efluente16.
Para el arranque de un sistema anaerobio se han podido distinguir tres fases
principales: la primera de ellas es la adaptación primaria de bacterias
degradadores de los ácidos grasos, la segunda es la formación de una biomasa
16 RODRÍGUEZ JENNY. Arranque y operación de reactores anaerobios. Op. Cit.
18
anaerobia metanogénica activa y por último la formación de una película biológica
estable 17.
El arranque de un reactor se puede iniciar simplemente con la aplicación de
cargas orgánicas bajas, las cuales se incrementan cuando la salud del sistema lo
permite en lo que se refiere al contenido de ácidos grasos volátiles y al porcentaje
de remoción de materia orgánica. Sin embargo en algunos casos para reducir el
tiempo se puede inocular lodo proveniente de otra planta de tratamiento de agua
residual que presente las mismas características. Es importante mencionar que
para el tratamiento de aguas residuales domésticas el arranque de los reactores
es mucho más sencillo que cuando se trata de aguas residuales industriales, ya
que las características de las primeras, proporcionan una capacidad buffer
(amortiguadora) suficiente, lo cual evita la acidificación del sistema en caso de
acumulación de productos de fermentación ácida.
La operación del sistema se inicia una vez superada la etapa de arranque, cuando
se alcanzan las condiciones de diseño de carga orgánica e hidráulica y la
eficiencia de remoción de materia orgánica se estabiliza. En esta etapa se espera
que el reactor funcione en condiciones de estabilidad en el cual las variables de
salida del sistema se mantienen relativamente constantes a pesar de las
variaciones temporales en calidad y cantidad del afluente18.
Aparte de los procesos anaerobios, existen otros dos grupos principales de
tratamientos biológicos: aerobio y anóxico. El proceso aerobio, es un proceso de
respiración de oxigeno en el cual el oxigeno libre es el único aceptador final de
electrones; el oxigeno es reducido y el carbono es oxidado al igual que la materia
17CAMPOS, C. y ANDERSON. The effect of the liquit up flow velocity and the subtrate concentration on the star – up and the steady state periods of lab – scale UASB reactor. 6° Simposio internacional de digestión anaerobia. Brasil. 1991. 18 RODRÍGUEZ JENNY. Op. Cit.
19
orgánica o inorgánica. Por el contrario la fermentación anóxica o proceso de
respiración de nitrato esta definida como el conjunto de reacciones de reducción
del nitrato o nitrito, en los cuales estos se utilizan como aceptadores de electrones
en ausencia de oxigeno libre19.
Dentro de cada grupo hay, además, diferentes tipos, dependiendo de si el proceso
es de crecimiento biológico suspendido, crecimiento biológico adherido o una
combinación de ellos. Así mismo, teniendo en cuenta el régimen de flujo
predominante los procesos biológicos se consideran de flujo continuo o
intermitente y del tipo de mezcla completa, flujo a pistón o flujo arbitrario 20.
Los tratamientos anaerobios, presentan características favorables con respecto a
los tratamientos aerobios en relación con el balance de la materia orgánica y
generación de lodos, ya que 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 la materia orgánica digerida (90 – 97%), una mínima parte de la
DQO es convertida en lodo (2 – 12%).
Por su parte en el tratamiento aerobio, se llevan a cabo procesos catabólicos
oxidativos que requieren la presencia de un oxidante de la materia orgánica y
normalmente este no está presente en las aguas residuales, el requiere ser
introducido artificialmente; adicionalmente la mayor parte de la DQO de la materia
orgánica es convertida en lodo, que cuenta con un alto contenido de material vivo
19 ROMERO ROJAS Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales: Teoría y principios de diseño. Colombia: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2000. p. 229, 233, 246. 20 Ibíd., p. 226.
20
el cual requiere ser estabilizado” 21. En la tabla 4 se muestran otras ventajas y a su
vez las desventajas del tratamiento anaerobio:
Tabla 4. Ventajas y desventajas del tratamiento anaerobio de las aguas residuales.
TRATAMIENTO ANAEROBIO DE AGUAS RESIDUALES
VENTAJAS DESVENTAJAS • Tasa baja de síntesis celular y por
consiguiente poca producción de lodo. • El lodo producido es estable y puede
secarse y disponerse por métodos convencionales.
• No requiere oxigeno, por tanto usa poca
energía eléctrica.
• Es adaptable a aguas residuales tanto de alta como de baja concentración orgánica.
• Produce metano, el cual puede ser útil
como energético.
• Tiene requerimientos nutricionales bajos.
• Para obtener grados altos de remoción requiere temperaturas altas.
• Existe gran cantidad de tóxicos e
inhibidores del proceso que pueden hacerlo no viable para determinados sustratos.
• Generación de olores ofensivos por la
producción de H2S, ácidos grasos y amidas.
• Exige un intervalo de operación de pH
bastante restringido.
• Es sensible a la contaminación con oxigeno.
Fuente: ROMERO ROJAS Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales. Teoría y principios de diseño. Primera edición. 2000. p 246.
1.4. REACTORES ANAEROBIOS DE FLUJO A PISTON (RAP)
El reactor anaerobio de flujo a pistón (Ver figura 3), es un sistema de tratamiento
de aguas residuales de película fija, es decir, en el cual se ponen en contacto
dichas aguas con una población microbiana mixta, en forma de una película de
lama adherida a la superficie de un medio sólido de soporte.
21 Ibid., p. 226.
21
Figura 3. Corte transversal de un reactor anaerobio de flujo a pistón (RAP).
Fuente. Balda Roberto 2004.
Los nutrientes y materia orgánica presente en el líquido se difunden hacia dentro
de la película microbiana o biopelícula para ser metabolizados por los
microorganismos; por su parte los sólidos en suspensión y en estado coloidal
presentes en el agua residual se aglomeran y adsorben también en la película
biológica.
Dado que las bacterias están adheridas al medio y no son arrastradas por el
efluente, se pueden obtener altos tiempos de retención celular a bajos tiempos de
retención hidráulica. De este modo el RAP se puede emplear para el tratamiento
de residuos de baja concentración a temperatura ambiente, como es el caso de
las aguas residuales domésticas.
Este sistema es una modificación de los filtros anaerobios, ya que su principio de
funcionamiento y remoción de los contaminantes orgánicos es el mismo, pero lo
que caracteriza al RAP, además de poseer generalmente un compartimiento final
de sedimentación, es que el régimen de flujo es de tipo pistón. En el cual el fluido
se desplaza y sale del tanque en la misma secuencia en la cual entra; las
22
partículas del fluido retienen su identidad y permanecen en el reactor en un
periodo igual al tiempo teórico de retención hidráulica22.
En este tipo de reactores el contacto de la superficie del agua con la atmósfera
debe ser directo, de modo que las bajas concentraciones de CH4 (metano) en
esta causen un gradiente importante entre el agua residual, saturada de gas, y el
aire. Esto permite la evacuación física de parte del metano y el hidrógeno del agua
residual, favoreciendo termodinámicamente la metanogénesis.
Entre las desventajas de este sistema se pueden citar, el alto costo del medio de
soporte y algunos problemas operacionales, entre los cuales se debe resaltar la
colmatación del filtro, que ocurre generalmente cuando a este entran
concentraciones elevadas de sólidos en suspensión23.
La configuración de los reactores anaerobios de lecho fijo depende de la carga
orgánica a tratar, pues su longitud y altura varían con respecto a esta. Así para
tasas de carga orgánica bajas, se emplean alturas de medios de soporte de hasta
3 metros y no menores de 2 metros, mientras que para tasas superiores de 10 Kg
de DBO/m3 – día, sistemas más altos pueden ser más indicados por causa de la
concentración de ácidos grasos volátiles a lo largo de la altura del medio de
soporte24.
Diferentes tipos de medios de soporte han sido estudiados, tales como piedras
quebradas, elementos cerámicos y madera. El surgimiento de los materiales
plásticos como esferas perforadas, cilindros gastados y bloques modulares,
22 ROMERO ROJAS Jairo Alberto. Op. Cit. 23 CARVALHO H y JURANDYR P. Filtros biológicos anaerobios: revisao de literatura, projeto e desemvolvimento, escola de engenharia de Sao Carlos – Universidad de Sao Paulo (EESC – USP), 1996. 24 CARVALHO H y JURANDYR P. Op. Cit.
23
promovió la revolución de reactores anaerobios de lecho fijo debido a las altas
eficiencias de remoción obtenidas con este medio de soporte25.
1.5. MEDIOS DE SOPORTE FIJO
Los medios de soporte o lechos fijos (ver foto 1), son elementos sólidos en los
cuales se desarrolla la película biológica que realiza la digestión de la materia
orgánica contenida en el agua residual, ya que cualquier superficie en contacto
con un medio nutriente que contenga microorganismos, desarrollara una capa
biológicamente estable; dichos medios, mejoran la distribución hidráulica del flujo
dentro del reactor y evitan la compactación de la biomasa.
Foto 1. Medios de soporte fijo empleados en la investigación
Fuente: Los Autores 2004.
El uso de medios de soporte en los reactores biológicos permite la retención de
sólidos al interior del mismo, a través de la biopelícula formada en su superficie y
25 CAMPOS J R. Consideraciones de proyecto y operación de filtros anaerobios para tratamiento de efluentes líquidos industriales; departamento de hidráulica y saneamiento. Escola de engenharia de Sao Carlos, Universidad de Sao Paulo Brasil. 1990.
GRAVA MEDIA
ROSETA PLÁSTICA
ANILLOS DE GUADUA
24
principalmente en los intersticios del lecho. El volumen ocupado por este material
correspondiente al volumen efectivo del reactor26.
El propósito o principales finalidades de los medios de soporte son:
• Mejorar el contacto entre el sustrato y los sólidos biológicos contenidos en
el reactor.
• Facilitar un flujo uniforme en el reactor.
• Permitir la acumulación de gran cantidad de biomasa.
• Actuar como una barrera física, evitando que los sólidos sean arrastrados
por fuera del sistema de tratamiento.
Los medios de soporte, para propiciar el correcto funcionamiento del reactor y
lograr las eficiencias de remoción esperadas, deben cumplir con una serie de
requerimientos, descritos en la tabla 5.
Tabla 5. Requerimientos de los materiales para ser empleados como medios de soporte
REQUERIMIENTO OBJETIVO Poseer elevada porosidad y área superficial
Permitir la adherencia de microorganismos y reducir la posibilidad de colmatación.
Ser estructuralmente resistente Evitar su desintegración y soportar el propio peso, adicionado al peso de los sólidos biológicos adheridos a su superficie.
Ser biológica y químicamente inerte Evitar la reacción entre el lecho y los microorganismos
Ser suficientemente liviano Evitar la necesidad de estructuras complejas, así como permitir la construcción de unidades de tratamiento de mayor altura para reducir áreas de tratamiento.
Permitir la rápida proliferación de microorganismos Disminuir el tiempo de arranque del reactor
No presentar superficie lisa Garantizas la porosidad y fácil adhesión de la película biológica.
Precio reducido Viabilizar económicamente el proceso Presentar espacios entre las superficies adyacentes
Permitir el crecimiento de la película sin bloquear los intersticios.
Fuente: PINTO, J.D; CHERNICHARO, C.A. Escoria de un forno. Una nova alternativa de meio suporte para anaerobios. Segundo simposio Italo – Brasilero de ingeniería sanitaria y ambiental. 1996
26TORRES PATRICIA, RODRIGUEZ JENNY Y URIBE IRSI. Tratamiento de aguas residuales del proceso de almidón de yuca en filtro anaerobio: influencia del medio de soporte. En: Scientia et Técnica año IX No. 23. 2003.
25
Las dos propiedades más importantes de los medios de soporte fijo, son la
superficie específica o área de contacto y el porcentaje de orificios. La superficie
específica se define como los m2 de superficie de relleno por m3 de volumen total;
cuanto mayor sea la superficie específica, mayor será la cantidad de película
biológica por unidad de volumen. Por otra parte a mayor porcentaje de orificios, se
consiguen cargas hidráulicas superiores sin pelígro de inundación por
colmatación.
Los tipos de empaque de uso común se pueden clasificar en dos grupos
principales: medios minerales o convencionales y los medios sintéticos,
construidos generalmente por materiales plásticos. Como el objeto de la presente
investigación fue hacer la comparación entre los principales medios de soporte
fijos, se utilizo como medio convencional la grava media, como medio sintético la
roseta de plástico y adicionalmente se empleo un medio biológico, la guadua.
Existen dos formas de disponer los medios de soporte en los reactores, una de
ellas es de manera ordenada, donde las superficies sólidas de soporte son
orientadas cuidadosamente a fin de proporcionar una óptima distribución del
líquido que fluye sobre las mismas, generalmente se ensamblan como módulos
del tamaño conveniente los cuales se apilan para formar la cama del reactor. A
diferencia de esto, los medios pueden ser dispuestos de manera aleatoria o
desordenada, este tipo de distribución se compone de elementos individuales de
menor tamaño y de mayor superficie específica dispuestos directamente en el
lecho sin ninguna orientación.
1.6 ÁREA EN LA QUE SE DESARROLLÓ EL PROYECTO
El proyecto fue desarrollado en el barrio El Oasis de la localidad de Usme ubicada
en el sur oriente de Bogotá D.C., al norte limita con la localidad de Rafael Uribe
26
Uribe; al nororiente con la de San Cristóbal; al oriente con los municipios de
Chipaque, Une y Fosca; al occidente con la localidad de Ciudad Bolívar y al sur
con San Juan de Sumapaz.
El barrio se ubica a una altura de 2.600 metros sobre el nivel del mar con
coordenadas norte 94.400 y este 100.230, el promedio anual de temperatura es de
15 grados centígrados aproximadamente.27
El Oasis se encuentra dentro de la cuenca alta del río Tunjuelito, el suelo
pertenece a la serie Bojacá. Suelos derivados de arcillas, de topografía ondulada
con pendientes entre 7 y 30%, moderadamente profundos a profundos. Son
suelos ácidos y son muy susceptibles a la erosión28.
El barrio fue fundado en el año de 1985 cuenta con 285 casas y un promedio de
1.425 habitantes según el censo de 1993; pertenecientes a estrato 1 y 2. En
cuanto a servicios públicos cuenta con acueducto, alcantarillado, teléfono y gas
natural.
27 Diagnósticos Locales con Participación Social, Localidad de Usme. Secretaria de Salud Santa Fe de Bogotá. 28 Op. Cit.
27
2. METODOLOGÍA 2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO
Teniendo en cuenta la importancia de los medios de soporte en los tratamientos
anaerobios que emplean el mecanismo de película bacterial adherida, se realizó
un análisis comparativo entre los más utilizados, como lo son el plástico y la grava,
y adicionalmente la guadua como un medio no convencional; para ello se empleó
un sistema de tratamiento, compuesto por una estructura de llegada, un
tratamiento preliminar por medio de canales desarenadores y trampa de grasas y
tres reactores anaerobios de flujo a pistón, cada uno con su correspondiente
medio de soporte, con el fin de determinar aquél que permitiera obtener la mayor
eficiencia de remoción de contaminantes en el agua residual doméstica. Dicha
comparación fue realizada durante un periodo de veinte semanas que contemplan
el arranque, la estabilización y la operación del sistema.
Los reactores piloto fueron construidos en el barrio El Oasis de la localidad de
Usme del distrito Capital, debido a que el sector reúne varias características que
favorecen el desarrollo del proyecto; entre éstas se tiene que cuenta con una red
independiente de alcantarillado la cual no contempla ningún aporte de agua
residual industrial ni institucional; además de esto, las condiciones climáticas del
sector, permiten analizar el comportamiento del sistema a temperaturas sub –
óptimas*, de 15 a 20°C. Otro factor de importancia es que se tuvo a disposición un
terreno apto para la construcción, con una pendiente tal, que permite que el
sistema funcione en su totalidad por gravedad.
* Se habla de temperaturas sub-optimas ya que la temperatura óptima para este tipo de tratamientos se encuentra en el rango mesofílico entre los 35 y 40°C.
28
El diseño de cada reactor se hizo para el caudal generado por una población de
3 habitantes con una dotación de 150 L / hab.-día. y un factor de retorno del 80%*.
La concentración de DQO que se tuvo en cuenta para el diseño fue de 850 mg/L,
valor hallado a partir de la caracterización de tres muestras compuestas, obtenidas
en muestreos de 24 horas realizados durante las tres primeras semanas de la
investigación, teniendo en cuenta las disposiciones técnicas establecidas en el
RAS**. El tiempo de retención hidráulico calculado para cada uno de los reactores
es de 13.5 horas.
El sistema consta en primera instancia de una acometida en tubería de PVC de 2
pulgadas de diámetro, adaptada en el último pozo de inspección de la red de
alcantarillado, la cual permite captar una parte del flujo total, como se muestra en
la foto 2. En esta tubería se instaló una malla para remoción de sólidos gruesos.
Foto 2. Acometida para la captación del agua residual del barrio el Oasis
Fuente: Los Autores 2004.
* Según lo establecido en el Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico - RAS 2000. Sección II titulo B, tabla B. 2.2. y titulo D, tabla D. 3.1. respectivamente. ** Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico (Resolución 1026 de 2000).
29
Después de la acometida, se tiene una tubería de conducción de 3.5 metros con
un diámetro de 1.5 pulgadas, la cual finaliza en un sistema de repartición de flujo
que cuenta con dos válvulas independientes debidamente aforadas, para permitir
el paso del caudal de diseño (45 L/h) a la primera operación unitaria que
corresponde a un desarenador y trampa de grasas, (ver foto 3). Este tiene un
tiempo de retención de veinte minutos y consta de dos unidades independientes
de desarenado que funcionan de manera alterna para permitir la limpieza y
mantenimiento de los mismos, según la eficiencia de retención de sólidos
sedimentables.
Foto 3. Desarenador y trampa de grasas
Fuente: Los Autores 2004.
Después del desarenador un sistema de distribución compuesto por tuberías y
válvulas divide el caudal en tres partes iguales aportando a cada uno de los
reactores el caudal de diseño (15L/h). Los tres reactores fueron construidos en
paralelo y presentan las mismas características hidráulicas; cada uno de ellos
cuenta con tres cámaras para generar un régimen de flujo de tipo pistón, lo que se
logra al tener en el primer y tercer compartimiento flujo descendente y en el
segundo flujo ascendente; en éstas cámaras, se pone en contacto el agua con los
medios filtrantes los cuales están soportados por un falso fondo (Ver foto 4).
30
Los reactores no se encuentran herméticamente sellados para controlar
físicamente las concentraciones de metano cuya disminución favorece
termodinámicamente la metanogénesis29.
Foto 4. Reactores Anaerobios de flujo a Pistón (RAP)
Fuente: Los Autores 2004.
Para facilitar la sedimentación y purga del lodo, en el fondo de cada
compartimiento se cuenta con una pendiente de 25% y válvulas tipo bola de una
pulgada de diámetro. Cada uno de los reactores cuenta con un sistema de
sedimentación final. El anexo B1 muestra el flujograma del sistema de tratamiento
anteriormente descrito.
2.2. CARACTERÍZACIÓN DEL AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA AFLUENTE
Con el objeto de determinar las características fisicoquímicas del agua residual
generada por los habitantes del barrio el Oasis, y tener una base para el diseño de
los reactores y demás unidades de tratamiento; se realizaron tres
caracterizaciones de la siguiente manera:
29 MINISTERIO DE DESARROLLO ECONÓMICO. Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS 2000. Sección II, Titulo E, numeral E.4.7.8.
Reactor 1 con medio de soporte Plástico.
Reactor 2 con medio de soporte Grava.
Reactor 3 con medio de soporte Guadua.
Sedimentador
Cámara 3.
Cámara 2.
Cámara 1.
31
Toma de muestra: las muestras de agua residual se tomaron en el emisario final
de la red de alcantarillado del barrio el Oasis (ver foto 5), mediante tres muestreos
horarios durante un periodo de 24 horas; obteniendo muestras compuestas.
Dichos muestreos fueron realizados durante tres semanas consecutivas.
Foto 5 Punto de muestreo (Emisario final de la red de alcantarillado del barrio el Oasis)
Fuente. Los Autores 2004.
Análisis de las muestras: La muestra fue analizada en el laboratorio de la
Facultad de Ingeniería Ambiental y Sanitaria de la Universidad de La Salle,
siguiendo los métodos establecidos en el Stándar Methods for Examination of
Water and Wastewater y los protocolos para el análisis de aguas del Instituto de
Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM. Los parámetros
evaluados y el método empleado para su determinación se muestran en la tabla 6.
Tabla 6. Análisis fisicoquímicos realizados al agua residual del barrio el Oasis.
PARÁMETROS TÉCNICA ANALITICA
Potencial de Hidrógeno (pH) Potenciométrica Color Colorimetría Turbiedad Turbidimetro Conductividad Conductimetro Alcalinidad Titulometría Dureza Titulometría Sólidos Gravimetría DQO Reflujo abierto DBO5 Respirométrico Ácidos Grasos Volátiles Titulometría
Fuente. Los Autores 2004.
32
2.3. CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LOS MEDIOS DE SOPORTE
EMPLEADOS
En la investigación se compararon tres medios de soporte, uno de ellos es de
material sintético (roseta plástica), el otro es mineral (grava media) y por ultimo
como medio alternativo se evaluó el desempeño de la guadua. (Ver foto 6).
Foto 6. Medios de soporte fijo empleados (roseta plástica, grava media y anillos de guadua)
Fuente: Los Autores 2004.
A continuación se hace una breve descripción de cada uno de ellos:
Medio sintético: Como medio sintético se empleó la roseta de polipropileno, la
cual es una resina plástica fuerte y liviana; que ha tenido bastante aplicación en el
tratamiento de aguas residuales principalmente en los países europeos.
Esta roseta no es toxica para los microorganismos, no es putrescible y es
resistente a la acción de hongos y concentraciones químicas de residuos ácidos,
alcalinos y compuestos orgánicos. Además de esto tiene una alta resistencia a la
degradación por rayos ultravioleta, envejecimiento, erosión y desintegración.
Anillos de Guadua
Roseta Plástica
Grava Media
33
Cada roseta tiene una configuración cilíndrica con 18cm de diámetro, 4 divisiones
radiales y dos secciones circulares concéntricas; la pared externa de cada unidad
esta formada por 8 secciones de arco, como se observa en la figura 4.
Figura 4. Medio de soporte sintético, Roseta plástica.
Fuente. Catalogo de venta del producto. NSW Corporatión Environmental Systems.
Medio mineral: como medio mineral se empleó la grava media, material que por
su economía y disponibilidad ha sido usado con mucha frecuencia para el
tratamiento de aguas residuales, especialmente para filtración pero también para
tratamiento biológico.
La grava es un mineral compuesto en un 99 % de sílice, tiene características
típicas de cantos rodados extraídos de ríos de agua dulce, tales como forma
irregular y variación en el tamaño.
34
Medio Alternativo: como medio alternativo se empleó la Guadua Angustifolia la
cual es una gramínea perteneciente a la familia Poaceae. Se caracteriza por ser
perenne y por tener un sistema de raíces bien desarrollado (rizoma), además de
esto, posee culmos o tallos cilíndricos y segmentados, leñosos y fuertes.
Éstas son plantas extremadamente diversas y económicamente importantes que
crecen en todos los continentes excepto en Europa y se encuentran distribuidas
en regiones tropicales y templadas de Asia, África y América.
Entre las especies nativas maderables de Colombia, la guadua se destaca por la
importancia económica que puede presentar en razón de varios factores: el corto
tiempo que precisa para alcanzar el estado de maduración que permite
aprovecharla, su alto rendimiento en volumen por hectárea y la diversidad de usos
a los que se puede destinar.
Para al investigación la parte de la guadua que fue empleada, se denomina culmo,
el cual esta compuesto por: corteza, células de parénquima, fibras y haces
vasculares los cuales están conformados por células de esclerenquima, vasos y
por tubos cribosos con células acompañantes; lo cual hace de este material un
elemento resistente, duradero y semipermeable30.
Este material puede ser utilizado como medio de soporte gracias a su gran
superficie específica para adherencia de microorganismos, alto porcentaje de
vacíos, lo cual facilita el flujo del agua, su bajo costo, fácil operación y alta
disponibilidad.
30 CASTAÑO FRANCISCO y MORENO RUBEN. Guadua para todos, cultivo y aprovechamiento. Colombia. 2004.
35
Los medios de soporte anteriormente mencionados fueron ubicados dentro de
cada reactor ocupando un volumen de 0.16 m3 distribuido en las tres cámaras
como se muestra en la tabla 7.
Tabla 7. Distribución de los medios de soporte dentro de las cámaras de cada uno de los reactores.
CAMARA REGIMEN DE FLUJO ANCHO (m) LARGO (m) ALTO (m)
No. 1 Descendente 0.40 0.40 0.40 No. 2 Ascendente 0.40 0.35 0.40 No. 3 Descendente 0.40 0.30 0.40
Fuente: Los Autores 2004.
Las características físicas de los medios de soporte en cuanto a: forma, área
superficial, porosidad, volumen de vacíos, diámetro y longitud de los medios de
plástico y grava, fueron proporcionadas por los proveedores; en el caso de la
guadua, dichos datos fueron obtenidos según Pérez V31 y Rodríguez, J.32
2.4. DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO.
A continuación se describe la metodología de diseño de cada una de las
operaciones unitarias que componen el sistema tratamiento de agua residual
doméstica empleado en la investigación.
31 PEREZ V y CAJIGAS C. Corrección de pH en reactores anaerobios tratando aguas residuales del procedo de extracción de almidón de yuca. Universidad del Valle. Cali. 2002. 32 RODRIGUEZ, J y TORRES L. Experiencias en el tratamiento anaerobio de residuos agroindustriales – caso producción almidon agrio de yuca. En: Curso internacional de sistemas integrados sostenibles para el tratamiento de aguas residuales. Cali. 2001.
36
2.4.1 Determinación del caudal de diseño
hmQ
díahabLhabFrDPQ
3
045.0
24000
8.01509
24000
=
×−
×=
××=
Donde:
Q = Caudal de diseño (m3/h)
P = Población (Hab)
D = Dotación* (L/Hab – día)
Fr = Factor de retorno** (80%)
Factor de conversión = 24000
Se tomó como base de cálculo el caudal generado por una población de 9
habitantes ya que este valor permite obtener las dimensiones de un reactor a
escala piloto simulando las condiciones reales de un sistema de tratamiento.
2.4.2 Diseño del desarenador trampa de grasas. La metodología utilizada es
la que se describe a continuación
a) Volumen del desarenador trampa de grasas
3
3
015.0min60
1min20045.0
mV
hh
mTrQV
=
××=×=
* Valor asumido según lo establecido en el Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico - RAS 2000. Sección II titulo B, tabla B. 2.2 ** Valor asumido según lo establecido en el Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico - RAS 2000. Sección II titulo D, tabla D. 3.1
37
Donde:
V = Volumen del desarenador trampa de grasas (m3)
Tr = Tiempo de retención* (h)
Q = Caudal de diseño (m3/h)
b) Área superficial
2
3
075.020.0
015.0
mAsmm
HeVAs
=
==
Donde:
As = Área superficial (m2)
He = Altura efectiva (m)
La altura efectiva fue asumida teniendo en cuenta que las dimensiones de la
unidad fueran congruentes y que el área superficial resultante permitiera mantener
la relación largo ancho de (1:8), utilizada para el cálculo de la longitud. Se
destinaron 0.10m de borde libre.
c) Longitud del desarenador trampa de grasas
mmLmm
wAsL
8.075.010.0
075.0 2
≅=
==
Donde:
L = Longitud del desarenador trampa de grasas (m)
W = Ancho** (m)
Dado que la estructura cumple las funciones de desarenador y trampa de grasas,
se colocaron 3 bafles para la separación de las grasas a 0.10, 0.45 y 0.65m del
* Valor asumido teniendo en cuenta los parámetros de diseño establecidos por Romero Rojas Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales: Teoría y principios de diseño, p 730. ** Valor asumido según lo establecido en el Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico - RAS 2000. Sección II titulo E, numeral E.3.3.2
38
punto de entrada, cada uno de ellos de 0.15, 0.20 y 0.15m de profundidad
respectivamente y se estableció una pendiente céntrica del 12.5% para la
recolección del material sedimentado. (Ver anexo B2).
2.4.3 Diseño de los reactores anaerobios de flujo a pistón. Para el diseño de
los reactores anaerobios de flujo a pistón (Ver anexo B3 y B4) se siguió la
metodología que se describe a continuación. Es necesario aclarar que el
diseño es el mismo para los tres reactores y que se tuvieron en cuenta los
parámetros de diseño y consideraciones técnicas descritas en el RAS.
2.4.3.1 Diseño de la primera cámara de los reactores anaerobios de flujo a
pistón
a) Determinación de la carga de DQO para la primera cámara:
díaKgC
díah
mKg
hmSQC
306.0
124850.0015.0
1
3
3
11
=
××=×=
Donde:
C = Carga de DQO (Kg DQO / día)
S1 = Concentración de DQO (Kg/m3)
Q = Caudal (m3/h)
El caudal de entrada a cada uno de los reactores corresponde a la tercera parte
del caudal de diseño.
b) Cálculo del volumen de la primera cámara
31
3
11
06.0
4015.0
mV
hh
mTrQV
=
×=×=
39
Donde:
V1 = Volumen de la primera cámara (m3)
Tr1 = Tiempo de retención hidráulica en horas (h)
Este valor fue obtenido al realizar el balance de cargas que se muestra en la tabla
8 y teniendo en cuenta el valor total de tiempo de retención por reactor, que es
recomendado en el RAS*.
Tabla 8. Balance de cargas para la determinación del tiempo de retención en cada una de las cámaras de los reactores anaerobios de flujo a pistón.
CAMARA Concentración
de entrada (mg/L)
Carga de entrada
(Kg DQO /día)
Tiempo de retención
(h)
Eficiencia (%)
Concentración de salida
(mg/L)
Carga de salida (Kg DQO /día)
No. 1 850 0.3060 4.0 56 369.8 0.133 No. 2 369.8 0.133 3.5 53 171.94 0.062 No. 3 171.94 0.062 3.0 50 86.37 0.031
Fuente. Los Autores 2004.
c) Determinación de la altura total de la primera cámara.
mHtFfBlheHt
80.020.020.040.0
=++=++=
Donde:
Ht = Altura total (m).
he = Altura efectiva (m).
Bl = Borde libre (m).
Ff = Falso fondo (m).
El valor de la altura efectiva fue asumido por los autores; con el fin de mantener
las proporciones con respecto a los reactores anaerobios a escala real en cuanto
a las dimensiones. Los valores del borde libre y del falso fondo corresponden al
50% de la altura efectiva. (Ver figura 5)
* Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico - RAS 2000. Sección II titulo E. Tabla E.4.28.
40
Figura 5. Alturas determinadas en el diseño de cada cámara en el reactor anaerobio de flujo a pistón.
Fuente. Los Autores 2004.
d) Cálculo del área superficial de la primera cámara
21
31
1
15.040.0
06.0
mAm
mheV
A
=
==
Donde:
A1 = Área superficial de la primera cámara
e) Determinación de la longitud de la primera cámara
mmLm
mwA
L
40.0375.040.0
15.0
1
21
1
≅=
==
Donde:
L1 = Longitud de la primera cámara (m)
w = Ancho de la cámara (m)
41
El valor del ancho de la cámara fue asumido por los diseñadores; con el fin de
mantener las proporciones con respecto a los reactores anaerobios a escala real
en cuanto a las dimensiones y de facilitar su construcción.
f) Cálculo de la velocidad ascensional en la primera cámara.
hmVs
mhm
AQVs
1.0
15.0
015.0
1
2
3
11
=
==
Donde:
Vs1 = Velocidad ascensional en la primera cámara.
g) Cálculo de la eficiencia de remoción de DQO en la primera cámara.
[ ] ( )[ ]%56
100487.01100)(87.01
1
5.05.011
=××−=××−= −−
EfhTrEf
Donde:
Ef1 = Eficiencia de remoción de DQO* en la primera cámara.
Para el paso del flujo de la primera a la segunda cámara, se tienen dos ventanas
de 0.05m por 0.05m en la pared divisoria a 0.10m del fondo del reactor. El fondo
de la cámara tiene una pendiente céntrica del 25% para la recolección del lodo
generado y una tubería de 1.0” con válvula para la evacuación del mismo.
2.4.3.2 Diseño de la segunda cámara de los reactores anaerobios de flujo a
pistón.
* Para el calculo de la eficiencia se utilizó la formula establecida por LETINGA Gatze, en Anaerobic Sewage Treatment. 1994. p. 53.
42
a) Cálculo de la concentración de DQO para la segunda cámara
( )
32
331112
3698.0
56.0850.0850.0
mKgS
mKg
mKgEfSSS
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ×−=×−=
Donde:
S2 = Concentración de DQO en la segunda cámara (Kg/m3)
b) Determinación de la carga de DQO para la segunda cámara
díaKgC
díah
mKg
hmSQC
133.0
1243698.0015.0
2
3
3
22
=
××=×=
Donde:
C2 = Carga de DQO (Kg DQO / día)
c) Cálculo del volumen de la segunda cámara
32
3
22
053.0
5.3015.0
mV
hh
mTrQV
=
×=×=
Donde:
V2 = Volumen de la segunda cámara (m3)
Tr2 = Tiempo de retención hidráulica en horas (h)
Este valor fue obtenido al realizar el balance de cargas que se muestra en la tabla
7 y teniendo en cuenta el valor total de tiempo de retención por reactor, que es
recomendado en el RAS.
43
d) Determinación de la altura total de la segunda cámara.
Donde:
Ht = Altura total (m).
he = Altura efectiva (m).
Bl = Borde libre (m).
Ff = Falso fondo (m).
El valor de la altura efectiva fue asumido por los autores; con el fin de mantener
las proporciones con respecto a los reactores anaerobios a escala real en cuanto
a las dimensiones. Los valores del borde libre y del falso fondo corresponden al
50% de la altura efectiva. (Ver figura 5)
e) Cálculo del área superficial de la segunda cámara
22
32
2
131.040.0
053.0
mAmm
heV
A
=
==
Donde:
A2 = Área superficial de la segunda cámara
f) Determinación de la longitud de la segunda cámara
mmLmm
wA
L
35.0328.040.0
131.0
2
22
2
≅=
==
Donde:
L2 = Longitud de la segunda cámara (m)
w = Ancho de la cámara (m)
.80.020.020.040.0
mHtmmmFfBlheHt
=++=++=
44
El valor del ancho de la segunda cámara es el mismo que el de la primera; con el
fin de mantener las proporciones y facilitar de esta manera la construcción
g) Cálculo de la velocidad ascensional en la segunda cámara.
hmVs
mhm
AQVs
114.0
131.0
015.0
2
2
3
22
=
==
Donde:
Vs2 = Velocidad ascensional.
h) Cálculo de la eficiencia de remoción de DQO en la segunda cámara.
[ ] ( )[ ]%53
1005.387.01100)(87.01
2
5.05.022
=××−=××−= −−
EfhTrEf
Donde:
Ef2 = Eficiencia de remoción de DQO en la segunda cámara.
El paso del flujo de la segunda a la tercera cámara es por rebose, ya que la pared
divisoria tiene una altura de 0.65m. El fondo de la cámara tiene una pendiente
céntrica del 25% para la recolección del lodo generado y una tubería de 1.0” con
válvula para la evacuación del mismo.
2.4.3.3 Diseño de la tercera cámara de los reactores anaerobios de flujo a
pistón.
a) Cálculo de la concentración de DQO para la tercera cámara
( )
33
332223
1719.0
53.03698.03698.0
mKgS
mKg
mKgEfSSS
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ×−=×−=
45
Donde:
S3 = Concentración de DQO en la tercera cámara (Kg/m3)
b) Determinación de la carga de DQO para la tercera cámara
díaKgC
díah
mKg
hmSQC
062.0
1241719.0015.0
3
3
3
23
=
××=×=
Donde:
C3 = Carga de DQO (Kg DQO / día)
c) Cálculo del volumen de la tercera cámara
33
3
33
045.0
0.3015.0
mV
hh
mTrQV
=
×=×=
Donde:
V3 = Volumen de la tercera cámara (m3)
Tr3 = Tiempo de retención hidráulica en horas (h)
Este valor fue obtenido al realizar el balance de cargas que se muestra en la tabla
7 y teniendo en cuenta el valor total de tiempo de retención por reactor, que es
recomendado en el RAS.
d) Determinación de la altura total de la tercera cámara.
Donde:
Ht = Altura total (m).
he = Altura efectiva (m).
Bl = Borde libre (m).
Ff = Falso fondo (m).
mHtmmmFfBlheHt
80.020.020.040.0
=++=++=
46
El valor de la altura efectiva fue asumido por los autores; con el fin de mantener
las proporciones con respecto a los reactores anaerobios a escala real en cuanto
a las dimensiones. Los valores del borde libre y del falso fondo corresponden al
50% de la altura efectiva. (Ver figura 5)
e) Cálculo del área superficial de la tercera cámara
23
33
3
1125.040.0
045.0
mAmm
heV
A
=
==
Donde:
A3 = Área superficial de la tercera cámara
f) Determinación de la longitud de la tercera cámara
mmLmm
wA
L
30.028.040.0
1125.0
3
23
3
≅=
==
Donde:
L3 = Longitud de la tercera cámara (m)
w = Ancho de la cámara (m)
El valor del ancho de la tercera cámara es el mismo que el de las anteriores; con
el fin de mantener las proporciones, facilitando de esta manera la construcción.
g) Cálculo de la velocidad ascensional en la tercera cámara.
hmVs
mhm
AQVs
133.0
1125.0
015.0
3
2
3
33
=
==
Donde:
Vs3 = Velocidad ascensional.
47
h) Cálculo de la eficiencia de remoción de DQO en la tercera cámara.
[ ] ( )[ ]%50.
1000.387.01100)(87.01
3
5.05.033
=××−=××−= −−
EfhTrEf
Donde:
Ef3 = Eficiencia de remoción de DQO en la tercera cámara.
El paso del flujo de la tercera cámara al sedimentador se hace por medio de una
tubería perforada de 1½” de diámetro el cual atraviesa la pared divisoria hasta
conectarse con el feed well. El fondo de la cámara tiene una pendiente céntrica del
25% para la recolección del lodo generado y una tubería de 1” con válvula para la
evacuación del mismo.
2.4.4 Diseño del sedimentador
a) Cálculo del volumen del sedimentador
3
3
045.0
0.3015.0
mV
hh
mTrQV
=
×=×=
Donde:
V = Volumen del sedimentador (m3)
Tr = Tiempo de retención hidráulica en horas (h)
b) Determinación de la altura del sedimentador
mHtmmmBlZlhuHt
0.13.02.05.0
=++=++=
Donde:
Ht = Altura total (m).
hu = Altura útil (m).
Bl = Borde libre (m).
Zl = Zona de lodos(m).
48
La altura del sedimentador corresponde a la altura total de los reactores más una
zona de recolección del lodo con una altura de 0.20m y una pendiente concéntrica
aproximadamente de 60°. (Ver figura 6)
Figura 6. Alturas determinadas en el diseño del sedimentador de cada reactor anaerobio de flujo a
pistón.
Fuente Los Autores 2004.
c) Cálculo del área superficial del sedimentador
d)
2
3
09.050.0
045.0
mAmm
huVA
=
==
Donde:
A = Área superficial del sedimentador
Bl
hu
Zl
Ht
49
e) Determinación de la longitud del sedimentador
mmLm
mwAL
25.023.040.0
09.0 2
≅=
==
Donde:
L = Longitud del sedimentador (m)
w = Ancho del sedimentador (m)
El valor del sedimentador es el mismo que el del reactor.
f) Cálculo de la velocidad ascensional en el sedimentador.
hmVs
mhm
AQVs
166.0
09.0
015.02
3
=
==
Donde:
Vs = Velocidad ascensional.
2.5. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA
RESIDUAL DOMESTICA.
Una vez terminada la fase de diseño, se comenzó la construcción del sistema;
para ello, fue necesario realizar una serie de actividades secuenciales las cuales
se describen e ilustran a continuación:
1. Excavación y adecuación del terreno: Dado que el terreno presentaba
una pendiente pronunciada, fue necesario realizar una excavación de
aproximadamente 5m3 de tierra del área en la se construyeron los reactores
y un canal donde fue ubicada la tubería de conducción.
50
2. Medición de nivel: Con el fin de determinar la altura a la cual debían estar
cada una de las estructuras y garantizar de esta manera que el flujo del
sistema fuera por gravedad, se realizó la medición de nivel de una manera
practica, empleando para ello una manguera transparente con un diámetro
de 3/8”.
Fotos 7 a 9. Medición de nivel.
Fuente: Los Autores 2004.
3. Construcción de plancha: Como soporte de los reactores se construyó
una plancha en concreto y varilla de hierro de 9mm, las dimensiones de la
plancha son: 4.0 m de largo, 2.5 m acho y 10cm de grosor.
4. Construcción de desarenador y reactores: Para la construcción se
utilizaron 700 ladrillos, 11 bultos de cemento, 1 metro de mixto y 1 metro de
arena amarilla. Debido a la complejidad de la construcción fue necesario
contratar personal capacitado para su realización.
51
Fotos 10 a 18. Proceso de construcción del sistema de tratamiento.
Fuente: Loa Autores 2004.
5. Impermeabilización y pañetado: Para evitar fugas e infiltraciones se
realizó la impermeabilización de los reactores utilizando para ello cemento,
arena amarilla y sika 1 en las proporciones establecidas por el producto.
52
Fotos 19 a 21. Impermeabilización del sistema de tratamiento.
Fuente: Loa Autores 2004.
6. Adaptación de instalaciones hidráulicas:
a. Perforación de la pared del Pozo.
Fotos 22 a 24. Perforación de la pared del Pozo.
Fuente: Los Autores 2004.
b. Adaptación de acometida en tubería de 2” y de malla de 3/8”para la
retención de sólidos grandes.
Fotos 25 a 26. Adaptación de acometida.
Fuente: Los Autores 2004.
53
c. Instalación de tubería de conducción de 3.5 metros y un diámetro de
1 ½ “.
Fotos 27 a 29. Instalación de tubería de conducción.
Fuente: Los Autores 2004.
d. Instalación del sistema de repartición de flujo a los desarenadores
que consta de una Tee de 1½”, tubería de 1½” y ¾”, dos universales
de ¾” y dos válvulas tipo bola de ¾ ”.
Foto 30. Instalación del sistema de repartición de flujo a los desarenadores
Fuente: Los Autores 2004.
e. Instalación del sistema de división del flujo que alimenta a los
reactores, compuesto por: Tubería de ¾”, cuatro universales de ¾” y
tres válvulas tipo bola de ¾”.
54
Foto 11. Instalación del sistema de repartición del flujo que alimenta a los reactores
Fuente: Loa Autores 2004.
f. Instalación de válvulas para extracción de lodos en cada una de las
cámaras y en el sedimentador de todos los reactores.
Fotos 32 a 33. Instalación de válvulas para extracción de lodos.
Fuente: Loa Autores 2004.
g. Ubicación de Feed well en los sedimentadores.
Foto 34. Instalación de Feed Well-
Fuente: Loa Autores 2004.
55
h. Ubicación de mangueras de conducción del efluente de los
reactores.
Foto 35. Instalación de mangueras para conducción del efluente de los reactores.
Fuente: Loa Autores 2004.
7. Ubicación de los medios de soporte: Para la ubicación de los medios de
soporte se utilizó malla metálica galvanizada como base para sostener el
material, adicionalmente, en los reactores de plástico y guadua se colocó
sobre los medios la misma malla para evitar la flotación.
Foto 36. Ubicación de los medios de soporte dentro de los reactores.
Fuente: Loa Autores 2004.
8. Aforo de caudal y graduación de válvulas. Las válvulas fueron
graduadas, realizando varios aforos volumétricos hasta obtener el caudal
de diseño que debe ser suministrado tanto a los desarenadores como a los
reactores.
56
2.6. ARRANQUE E INOCULACIÓN DE LOS REACTORES ANAEROBIOS DE
FLUJO A PISTON
El arranque del sistema se inicio suministrando a los reactores durante la primera
semana, el caudal de diseño 15 L/h con el fin de cumplir con el tiempo de
retención hidráulico establecido; y la carga volumétrica de diseño 5.1Kg DQO/m3 –
día, para de esta manera suministrar a los reactores, una carga orgánica baja
evitando así la sobrecarga del sistema y posterior acumulación de ácidos grasos
volátiles. Las características fisicoquímicas del agua residual que fue suministrada
al sistema se describen en la tabla 9 de la del numeral 3.
Con el fin de acelerar el arranque de los reactores, en la segunda semana de
estudio, se realizó la inoculación del sistema aplicando lodo anaerobio proveniente
de la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de Tenjo (ver foto
37); las razones por las cuales se eligió este inóculo son en primera instancia, que
el tratamiento empleado en esta PTAR* es el mismo que se utilizó para la
comparación de los medios de soporte y que el sustrato al cual estaba
acostumbrado el lodo era el mismo al cual fue sometido en los reactores (agua
residual doméstica).
La inoculación se realizó teniendo en cuenta que el tiempo utilizado para el
arranque del reactor será corto si el lodo utilizado como inóculo, tiene una alta
actividad metanogénica y está adaptado a los sustratos presentes en el agua
residual33.
* Planta de Tratamiento de Aguas Residuales. 33 RODRÍGUEZ JENNY. Arranque y operación de reactores anaerobios. Op. Cit.
57
Foto 37 Inoculación del sistema con lodo anaerobio proveniente de la PTAR del municipio de Tenjo.
Fuente: Los Autores 2004.
El volumen de lodo inoculado en cada reactor fue de 17.0 L lo que corresponde al
10% del volumen efectivo del mismo; fue suministrado en partes iguales a cada
cámara. Para aclimatar el inoculo se diminuyó el flujo de entrada a los reactores
con el fin de aumentar el tiempo de retención hidráulico.
2.7. CONTROL Y SEGUIMIENTO DE LOS REACTORES ANAEROBIOS DE
FLUJO A PISTÓN
Con el objeto de ejercer un control sobre las variables de funcionamiento de los
reactores y de evaluar el desempeño de cada uno de ellos en cuanto a remoción
de contaminantes; durante las 20 semanas de funcionamiento del sistema se
realizó medición de parámetros in situ y caracterización fisicoquímica del afluente
y efluente de cada uno de los reactores anaerobios en el laboratorio de Ingeniería
Ambiental y Sanitaria de la Universidad de La Salle.
58
Toma de muestras: Las muestras fueron tomadas a la salida del desarenador y
de cada uno de los reactores; se utilizo para ello el método de muestreo simple o
puntual.
Análisis de las muestras: Las muestras fueron analizadas, siguiendo los
métodos establecidos en el Stándar Methods for Examination of Water and
Wastewater y los protocolos para el análisis de aguas del Instituto de Hidrología,
Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM. Los análisis realizados, el método y
la frecuencia de realización se describen en la tabla 9.
Tabla 9. Análisis fisicoquímicos realizados al afluente y efluente de cada uno de los reactores anaerobios de flujo a pistón.
PARÁMETRO TÉCNICA DE ANÁLISIS FRECUENCIA
Potencial de Hidrógeno (pH) Potenciómetro Dos veces a la semana Temperatura (T) Termómetro Dos veces a la semana Conductividad Conductímetro Dos veces a la semana
Turbiedad Turbidímetro Dos veces a la semana DQO Reflujo abierto Semanal
Sólidos Totales Gravimetría Semanal Sólidos Volátiles Gravimetría Semanal
Sólidos Fijos Gravimetría Semanal Sólidos Disueltos Totales Gravimetría Semanal
Sólidos Disueltos Fijos Gravimetría Semanal Sólidos Disueltos Volátiles Gravimetría Semanal
Sólidos Suspendidos Totales Gravimetría Semanal Sólidos Suspendidos Fijos Gravimetría Semanal
Sólidos Suspendidos Volátiles Gravimetría Semanal Sólidos Sedimentables Gravimetría Semanal
Alcalinidad Titulometría Semanal Ácidos Grasos Volátiles Titulometría Semanal
Fuente. Los Autores 2004.
59
2.8. CARACTERIZACIÓN MICROBIOLÓGICA DE LA BIOPELÍCULA
DESAROLLADA EN LOS MEDIOS DE SOPORTE
Con el propósito de hacer una descripción de la flora microbiana presente en la
superficie de los medios de soporte y determinar si estos favorecen la formación
de la biopelícula; se realizaron tres análisis microbiológicos de la siguiente
manera:
Toma de muestra: se realizó un frotis de la superficie de cada uno de los medios
de soporte (Plástico, grava y guadua) recolectando de esta manera 5.0 g de
biopelícula.
Análisis realizados:
• Observación en fresco utilizando para ello el microscopio electrónico.
• Siembra de muestra en los siguientes medios de cultivo selectivos: Agar
Brewer para identificar el crecimiento de bacterias anaerobias, Agar Papa
Dextrosa para descartar el crecimiento de hongos dentro del reactor, caldo
nutritivo acidificado hasta pH 5 con ácido láctico para identificar el
crecimiento de bacterias acidogénicas, caldo triptosa para identificar el
crecimiento de bacterias acetogénicas y Agar para el crecimiento de
bacterias metanogénicas.
• Tinción de Gram tanto de la muestra en fresco, como del crecimiento
microbiano resultante de la siembra en cada uno de los medios.
2.9. CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE LODO Y METANO EN LA
TRANSFORMACIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA.
Con el conocimiento que materia orgánica no se destruye, sino que por medio de
la metabolización de los microorganismos es transformada principalmente en una
60
mezcla de gases (metano, CO2) y nuevas células microbiales (lodo), se calculó de
manera teórica la producción de estos componentes.
Teniendo en cuenta que el valor teórico de producción de lodo en el arranque de
reactores anaerobios equivale al 2%* de la DQO removida, se utilizo la siguiente
ecuación para su cálculo.
02.0)/()/( ××= EfDíaKgDQOCDíaKgPL
Donde:
PL = Producción de lodo.
C = Carga de DQO.
Ef = Eficiencia remoción de DQO.
Con respecto a la producción de metano esta fue calculada según lo establecido
por Romero34 en cuanto a que en reactores anaerobios a condiciones estándar,
0°C y 1atm de presión, 1Kg de DQO removida, produce 0.35 Nm3 de CH4; por tal
razón fue necesario hacer una corrección de temperatura y presión con los
valores en los que se realizó la investigación, es decir, 288°K y 0.7368atm.
La ecuación de corrección por temperatura y presión que se muestra a
continuación está basada en la ley combinada de los gases.
DQOKg
NmFc
NmKK
atmatmFcVf
TfVfPf
ToVoPo
3
3
50.0
35.0273288
73.01
**
=
×°°
×==
=
* Este valor fue aplicado tomando como referencia lo dicho por funcionarios de DEGREMON de Colombia en Abril de 2004 durante la Cuarta Semana de Ingeniería Ambiental y Sanitaria en la Universidad de la Salle. 34 ROMERO ROJAS JAIRO ALBERTO. Tratamiento de Aguas Residuales. Teoría y principios de diseño. Primera edición. 2000. p 246.
61
La ecuación empleada para el cálculo de la producción teórica de metano es la
siguiente.
FcEfDíaKgDQOCDíaNmPM ××= )/()/3(
Donde:
PM = Producción de metano.
C = Carga de DQO.
Ef = Eficiencia remoción de DQO.
Fc = Vf = Factor de corrección por temperatura y presión.
62
3. RESULTADOS Y ANALISIS
3.1 CARACTERÍSTICAS DEL AGUA RESIDUAL DOMESTICA AFLUENTE
Como resultado de la caracterización realizada al agua residual doméstica
generada por los habitantes del barrio el Oasis, se obtuvieron los valores de los
parámetros fisicoquímicos (ver tabla 10), que sirvieron como base para el diseño
del sistema de tratamiento empleado en la investigación.
Tabla 10. Características Fisicoquímicas del agua residual doméstica del barrio el Oasis
PARÁMETRO UNIDADES VALOR pH UNIDAD 7.8 Temperatura °C 16.5 Turbiedad UNT 268 Color Pt – Co 85 Conductividad µS 82 Alcalinidad mg/L de CaCO3 137 Ácidos Grasos Volátiles mg/L 62.4 DQO mg/L 850 DBO5 mg/L 545 Sólidos Totales mg/L 826 Sólidos Disueltos Totales mg/L 560 Sólidos Suspendidos Totales mg/L 280 Sólidos Sedimentables ml/L 9.0
Fuente: Los Autores 2004.
De acuerdo a los valores obtenidos, se puede decir que la concentración de los
parámetros evaluados es media alta, según la clasificación mostrada en la tabla 1
del numeral 1.1. Esto se debe a que el agua residual no tiene un tiempo de
permanencia considerable en el sistema de alcantarillado que permita la dilución
de la misma; ya se había mencionado que el barrio el Oasis cuenta con una red
independiente de alcantarillado, lo cual permite que la descarga final se haga a
pocos metros del punto de generación.
63
El agua residual presentó en la mayoría de las oportunidades un color grisáceo
debido a la presencia de detergentes con bajo contenido de residuos sanitarios,
aunque eventualmente tomaba una coloración amarilla con el olor amoniacal
característico de la orina. Dos características encontradas en el agua residual que
hacen viable el uso de tratamiento biológico anaerobio son el pH y la alcalinidad;
el primero tiende a la presentar valores cercanos a la neutralidad y la alcalinidad la
cual, como es normal en los efluentes de tipo domestico, ofrece una capacidad
buffer que contrarresta la frecuente disminución de pH que se presenta en los
reactores anaerobios, especialmente en la etapa de arranque del sistema.
3.2 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS MEDIOS DE SOPORTE
EMPLEADOS
En la tabla 11 se presentan las principales características físicas de los medios de
soporte empleados en la investigación.
Tabla 11. Características de los medios de soporte empleados en la investigación.
CARACTERÍSTICAS ROSETA PLASTICA GRAVA MEDIA ANILLOS DE
GUADUA
Fotografía
Forma Roseta Cantos rodados Anillos Diámetro 18 cm. 3.5 cm. 8 cm. Longitud 5 cm. --------- 10 cm. Unidades Utilizadas 80 Aprox. 2400 150 Área superficial neta 100m2/ m3. 57 m2/ m3. 45 m2/ m3. Porosidad --------- 0.45 0.77 Porcentaje de vacíos 90 % 60 % 70 % Peso por unidad 85g 60 - 90g 85 -100g Peso del material (unid.) 6.8Kg 200Kg 13.5Kg Costo total del material $ 49.600 $ 32.000 $17.000
Fuente: Los Autores 2004.
64
Como se puede observar en la tabla anterior un solo elemento del material plástico
presenta las mejores características en cuanto a área superficial y porcentaje de
vacíos, lo cual favorece el tratamiento biológico ya que la primera característica
garantiza mayor área de contacto del agua residual con la biopelícula que se
forma sobre el material y por otra parte, el porcentaje de vacíos permite una
distribución uniforme del agua por todo el reactor, evitando de esta manera la
presencia de caminos preferenciales o cortos circuitos. Cabe aclarar que a pesar
que el área superficial de contacto neta del reactor con medio de soporte grava es
notoriamente mayor, esto no garantiza mayores eficiencias en el tratamiento dado
que al tener bajos espacios intersticiales se presentan áreas muertas, es decir
donde no se desarrolla la biopelicula. Lo anterior se ve reflejado en los resultados
de los análisis de laboratorio que demuestran mayores eficiencias de remoción en
términos de DQO para el medio plástico.
Otros parámetros de importancia respecto al material sintético son su bajo peso y
fácil manejo, de igual manera su tamaño y forma hacen que se requiera un menor
número de elementos por unidad de volumen. Dentro de las limitaciones que
presenta el uso de este material cabe destacar el alto costo del mismo.
Como se mencionó anteriormente, el valor de área superficial neta obtenido para
el medio de grava (57 m2/ m3) se debe, no al área de contacto que presenta cada
elemento, sino al número de cantos rodados por unidad de volumen. Con respecto
al porcentaje de vacíos, puede ser visto como un factor limitante en el uso de este
material, porque dado al reducido numero de intersticios se presenta mayor
retención de sólidos, lo cual puede generar la colmatación del reactor. Otros
factores adversos en este material tienen que ver con el peso, lo cual hace que
solo puedan ser empleadas estructuras pequeñas y resistentes, limitando así el
tratamiento para aguas residuales con caudales bajos. Adicionalmente se tiene
que la cantidad de unidades o cantos que se habrían de emplear por unidad de
volumen seria una cifra alta y se dificultaría su manejo.
65
La guadua es un material que presenta características satisfactorias para ser
empleado como medio de soporte ya que ofrece una superficie útil, bastante
amplia, lo cual permite establecer diferentes valores de área de contacto
dependiendo de la longitud de las unidades a utilizar*. Además de esto, su forma
cilíndrica hueca proporciona un alto porcentaje de vacíos (70 %), lo que permite
una buena distribución del flujo en todo el reactor evitándose así la formación de
caminos preferenciales y la colmatación del sistema.
Es necesario aclarar que la guadua, a pesar de ser un material biológico, presenta
una alta resistencia a la degradabilidad causada por el agua, agentes químicos y
biológicos, ya que cuenta con una superficie semipermeable. En cuanto al peso,
se puede decir que es un material liviano que no requiere estructuras complejas
para su soporte. Además de esto presenta ciertas ventajas como lo son el fácil
manejo, la baja cantidad de unidades a emplear, (lo cual depende de la longitud
de los trozos de guadua que se utilicen) y la rugosidad del medio, lo cual permite
mayor adherencia de los microorganismos; a esto se suma su fácil adquisición en
el país y bajo costo.
3.3 RESPUESTA DE LOS REACTORES ANTE EL ARRANQUE E
INOCULACIÓN.
Como resultado del arranque de los reactores con el caudal y carga orgánica
volumétrica de diseño, además de inocularlos con lodo proveniente de la PTAR
del municipio de Tenjo, se logró una disminución en el periodo de estabilización de
los microorganismos para adaptarse al nuevo sustrato suministrado (agua residual
del barrio el Oasis) y a las nuevas condiciones ambientales. Esto se vio reflejado
en los resultados de las eficiencias de remoción de DQO como se puede observar
en la grafica 1.
* Las unidades de guadua están constituidas por “trozos” o anillos procedentes del tallo de la planta.
66
Para efectos de síntesis y claridad en la redacción, en esta sección se denomina
Afluente al agua residual que proviene del desarenador y alimenta los reactores.
R1, al reactor que contiene como medio de soporte la roseta plástica, R2, al
reactor que contiene grava y R3, al que contiene guadua.
Gráfica 1. Arranque y estabilización del sistema RAP alimentado con agua residual del barrio el Oasis teniendo en cuenta la variación de la concentración de DQO.
CONCENTRACIÓN DE LA DQO
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0
900,0
1000,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS RAP(SEMANAS)
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
(mg/
L)
AFLUENTE EFLUENTE(R1) EFLUENTE (R2) EFLUENTE(R3)
ARRANQUE Y ESTABILIZACIÓN OPERACIÓN
Fuente. Los Autores 2004.
La gráfica anterior muestra que la estabilización de los reactores de plástico,
guadua y grava se presentó en las semanas 7, 8 y 9 respectivamente, dado que a
partir de este periodo se evidencio la disminución de la concentración de la DQO
de manera progresiva. Además del aumento en las eficiencias de remoción de
sólidos totales, sólidos suspendidos totales y sólidos suspendidos volátiles
principalmente.
En el periodo de arranque se manifestó una alta producción de ácidos grasos
volátiles (ver Grafica 9), debido a que la tasa de crecimiento de microorganismos
67
acidogenicos (productores de ácidos grasos) es mayor que el de los
metanogénicos (encargados de metabolizar los AGV), situación que genera un
desequilibrio entre la producción y el consumo de dichos ácidos. Generalmente
este fenómeno trae como consecuencia la acidificación del sistema, pero debido a
la capacidad buffer característica del agua residual doméstica se pudo controlar
este descenso en el valor del pH.
Otro parámetro que permite determinar la acidificación en el sistema es el
consumo de alcalinidad que se puede observar en el arranque de los reactores.
(Ver Grafica 9).
3.4 EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LOS REACTORES ANAEROBIOS DE
FLUJO A PISTÓN.
3.4.1 Análisis de los resultados de la evaluación de parámetros in situ. La
medición de los parámetros in situ o de campo efectuados con una frecuencia de
tres veces por semana, permitió controlar y evaluar el comportamiento de los
reactores en lo que concierne a la detección de las interferencias a las cuales
estuvo expuesto el sistema, considerando que se trata de un tratamiento
anaerobio en el cual, los factores ambientales y el sustrato tienen una influencia
directa en el desempeño de los microorganismos.
En la tabla 12 se muestra un consolidado semanal de los valores obtenidos
durante todo el periodo de estudio.
68
Tabla 12. Resultados de la evaluación de parámetros in situ. EFLUENTE DE LOS REACTORES ANAEROBIOS DE FLUJO A PISTÓN AFLUENTE DE LOS
REACTORES PLASTICO (R1) GRAVA (R2) GUADUA (R3) SEMANA pH Tem.
(°C) Turb. (UNT)
cond. (µS) pH Tem.
(°C) Turb. (UNT)
cond. (µS) pH Tem.
(°C) Turb. (UNT)
cond. (µS) pH Tem.
(°C) Turb. (UNT)
cond. (µS)
1 6,5 15,4 214,7 55,5 7,5 16,4 152 48 7 15,6 196 46 6,5 15,2 170 50 2 6 16,9 170,5 38,9 7,5 16,4 91 27,0 7,5 15,8 134 35 7,5 15,9 148 36 3 6,3 18,5 160 54,5 7,0 18,5 144 48,3 6,5 19,4 150 45 7 20,3 189 48 4 7,5 16,4 205 83 7,0 17,3 117 59,8 7 17,2 132 68 7,5 17,2 113 72 5 7,5 17,1 184 65 7,0 16,7 142 39,8 7 16,3 166 49 7,5 17,5 121 54 6 7,1 18,6 180 52 7,9 18,8 134 43 8,1 18,8 148 44 7,5 18,8 130 42 7 6,5 15,4 186,2 63 7,5 17,2 129 41 7 16,2 100 56 8 15,4 125 48 8 7,4 17,9 230 70 7,3 17,6 175 56 7,3 17,6 141 62 7,3 17,6 116 67 9 7,3 18,3 172 48 7,2 18,6 114 41 7,4 18,3 104 35 7,5 18,5 99,7 39 10 7,6 16,7 207 55 7,5 16,8 97 37 7,4 16,7 128 49 7,7 16,7 105 53 11 7,1 17,5 264 67 7,4 17,4 101 43 7,4 16,4 112 51 7,1 17,1 90,5 55 12 6,6 15,5 143 44 7,5 15,2 95 36 7,6 15 107 38 7,4 15,5 87 37 13 7,4 16,9 184 76 7,2 16,5 86 41,2 7,1 16,5 106 63 7,5 16,4 83 62 14 7,2 16,7 184 49 7,5 16,3 93 29,7 7,1 16,3 98,7 38 6,8 16,1 97 34 15 7 15,9 174 85 7 16,1 99 42 7 16,1 101,0 64 7 15,9 103 63 16 7,1 16,3 215,6 58 7,4 16,1 91 34 7,6 15,8 99,3 54 7,1 16,3 97 42 17 6,7 15,7 194,2 54 7,6 15,8 87 40 7,2 16,2 92 52 7,3 16,9 93 40 18 6,9 17,1 174,5 68 7,3 17,1 85 46 6,9 17,2 87,5 58 7 15,8 88 57 19 7,3 15,4 195 53 7 16,4 97 26 7,3 15,8 90,5 48 7,1 16,5 99 53 20 7,6 16,1 201 45 7,2 16,3 85 29 6,7 16,2 93 41 7,2 16 98 39
Fuente. Los Autores 2004.
Según la tabla anterior se puede determinar con respecto a las muestras del
afluente de los reactores, que el pH tuvo un valor promedio de 7.0 con un mínimo
de 6.0 y un máximo de 7.6, lo que favoreció el desarrollo y desempeño de los
microorganismos. La temperatura, como se dijo anteriormente, se mantuvo en un
rango sub – optimo ya que el promedio fue de 17°C, valor esperado teniendo en
cuenta que el sitio en el cual se construyo el sistema de tratamiento se encuentra
a los 2.600 m.s.n.m. Los datos de turbiedad y conductividad indican que el agua
residual afluente tiene un contenido de sólidos suspendidos y disueltos en niveles
normales.
Con respecto al efluente de los reactores anaerobios se puede establecer que
durante el periodo de estudio no se presento acidificación del sistema ya que el
valor promedio de pH en R1, R2 y R3 fue de 7.3, 7.2 y 7.3 respectivamente y el
valor mínimo observado fue de 6.5 en los reactores R2 y R3.
69
La temperatura promedio registrada fue de 16.9 en R1, 16.7 en R2 y 16.8 en R3.
El hecho de operar el sistema a temperaturas bajas, hace que el crecimiento
poblacional de los microorganismos sea más lento y por consiguiente la eficiencia
de remoción de materia orgánica sea menor en comparación con los sistemas que
operan en el rango óptimo de temperatura (30 – 40°C), dado que la disminución
de la temperatura por debajo del rango óptimo, genera descenso en el crecimiento
microbiano.
Con respecto a la turbiedad, se puede decir que se presenta una remoción
progresiva en los tres reactores, observándose un comportamiento similar en
cuanto a la tendencia creciente de la eficiencia y el porcentaje de remoción, ya
que el promedio de remoción fue para R1 de 41.0%; para R2 de 39.0% y para R3
de 41.9%; cada uno de ellos con un valor máximo de 61.7, 57.6 y 65.7%
respectivamente, esto se debe a que en el tratamiento se logró la disminución de
los sólidos suspendidos (Ver gráfica 4), gracias al mismo medio que los retiene o
asimila.
A diferencia de la turbiedad, la conductividad aun cuando presenta remoción en su
concentración durante todo el periodo de estudio en los tres reactores, su
disminución no muestra un comportamiento decreciente significativo, lo cual se ve
reflejado en el comportamiento de los sólidos disueltos, esto debido a que el agua
de consumo no presenta un alto contenido en sales.
3.4.2 Análisis de los resultados de la evaluación de los parámetros medidos en laboratorio. Por medio de la caracterización fisicoquímica de las principales
variables, se logró evaluar el desempeño de los reactores con su respectivo medio
de soporte y determinar aquél que mostrara mayor eficiencia en la remoción de la
materia orgánica, representada principalmente por la DQO durante el periodo de
estudio. A continuación se muestran los resultados de las diferentes variables
evaluadas y se hace un análisis del significado de los datos obtenidos y la
correlación entre los mismos.
70
3.4.2.1 Demanda Química de Oxígeno (DQO). La determinación de la DQO,
es una medida de la cantidad equivalente de oxígeno consumido por la materia
orgánica existente en una muestra de agua, al ser oxidada por un agente químico
oxidante fuerte35. Los valores de DQO obtenidos (Ver anexo A2), permitieron
determinar la eficiencia de los medios de soporte empleados en los reactores
anaerobios y comparar el desempeño de cada uno de ellos a lo largo del tiempo
de estudio. La gráfica 2 muestra el comportamiento de la concentración de la DQO
tanto en el afluente como en el efluente de los tres reactores durante las dos
etapas de funcionamiento del sistema (arranque y estabilización y operación).
Gráfica 2. Comportamiento de DQO con respecto al tiempo de funcionamiento de las unidades RAP alimentadas con agua residual del barrio el Oasis.
CONCENTRACIÓN DE LA DQO Vs. TIEMPO
0,0
100,0
200,0
300,0
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0
900,0
1000,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS RAP (SEMANAS)
CO
NC
EN
TRA
CIÓ
N (m
g/L)
AFLUENTE EFLUENTE (R1) EFLUENTE (R2) EFLUENTE (R3)
ARRANQUE Y ESTABILIZACIÓN OPERACIÓN
Fuente. Los Autores 2004.
Como se puede observar en la gráfica anterior, la concentración del afluente* de
los reactores presenta una variación entre un valor mínimo de 616mg/L y un
máximo de 928mg/L, con un valor promedio de 739mg/L.
35 SIERRA JORGE HUMBERTO. Análisis de aguas y aguas residuales. p. 419. * Cuando se habla de afluente en esta sección, se hace referencia al agua residual que ha pasado por un tratamiento preliminar en el desarenador y trampa de grasas y que entra directamente a los reactores anaerobios.
71
En la etapa de arranque y estabilización, los datos de la concentración de la DQO
en los reactores presentaron un comportamiento muy variable dado que los
microorganismos se encontraban en una etapa de adaptación al nuevo sustrato y
a las condiciones ambientales; sin embargo se presenta una disminución en la
concentración de este parámetro debido a la retención de sólidos, más no a la
digestión anaerobia ya que en el inicio de esta etapa los medios de soporte actúan
como medios filtrantes. Esto se puede evidenciar en las eficiencias de remoción
obtenidas en el reactor con medio de soporte de grava (R2), en el que, como era
de esperarse, al poseer espacios intersticiales menores, permite una mayor
retención de sólidos.
Por lo tanto, durante esta primera etapa de funcionamiento de los reactores, la
concentración promedio de DQO en el efluente fue de 409mg/L para R1, 404 mg/L
para R2 y 527mg/L para R3.
Con respecto a la etapa de operación, se puede decir que la disminución de la
concentración en los tres reactores es progresiva y la variación de los datos es
menor, toda vez que los microorganismos se encuentran adaptados al sistema y
desarrollando sus actividades metabólicas; es decir, degradando mediante la
digestión anaerobia, el contenido de materia orgánica del agua residual. Cabe
resaltar que durante todo el periodo, la concentración del efluente de R1 fue
notoriamente menor, alcanzando un valor mínimo de 164 mg/L, mientras que las
concentraciones en R2 y R3, presentan un comportamiento similar, con valores de
242 mg/L y 218 mg/L respectivamente; lo cual indica que el medio plástico tuvo un
mejor desempeño en la remoción de la materia orgánica (DQO).
Analizando los tres medios de soporte empleados, se puede afirmar que
permitieron eficiencias de remoción superiores al 65% en su etapa final;
Alcanzando un porcentaje máximo en R1 de 79 %, en R2 de 68% y en R3 de 71%
(Ver gráfica 3).
72
Gráfica 3. Eficiencias de remoción de DQO con respecto al tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis.
EFICIENCIAS DE REMOCIÒN DE DQO Vs. TIEMPO
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
T IEM P O D E F UN C ION A M IEN T O D E LOS R A P (SEM A N A S)
EFLUENTE (R1) EFLUENTE (R2) EFLUENTE(R3)
Fuente. Los Autores 2004.
El comportamiento de la gráfica anterior demuestra, que el desempeño de los
medios de soporte en el periodo de estudio fue favorable ya que el incremento en
el porcentaje de remoción es constante. Además de esto, se puede observar que
en las ultimas cuatro semanas, la variación del porcentaje de remoción disminuye
y el rango en el cual se encuentran estos valores es mucho menor, lo cual puede
indicar que los reactores están llegando a su eficiencia máxima.
Un aspecto que requiere especial atención es el desempeño del reactor con medio
de soporte de guadua, ya que a pesar de presentar las eficiencias más bajas en el
periodo de arranque, una vez estabilizado el reactor, logró valores de remoción
satisfactorios e incluso superiores a los de R2.
73
3.4.2.2 Sólidos Suspendidos Totales (SST). En la evaluación del desempeño
del sistema de tratamiento empleado, la medición de los (SST) fue un factor de
gran importancia ya que estos son un indicador de contaminación tanto orgánica
como inerte; por lo tanto al lograr su disminución, se pudo determinar la eficiencia
del sistema (por adsorción de los sólidos sobre el medio fijo y por precipitación en
la unidad de sedimentación final) en la degradación de compuestos orgánicos. La
gráfica 4 muestra la conducta que tuvieron los reactores en cuanto a la
disminución de la concentración de este parámetro.
La concentración de SST a la entrada de los reactores tuvo un comportamiento
inestable, puesto que presentó una fluctuación en un rango bastante amplio con
un máximo de 437mg/L y un mínimo de 235 mg/L. El valor promedio fue de
350mg/L y representa el 42.3% de los sólidos totales (Ver gráfica 4).
Gráfica 4. Concentración de Sólidos Suspendidos con respecto al Tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis.
CONCENTRACIÓN DE SOLIDOS SUSPENDIDOS Vs. TIEMPO
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
300,0
350,0
400,0
450,0
500,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TIEMPO DE FUNCIONAMIENOT DE LOS RAP (SEMANAS)
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
(mg/
L)
AFLUENTE EFLUENTE (R1) EFLUENTE (R2) EFLUENTE(R3)
Fuente. Los Autores 2004.
74
Como se puede observar en la gráfica anterior, la remoción de los SST en cada
uno de los reactores tuvo un comportamiento relativamente estable, puesto que la
concentración aun cuando fue disminuyendo de manera gradual durante el
periodo de estudio en los tres reactores, no se ve disminuida en un amplio
porcentaje. La menor concentración de este parámetro a la salida en cada uno de
los reactores fue de 71mg/L para R1, de 99mg/L para R2 y de 100mg/L para R3;
lo cual en términos de eficiencia equivale a una remoción máxima de 81% para
R1, 73% para R2 y 74% para R3 (Ver grafica 5).
Es importante resaltar que a diferencia de la medición de otros parámetros, en la
remoción de SST el reactor con medio de soporte plástico no presenta un
comportamiento sobresaliente al de los demás.
Gráfica 5. Eficiencia de Remoción de Sólidos Suspendidos con respecto al Tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis.
EFICIENCIA DE REMOCIÓN DE SOLIDOS SUSPENDIDOS Vs. TIEMPO
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS RAP(SEMANAS)
REM
OC
IÓN
(%)
EFLUENTE (R1) EFLUENTE(R2) EFLUENTE(R3)
Fuente. Los Autores 2004.
Con respecto a los sólidos sedimentables, los tres reactores alcanzaron un
promedio en el porcentaje de remoción de 97% en R1, 98.6% en R2 y 99.0% en
75
R3; este aspecto se debe en primera instancia a la retención y adhesión de los
mismos en los medios de soporte y en una menor proporción a la digestión
anaerobia. El anexo A7 permite observar que durante el periodo de estudio el
efluente de los reactores no presentó una concentración mayor a 0.7 ml/L de este
parámetro.
3.4.2.3 Alcalinidad y Ácidos Grasos Volátiles (AGV). En los procesos de
tratamiento anaerobio, la medición de la alcalinidad y de los ácidos grasos
volátiles es de gran importancia ya que permiten ejercer un control sobre el
funcionamiento y sobre todo son un indicador de la estabilidad del sistema.
Como se mencionó anteriormente, según los datos de pH indicados en la tabla 12,
no se presentaron problemas de acidificación del sistema por acumulación de
ácidos grasos volátiles durante el periodo de estudio. De igual manera, esto se ve
reflejado en la concentración de los mismos ya que los valores fueron
disminuyendo hasta alcanzar 36.7mg/L en R1, 39.9mg/L en R2 y 31.0mg/L en R3
(Ver gráfica 6). Según lo anterior cabe resaltar que el reactor con medio de
soporte de guadua fue el que presentó menor producción de AGV dado que a
partir de la sexta semana su concentración siempre estuvo por debajo de la de R1
y R2.
Teniendo en cuenta los comentarios recientes por funcionarios de DEGREMONT
de Colombia*, con relación a que no se debe permitir que la concentración de
ácidos grasos volátiles durante la etapa de arranque de reactores anaerobios
sobrepase el valor 100mg/L para evitar la acidificación del sistema; es importante
mencionar que durante el periodo de estudio dicha concentración solo fue
superada en la segunda semana por R1 con un valor de 132.0mg/L.
* Abril de 2004 durante la Cuarta Semana de Ingeniería Ambiental y Sanitaria en la Universidad de la Salle
76
Gráfica 6. Producción de Ácidos Grasos Volátiles en los RAP con respecto al Tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis.
ACIDOS GRASOS VOLATILES
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0
TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS RAP (SEMANAS)
CO
NC
ENTR
AC
IÓN
(mg/
L)
AFLUENTE EFLUENTE (R1) EFLUENTE(R2) EFLUENTE(R3)
Fuente. Los Autores 2004.
Por su parte, la grafica 7 muestra que la alcalinidad, durante las primeras
semanas, es decir, en el arranque y estabilización, tuvo un valor promedio inferior
a lo recomendado* (229 en R1, 203 en R2 y 261 en R3), debido a que los AGV no
eran degradados y transformados al mismo ritmo que eran producidos,
considerando que las bacterias metanogénicas tienen un crecimiento más lento
que las acetogénicas. No obstante, una vez estabilizado el sistema, las reacciones
metabólicas propias de la metanogénesis generaron como subproductos metano y
ácido carbónico; este último permitió la recuperación de la alcalinidad
bicarbonacea, razón por la cual se dice que los AGV aportan alcalinidad.
La siguiente ecuación ilustra una de las reacciones metabólicas de las bacterias
metanogénicas en donde el acetato es el sustrato.
−− +⎯⎯⎯⎯⎯⎯ →⎯+ 34
.23 HCOCHOHCOOCH CASMETANOGENIB
* Según lo dicho por Romero Rojas Jairo Alberto, el valor de la alcalinidad en un reactor anaerobio deberá oscilar entre 1.000 y 5.000 mg/L- CaCO3 .
77
El aumento progresivo en la concentración de la alcalinidad en los tres reactores
alcanzando un valor máximo de 379 en R1, 371 en R2 y 437 en R3, permite
determinar que en ellos el consumo de los AGV aportó alcalinidad bicarbonacea,
garantizando de esta manera la capacidad buffer del sistema.
Gráfica 7.Alcalinidad del sistema con respecto al Tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis.
ALCALINIDAD
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
300,0
350,0
400,0
450,0
500,0
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0
TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS RAP (SEMANAS)
Alc
alin
idad
(mg/
L- C
aCO
3)
AFLUENTE EFLUENTE (R1) EFLUENTE (R2) EFLUENTE (R3)
Fuente. Los Autores 2004
Es importante tener en cuenta la relación entre los ácidos grasos volátiles y la
alcalinidad (AGV / Alcalinidad), ya que los valores obtenidos son un indicador de la
estabilidad de los sistemas de tratamiento anaerobio. En general, según Ripley36,
valores superiores a 0.4 indican la ocurrencia de disturbios en el proceso de
digestión por inhibición de las bacterias productoras de metano.
La gráfica 8, muestra el comportamiento de los valores obtenidos a partir de la
relación AGV / Alcalinidad, durante el periodo de estudio en cada uno de los
reactores.
36 RIPLEY, L; BOYLE, W. y CONVERSE, J. Improved alkalinimetric monitoring for anaerobic digestión of high - strength wastes. En: Journal water poluttion control federation, V 58.
78
Gráfica 8. Relación AGV / Alcalinidad con respecto al tiempo de operación de los sistemas RAP alimentados con agua residual del barrio el Oasis.
RELACIÓN AGV / ALCALINIDAD
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS RAP (SEMANAS)
AG
V / A
LCA
LIN
IDA
D
AFLUENTE EFLUENTE (R1) EFLUENTE (R2) EFLUENTE (R3)
Fuente: Los Autores 2004. Con relación a lo mencionado anteriormente, se puede decir que los valores de la
relación AGV / Alcalinidad en el efluente de los reactores solo sobrepasaron el
limite establecido de 0.4 en dos ocasiones, semana 2 (R1 y R3) y semana 4 (R2 y
R3) correspondientes a la etapa de arranque del sistema; siendo el valor máximo
el alcanzado por R1 (0.53). Sin embargo, a partir de la octava semana, el valor de
AGV/Alcalinidad en el efluente de los tres reactores estuvo por debajo de 0.2, lo
cual indica que se mantuvo el equilibrio dinámico entre los grupos bacterianos
encargados de la digestión anaerobia.
Al igual que en otros reactores anaerobios, en este caso se pudo comprobar que
mientras el valor de esta relación disminuye, la eficiencia de remoción de materia
orgánica aumenta.
79
3.5 RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN MICROBIOLÓGICA DE LA
BIOPELÍCULA DESARROLLADA EN CADA MEDIO DE SOPORTE
La caracterización microbiológica de la biopelícula desarrollada en los medios de
soporte permitió describir, a grandes rasgos, el tipo de microorganismos que
Interactuaron en el proceso de degradación de la materia orgánica presente en el
agua residual y determinar el medio de soporte empleado que favoreció el
crecimiento y desarrollo de la biopelícula. La tabla 13 presenta un consolidado de
la caracterización cualitativa realizada.
Tabla 13. Análisis microbiológicos realizados a la biopelícula desarrollada en los medios de soporte empleados (plástico, grava y guadua).
ANÁLISIS DE LA BIOPELÍCULA DESARROLLADA EN CADA MEDIO DE SOPORTE
MEDIOS POBLACIÓN MICROBIANA IDENTIFICADA
PLÁSTICO
Observación en fresco*: se identificó una mediana flora bacteriana mixta, con
predominio de bacterias filamentosas formadoras de película, algunas algas
chrysophytas (Diatomeas), formas flageladas protozoarias, moderada concentración
de detritos y quistes de amebas; en baja proporción chrococos (cianobacterias) y
algas verdes (Chlorellas o Chyrellas).
Siembra en agares selectivos: la siembra de la biopelícula en agar papa destroza
permitió descartar el crecimiento de hongos y levaduras en la misma, lo que garantiza
la anaerobiosis del sistema; además de esto, el crecimiento poblacional en el agar
Brewer ratificó la ausencia de oxígeno y permitió identificar en la observación al
microscopio y mediante la tinción de Gram, una abundante población de bacilos con
tendencia filamentosa y estreptococos Gram - positivos.
La turbiedad en los caldos nutriente a pH 5 y triptosa confirman la presencia de
bacterias acidófilas y acetogénicas en el sistema; por otra parte el crecimiento
poblacional en el medio selectivo de bacterias metanógenicas confirmó la presencia
de estos microorganismos; aspecto de gran importancia ya que estos tres grupos de
bacterias (ver sección 1.2.1 y 2.8) son los encargados de realizar la digestión
anaerobia de la materia orgánica contenida en el agua residual.
* Observación directa en el microscopio de la muestra sin ningún tratamiento previo.
80
Continuación Tabla 13.
MEDIOS POBLACIÓN MICROBIANA IDENTIFICADA
GRAVA
Observación en fresco: Se identificó una abundante flora bacteriana filamentosa
especialmente de formas bacilares y cianobacterias acompañadas de chrococus.
Gran cantidad de Chlorella y algas verdes estaban presentes; además en una menor
proporción algunos flagelados como la euglena. También se observaron quistes de
ameba y moderada cantidad de detritos, escasa flora flagelada y pocas diatomeas.
Siembra en agares selectivos: al igual que con el medio plástico la siembra de la
biopelícula de este medio en agar papa destroza permitió descartar el crecimiento de
hongos y levaduras en la misma. La siembra en agar Brewer permitió la identificación
de cocos y estreptococos Gram - positivos, además de la formación de algas
filamentosas en menor cantidad. En los medios selectivos para bacterias
acetogénicas, acidófilas y metanogénicas se presentó un crecimiento bacterial
satisfactorio que fue comprobado por la presencia de turbiedad en los caldos y de
crecimiento poblacional en el agar.
GUADUA
Observación en fresco: Abundante flora bactriana mixta con predominio de
filamentosas y de zooglea formadora de película, gran cantidad de flagelados y de
protozoos, protozoos ciliados y proto flagelados; identificación de algas verdes
filamentosas (Chlorella) y de mediana concentración de diatomeas, crococus,
euglenas y quistes de amebas.
Siembra en agares selectivos: la siembra de la biopelícula de este medio en agar
papa destroza permitió descartar el crecimiento de hongos y levaduras en la misma.
El crecimiento poblacional en agar Brewer permitió identificar gran cantidad de
estreptococos, bacilos, cocos y diplococos, todos Gram - positivos; además de algas
de tipo chlorhormidium. En la biopelícula de este medio también se identificó
crecimiento poblacional de bacteria acidogénicas, acetogénicas y metanogénicas
mediante la siembra selectiva en caldo nutriente a pH 5, Triptosa y selectivo para
metanogenicas.
Fuente. Los Autores 2004.
81
En general, la presencia de abundantes poblaciones microbianas como las
bacterias filamentosas formadoras de película en la superficie de los tres medios
de soporte, indica que las características físicas como el área superficial y la
porosidad de los mismos favorecieron el desarrollo de los grupos microbianos
encargados de la digestión anaerobia; aspecto que se ratificó por los resultados
obtenidos en la siembra en medios selectivos para bacterias acetogénicas,
acidófilas y metanogénicas en los que se observó crecimiento.
3.6 PRODUCCIÓN DE METANO Y LODO EN LA TRASNFORMACIÓN DE LA
MATERIA ORGÁNICA
En las tablas 14 y 15 se muestra la producción semanal teórica de metano y lodo
en cada uno de los reactores. Con respecto al lodo es necesario aclarar que se
calcularon las cantidades de producción en base seca y húmeda asumiendo un
porcentaje de humedad del 98 %.
Tabla 14. Consolidado semanal de la producción teórica de metano en cada uno de los RAP .
PRODUCCIÓN DE METANO SEMANA R1 PLASTICO (Nm3) R2 GRAVA (Nm3) R3 GUADUA (Nm3)
1 0,32 0,39 0,07 2 0,31 0,36 0,19 3 0,23 0,28 0,13 4 0,38 0,28 0,21 5 0,36 0,35 0,29 6 0,57 0,60 0,27 7 0,38 0,34 0,28 8 0,35 0,35 0,26 9 0,47 0,29 0,35 10 0,54 0,37 0,38 11 0,42 0,32 0,30 12 0,60 0,44 0,48 13 0,48 0,35 0,33 14 0,83 0,63 0,60 15 0,59 0,38 0,42 16 0,61 0,40 0,43 17 0,93 0,78 0,81 18 0,86 0,76 0,74 19 0,82 0,70 0,74 20 0,74 0,64 0,67
TOTAL 10,8 9,0 7,9
Fuente: Los Autores 2004.
82
Tabla 15 Consolidado semanal de la producción teórica de lodo en cada uno de los RAP.
PRODUCCIÓN DE LODO EN BASE SECA PRODUCCIÓN DE LODO EN BASE HÚMEDA
SEMANA R1 PLASTICO (Kg)
R2 GRAVA (Kg)
R3 GUADUA (Kg)
R1 PLASTICO (Kg)
R2 GRAVA (Kg)
R3 GUADUA (Kg)
1 0,01 0,02 0,00 0,64 0,79 0,13 2 0,01 0,01 0,01 0,61 0,72 0,37 3 0,01 0,01 0,01 0,45 0,55 0,26 4 0,02 0,01 0,01 0,77 0,56 0,41 5 0,01 0,01 0,01 0,72 0,70 0,57 6 0,02 0,02 0,01 1,14 1,20 0,53 7 0,02 0,01 0,01 0,77 0,69 0,55 8 0,01 0,01 0,01 0,70 0,70 0,51 9 0,02 0,01 0,01 0,94 0,59 0,71 10 0,02 0,01 0,02 1,09 0,74 0,76 11 0,02 0,01 0,01 0,84 0,64 0,59 12 0,02 0,02 0,02 1,20 0,88 0,96 13 0,02 0,01 0,01 0,96 0,71 0,67 14 0,03 0,03 0,02 1,66 1,26 1,20 15 0,02 0,02 0,02 1,18 0,76 0,84 16 0,02 0,02 0,02 1,23 0,80 0,86 17 0,04 0,03 0,03 1,85 1,55 1,61 18 0,03 0,03 0,03 1,72 1,52 1,48 19 0,03 0,03 0,03 1,63 1,39 1,47 20 0,03 0,03 0,03 1,47 1,28 1,34
TOTAL 0,4 0,4 0,3 21,6 18,0 15,8
Fuente: Los Autores 2004.
La producción total de metano y lodo en cada uno de los reactores según las
aproximaciones teóricas realizadas, permite establecer que R1 al presentar mayor
remoción de compuestos orgánicos, también genera los valores más altos de
estos componentes (10.8 Nm3 de metano y 21.6Kg de lodo). Por su parte R2 y R3
presentan una producción total de metano y lodo de (9 Nm3 – 18Kg.) y (7.9Nm3 –
15.8Kg) respectivamente.
Tomando un valor teórico de la densidad del lodo igual a 1.017 Kg./L se tendría
una producción total en volumen de lodo de 22 L en R1, 18.3 L en R2 y 16 L en
R3.
Los anexos A7 y A8, presentan el comportamiento de la generación de estos
subproductos en cada uno de los reactores a lo largo del periodo de estudio. El
anexo A9 presenta las memorias de cálculo de los datos obtenidos.
83
4 MODELO DE SIMULACIÓN MATEMÁTICA
Con el fin de hacer una representación matemática del comportamiento de los
reactores anaerobios de flujo a pistón empleados en la investigación, en el
presente capitulo se desarrollan las ecuaciones que interpretan los fenómenos de
remoción de la matera orgánica.
Para la creación del modelo matemático aplicable al sistema de tratamiento
empleado, es decir con régimen hidráulico de flujo a pistón, se tomaron bases
fundamentales de fenómenos cinéticos y estequiométricos de la remoción de
sustrato en términos de DQO*, teniendo en cuenta que la concentración de la
materia orgánica varía con el paso del agua a través del reactor.
Es importante aclarar que las ecuaciones y bases teóricas empleadas para el
desarrollo del modelo de simulación matemática, fueron adoptadas de lo
establecido por Orozco J. Álvaro37.
4.1 CÁLCULO DE LA CONSTANTE CINÉTICA DE REMOCIÓN.
Para el cálculo de las constantes cinéticas de remoción de cada uno de los
reactores, se emplearon los resultados obtenidos de manera práctica en las
pruebas de laboratorio.
La constante cinética de remoción (K), representa los procesos físicos, químicos y
microbiológicos mediante los cuales la materia orgánica que entra al sistema (S1)
* Se emplean los datos de DQO debido a que el sistema es anaerobio. 37 OROSCO JARAMILLO, Álvaro. Bioingeniería de aguas residuales: Teoría y diseño. 2003.
84
es degradada, reduciendo de esta manera la concentración de la DQO en el
efluente (S2). Lo anterior, en forma de ecuación se puede expresar de la siguiente
manera:
21 SS K⎯→⎯
Entonces la variación de la concentración con respecto al tiempo (ds/dt) es:
KSdtdS
−=
Conociendo las concentraciones de DQO a la entrada y a la salida de los
reactores además del valor del tiempo de retención hidráulico, será posible
determinar el valor de K, mediante la antiderivada de la ecuación anterior, como
sigue:
∫∫ −= rtS
SdtK
SdS
0
1
2
CKtSSLn r +−=
2
1
Dado que la ecuación inmediatamente anterior es de la forma y = mx + b.
Graficando tr vs. Ln (S1/S2) y linealizando de acuerdo al método de los mínimos
cuadrados; se obtuvo el valor de la constante K, la cual corresponde a la
constante cinética de remoción de DQO dada en d-1(Ver anexo E1). Este
procedimiento fue aplicado para los tres reactores y los resultados son los que se
muestran en la tabla 16.
Tabla 16. Constantes cinéticas de remoción de DQO para cada reactor.
CONSTANTE CINETICA DE REMOCIÓN DE DQO (K)
PLASTICO (R1) GRAVA (R2) GUADUA (R3)
0 .0275 d-1 0.0294d-1 0.0546d-1
Fuente. Los Autores 2004.
85
4.2 OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN O MODELO MATEMÁTICO.
Para el planteamiento del modelo matemático de los reactores fue necesario
realizar el balance de masas del sistema. Teniendo en cuenta que el tratamiento
biológico empleado es de medio fijo o adherido y que el régimen de flujo es de tipo
pistón, la formulación es la siguiente:
SalidaVariaciónEntradanAcumulació −−=
( ) 00 .. QdSSdMbUSQdtdSdV +−−=
|Donde:
U = Tasa de remoción del sustrato.
dMb= Peso de la biomasa en el elemento de volumen.
Al desarrollar la formula anterior por integración (ver anexo E2) se obtiene la
ecuación que describe el comportamiento de la remoción del sustrato dentro de
los reactores.
TrXbaK
eSoS****
2∂−
=
Donde:
S = DQO del efluente (mg/L).
So= DQO del afluente (mg/L).
K = Constante cinética de remoción (d-1)
a = Área neta del medio de soporte (m2/m3).
∂ = Espesor del filme activo (m).
Xb = Masa activa fija por unidad de volumen de filme. (g/m3) de
biomasa.
tr = Tiempo de retención hidráulico
Q0 = Caudal (m3/día).
86
4.3 APLICACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO EN CADA UNO
DE LOS REACTORES CON SU RESPECTIVO MEDIO DE SOPORTE.
La ecuación del recuadro, es el modelo matemático que describe el
comportamiento de los reactores anaerobios de flujo a pistón a una temperatura
promedio entre 15 y 17°C y una presión atmosférica de 560mm Hg. Es importante
mencionar que las constantes a, ∂ y Xb son propias de cada material y fueron
determinadas mediante la caracterización realizada a los medios de soporte antes
y después de su utilización. Los valores de estas constantes se muestran en la
tabla 17.
Tabla 17. Constantes propias de los medios de soporte a emplear en el modelo.
CONSTANTES PLÁSTICO GRAVA GUADUA
a Área neta del medio de soporte (m2/m3). 100 57 35
Xb (SSV) Masa activa fija por unidad de volumen de filme. (g/m3) de biomasa. 974 1555 505
∂ Espesor del filme activo (m). 0.002 0.0015 0.003
Fuente: Los Autores 2004.
La constante Xb corresponde a los sólidos suspendidos volátiles de la biopelicula
formada en la superficie de los medios de soporte. Para la aplicación del modelo
este valor permanece constante y corresponde al promedio de los SSV de la
biopelicula en las cuatro últimas semanas de operación del sistema, en las cuales
este parámetro permaneció relativamente estable.
La tabla 18 muestra la comparación de los valores de la concentración de DQO
obtenidos de manera práctica y los alcanzados teóricamente mediante la
aplicación del modelo matemático.
87
Tabla 18. Comparación de los valores de la concentración de DQO obtenidos de manera práctica y Teórica.
Concentración de DQO (mg/L) PRACTICA Concentración de DQO (mg/L) TEÓRICA (MODELO) TIEMPO
(SEMANAS) Efluente (R1) Efluente (R2) Efluente (R3) Efluente (R1) Efluente (R2) Efluente (R3)
17 192 312 288 205 308 287 18 224 304 320 200 301 282 19 178 274 242 183 274 257 20 164 242 218 166 248 233
Fuente: Los Autores 2004.
El anexo E3 muestra las memorias de cálculo de la concentración teórica de DQO,
resultado de la aplicación del modelo matemático.
La validación del modelo matemático fue realizada para los datos obtenidos en el
último mes de funcionamiento de los reactores dado que en este periodo, la
estabilización del sistema, permite suponer que los valores de Xb y ∂ permanecen
constantes. En el anexo E4 se presentan las gráficas de la concentración teórica y
práctica de la DQO contra el tiempo, en las cuales se puede observar la similitud
entre sus valores. Lo anterior indica que la aplicación del modelo arroja valores
confiables.
Cabe anotar que no se tiene en cuenta el periodo de arranque del sistema en la
validación del modelo, dado que la biopelicula está en etapa de desarrollo y por lo
tanto, los valores de ∂ (Espesor del filme activo) y Xb (Masa activa fija por unidad de
volumen de filme), aumentan con el tiempo.
El anexo E5 muestra un ejemplo de aplicación del modelo obtenido, en el diseño a escala
real de un reactor anaerobio de flujo a pistón para el tratamiento del agua residual
generada por la población total del barrio el oasis.
88
5.0 MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO PARA EL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS EMPLEADO EN LA
INVESTIGACIÓN
5.1. OPERACIÓN GENERAL DEL SISTEMA.
El tratamiento piloto diseñado para tratar agua residual doméstica del barrio el
Oasis, partió de una concentración de DQO de 850mg/L y una población de 9
habitantes; el sistema seleccionado para la investigación fue un reactor anaerobio
de flujo a pistón RAP, acompañado de un tratamiento preliminar que consta de
una unidad de desarenadora y trampa de grasas. El sistema funciona
completamente a gravedad, maneja un caudal máximo de 67 L/h. para un tiempo
de retención de 13.5 h; logrando con esto una eficiencia teórica del 90% en
términos de remoción de DQO.
El siguiente manual describe las diferentes actividades de operación y
mantenimiento que deben realizarse al sistema para garantizar el correcto
funcionamiento.
5.2. CONTROL Y SEGUIMIENTO DEL SISTEMA
Con el fin de llevar un control del comportamiento del sistema y evaluar el
desempeño de los medios de soporte, se debe realizar periódicamente medición
de parámetros in situ y análisis de laboratorio. En la tabla 13 se muestran los
parámetros que se deben medir, el punto de muestreo, la técnica a seguir y la
frecuencia de realización del análisis.
89
Todos los análisis deben hacerse siguiendo los lineamientos establecidos en el
Standard Methods for Examination of Water and Wastewater y los protocolos para
el análisis de aguas del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios
Ambientales IDEAM.
Se debe realizar un seguimiento del resultado de los análisis con el fin de tomar
medidas correctivas en caso de presentarse cualquier tipo de alteración en el
funcionamiento del sistema.
Además de los análisis de laboratorio el operador deberá llevar un libro diario de
campo en el que se registre el comportamiento del sistema y los problemas que
se presenten en el funcionamiento del mismo así como las soluciones adoptadas.
Tabla 19. Análisis que se deben realizar al sistema para ejercer un control del funcionamiento del mismo.
PARÁMETRO PUNTOS DE MUESTREO TÉCNICA DE ANÁLISIS FRECUENCIA
Potencial de Hidrógeno (pH) Potenciómetro ínterdiaria Temperatura (T) Termómetro ínterdiaria Conductividad Conductímetro ínterdiaria
Turbiedad Turbidímetro ínterdiaria DQO Reflujo abierto Semanal DBO5 Respirometría Semanal
Sólidos Totales Gravimetría Semanal Sólidos Volátiles Gravimetría Semanal
Sólidos Fijos Gravimetría Semanal Sólidos Disueltos Totales Gravimetría Semanal
Sólidos Disueltos Fijos Gravimetría Semanal Sólidos Disueltos Volátiles Gravimetría Semanal
Sólidos Suspendidos Totales Gravimetría Semanal
Sólidos Suspendidos Fijos Gravimetría Semanal Sólidos Suspendidos
Volátiles Gravimetría Semanal Sólidos Sedimentables Gravimetría Semanal
Alcalinidad Titulometría Semanal Ácidos Grasos Volátiles
Las muestras para la
realización de todos los análisis deberán tomarse en
los siguientes puntos:
1. Salida del desarenador.
2. Salida del reactor
con medio de soporte plástico.
3. Salida del reactor
con medio de soporte grava.
4. Salida del reactor
con medio de soporte guadua. Titulometría Semanal
Fuente. Los Autores 2004.
90
5.3. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LAS UNIDADES DEL SISTEMA
5.3.1 Retención de sólidos
Descripción y Objeto: malla de 3/8” instalada en el último pozo de inspección de
la red de alcantarillado del barrio el Oasis al inicio en la acometida para captación
de flujo, ubicada con el fin de impedir el acceso de sólidos de gran tamaño a la
tubería de conducción.
Operación Normal:
• La materia orgánica contenida en el agua residual choca contra la malla
permitiendo su desintegración, lo que hace que esta entre al sistema con un
menor tamaño más fácil de digerir por los microorganismos.
• El material retenido en la malla debe ser removido una vez al día o cuando
se presente colmatación. Esto debe hacerse manualmente utilizando
guantes de caucho, tapabocas, botas de caucho y overol.
Posibles Problemas:
• Colmatación de la malla y disminución del caudal de entrada al sistema.
• Paso de sólidos gruesos y taponamiento de la tubería de conducción.
• Obstrucción de las válvulas que permiten el paso del flujo hacia el
desarenador por la acumulación de sólidos.
91
Medidas Correctivas:
• La limpieza de la malla debe realizare como mínimo una vez al día,
supervisando constantemente para controlar la posible colmatación de la
misma causada por plásticos, telas o cualquier sólido que pueda impedir el
paso del flujo hacia el sistema.
• En época de lluvias se debe aumentar la frecuencia de limpieza a 2 veces
al día, puesto que el arrastre de sólidos aumenta de manera considerable.
5.3.2 Tuberia de conducción
Descripción y Objeto: Tubería de PVC, de 1 ½ “de diámetro, y 3.5m de longitud.
Su objeto es conducir el agua residual que alimenta el sistema hacia los
desarenadores.
Operación Normal:
• Permanece a flujo lleno debido a la restricción del paso de flujo causado por
las válvulas 1 y 2 (Ver anexo B1).
Posibles Problemas:
• Obstrucción de la tubería por el paso de sólidos gruesos a través de la
malla.
• Formación de lodo al interior de la tubería y por consiguiente obstrucción de
las válvulas 1 y 2 que permiten el paso el caudal de diseño los
desarenadores (Ver Anexo B1).
• Ruptura de la tubería.
92
Medidas Correctivas:
• Para evacuar el lodo acumulado en la tubería se deben abrir los universales
1 y 2(Ver Anexo B1) y recolectar los lodos en un balde para ser dispuestos
en el lecho de secado*.
• En el caso de presentarse una obstrucción se debe sondear la tubería; esto
se hace abriendo una de las universales 1 o 2 e introduciendo una sonda
rígida de cuatro metros de largo al interior de la tubería. (Ver Anexo B1).
• Una vez realizada la purga o el sondeo se deben cerrar los universales
cerciorándose que no se presenten fugas.
• En caso de ruptura, se deberá impedir la entrada del flujo al sistema y
proceder a su cambio.
5.3.3 desarenador y trampa de grasas
• Descripción y Objeto: Consiste en dos cámaras desarenadoras dentro de
la misma estructura, cada una de ellas cuenta con tres bafles que facilitan
la separación de grasas. Su objeto es retener partículas sedimentables
como arena, tierra, restos de comida y grasas no emulsionadas, que no son
fácilmente asimiladas por los microorganismos encargados del tratamiento.
Operación Normal y Mantenimiento:
• Cada cámara de desarenado esta diseñada para tratar todo el caudal de
diseño, por lo tanto, solamente se operará con una unidad mientras que la
otra se mantendrá en stand – by para efectos de limpieza y mantenimiento. * Cabe aclarar que los lechos de secado deberán ser construidos ya que no fueron incluidos en el sistema empleado para la investigación debido a que en el periodo de la misma la generación de lodo no fue considerable.
93
• Para cambiar el desarenador que se encuentra en funcionamiento se debe
proceder de la siguiente manera:
1. Cerrar la válvula 1 o 2 que alimenta al desarenador en operación. (Ver
Anexo B1)
2. Quitar el tapón roscado que se encuentra en el desarenador que va a
entrar en funcionamiento.
3. Colocar el tapón roscado en el desarenador que va a ser limpiado.
4. Graduar la válvula de entrada al desarenador de tal forma que
suministre el caudal e diseño (45 L/h). Para Graduar la válvula se
procede de la siguiente manera:
• Utilizando un Beaker de 250 ml y un cronometro; se realizan
diferentes aforos volumétricos abriendo y cerrando la válvula hasta
obtener el caudal de diseño.
• Para realizar la limpieza del desarenador se debe retirar todo el material
sólido y liquido contenido en el mismo utilizando un recipiente pequeño y un
balde. Además de esto se debe usar guantes, tapabocas, overol y botas de
caucho.
• Los lodos retirados deben ser dispuestos en los lechos de secado, se bebe
rociar cal sobre los lodos para evitar la generación de malos olores.
• Se debe hacer una remoción constante de grasas y sobrenadantes
presentes en el desarenador. Este material también deberá ser dispuesto
en los lechos de secado.
94
5.3.4 Tubería de alimentación de los reactores
Descripción y Objeto: Este es un sistema de tuberías de 3/4” que divide en tres
partes iguales el caudal proveniente del desarenador, cuenta con universales que
permiten su limpieza y con válvulas tipo bola de ¾ “de diámetro, proveen a los
reactores el caudal de diseño.
Operación Normal:
• Este sistema de tuberías debe permanecer libre de sólidos sedimentables.
• Las válvulas 3, 4 y 5 (ver Anexo B1) deben estar correctamente graduadas
para suministrar a los reactores el caudal de diseño.
Posibles Problemas:
• Paso de sedimentos del desarenador a las tuberías.
• Interrupción del flujo de entrada a los reactores por taponamiento de
válvulas.
Medidas Correctivas:
• Para realizar la limpieza de la tubería de repartición se debe proceder de la
siguiente manera:
1. Cerrar la válvula 1 0 2 (Ver Anexo B1) que permite el paso del flujo al
desarenador en funcionamiento.
2. Esperar hasta que se suspenda el paso de agua a los reactores.
3. Abrir los universales 3, 4, 5 y 6. ( Ver Anexo B1)
4. Recolectar los sedimentos y lavar la tubería.
5. El material recolectado debe ser dispuesto en los lechos de secado, se
bebe rociar cal sobre los lodos para evitar la generación de malos olores.
95
6. Instalar nuevamente la tubería cerciorándose que los universales no
presenten escape.
7. Graduar la válvula de entrada al desarenador de la siguiente manera:
• Utilizando un Beaker de 250 ml y un cronómetro se realizan
diferentes aforos volumétricos abriendo y cerrando la válvula hasta
obtener el caudal de diseño.
• Si por algún motivo fue necesario abrir o cerrar las válvulas 3, 4 o 5 que
alimentan los reactores, éstas también deberán ser graduadas como se
describió anteriormente.
5.3.5 Reactores anaerobios de flujo a piston con medios de soporte de plástico,
grava y guadua.
Descripción y objeto: la estructura esta compuesta por tres RAP en paralelo con
características iguales, cada uno con un medio de soporte diferente (plástico,
grava y guadua) cada reactor tiene un volumen efectivo de 0.16 m3, maneja un
caudal de 0.015m3/h, con un tiempo de retención de 13.5 horas. Su objeto es
permitir el contacto entre el sustrato y los medios de soporte para llevar a cabo la
degradación de la materia orgánica existente en el agua residual doméstica, la
eficiencia teórica de remoción en términos de DQO es del 90%.
Operación Normal:
• En operación normal los reactores presentan una capa superficial de nata
que impide la entrada de rayos solares garantizando el tratamiento
anaerobio del agua residual.
• Como producto de la digestión en cada una de las cámaras de los reactores
se presenta formación de lodo. El cual deberá ser purgado
96
• Para la purga de lodos se debe proceder de la siguiente manera:
1. Para la purga de lodos de los reactores de plástico y grava se tiene
una manguera que tiene adaptado un buge de 1 a ¾ “ de diámetro
en uno de sus extremos. Esta deberá ser instalada en la válvula de
la cámara que va a ser purgada.
2. Introducir el buge de la manguera anteriormente nombrada en la
válvula 6 sin permitir escape (Ver Anexo B1).
3. Colocar un balde al final de la manguera.
4. Abrir la válvula 6 y permitir que salga todo el lodo.
5. Cuando termina la salida del lodo y empieza a salir agua se debe
cerrar la válvula completamente sin permitir escapes.
6. Este mismo procedimiento debe realizarse para todas las cámaras
de los reactores en el siguiente orden:
7. Instalar manguera en la válvula 9 correspondiente a la segunda
cámara del reactor de plástico (Ver Anexo B1).
8. Instalar manguera en la válvula 12 correspondiente a la tercera
cámara del reactor de plástico (Ver Anexo B1).
9. Secuencialmente instalar la manguera en las válvulas 7, 10 y 13
correspondientes a la primera, segunda y tercera cámara del reactor
de grava (Ver Anexo B1).
10. Para la purga de lodos del reactor de guadua ya se tienen instaladas
las mangueras, por lo tanto se debe proceder de la siguiente
manera:
Abrir las válvulas 8, 11 y 14 y permitir que salga todo el lodo
(Ver Anexo B1).
Cuando termina la salida del lodo y empieza a salir agua se
debe cerrar la válvula completamente sin permitir escapes.
97
11. El lodo recolectado debe disponerse en los lechos de secado, se
bebe rociar cal sobre los lodos para evitar la generación de malos
olores.
.
12. Para la purga de lodos el operario deberá usar: guantes, tapabocas,
overol y botas de caucho.
Posibles Problemas:
• Entrada de sustancias toxicas o inhibidoras a los reactores, que afecten el
comportamiento de los microorganismos.
• Colmatación de los reactores causada por la excesiva retención de sólidos.
• Ruptura de válvulas o tuberías.
• Acidificación del sistema.
• Insuficiente formación de nata en la superficie de los reactores.
Medidas Correctivas:
• En los tres primeros casos nombrados anteriormente se deberá vaciar
completamente el reactor o los reactores afectados e iniciar de nuevo el
periodo de arranque.
• Vaciado total del reactor: En caso de que por cualquier circunstancia se
haga necesario vaciar completamente uno o todos los reactores se deberá
proceder de la siguiente manera:
98
1. Cerrar la válvula 1 o 2 que alimenta el sistema (Ver Anexo B1).
2. Introducir el buge de la manguera utilizada para purga de lodos en la
válvula de la primera cámara del reactor a ser vaciado.
3. Colocar un balde al final de la manguera.
4. Abrir la válvula y permitir que salga todo el lodo, parte de este lodo
deberá ser analizado en laboratorio para determinar si puede ser
utilizado para el arranque posterior del reactor, esto dependerá del
estado del mismo y de la actividad metanogénica que presente.
5. Cuando termina la salida del lodo y empieza a salir agua se debe
cerrar la válvula completamente.
6. El lodo recolectado deberá ser dispuesto en los lechos de secado,
se bebe rociar cal sobre los lodos para evitar la generación de malos
olores.
7. Para la evacuación del agua se deberá instalar una manguera mas
larga que permita conducir el agua hasta el emisario final del
alcantarillado.
8. Una vez instalada la manguera se deberá abrir la válvula
correspondiente y permitir la salida de toda el agua contenida en la
cámara.
9. Este mismo procedimiento deberá seguirse en la cámara dos y tres.
• Para proceder nuevamente al llenado y arranque del reactor o los reactores
desocupados el operador deberá proceder de la siguiente manera:
1. Cerrar las válvulas de los reactores evitando la presencia de fugas.
2. Permitir la entrada del agua residual al sistema de manera paulatina,
realizando la graduación de las válvulas de la siguiente manera:
99
Utilizando un Beaker de 250 ml y un cronometro se realizan
diferentes aforos volumétricos abriendo y cerrando la válvula
hasta obtener el caudal de diseño.
3. El llenado de los reactores debe demorar 13.5 horas correspondiente
al tiempo de retención de diseño.
4. Para disminuir el periodo de arranque de los reactores se
recomienda inocularlos utilizando lodo proveniente de un sistema
anaerobio que utilice el mismo sustrato al que estará sometido en el
sistema, es decir, agua residual doméstica.
5. Para la inoculación del sistema el operador deberá proceder de la
siguiente manera:
Una vez obtenido el lodo se beberá verter a cada cámara del
reactor un volumen de lodo no mayor al 30% del volumen de
la misma.
Por un periodo de una semana se deberá disminuir el caudal
de entrada a los reactores con el fin de aumentar el tiempo de
retención y favorecer la aclimatación del inóculo al nuevo
sustrato y a las nuevas condiciones ambientales.
• En el caso de presentarse acidificación en los reactores se deberá proceder
de la siguiente manera:
1. Diluir Cal viva en agua.
2. Suministrar dicha solución a los reactores a medida que se va
tomando un registro en el valor del pH de los mismos.
3. Esto debe hacerse hasta alcanzar un pH neutro en los reactores.
• Cuando no se presenta la nata en la superficie de los reactores, estos
deberán permanecer cubiertos de modo que se impida la entrada de O2 y
rayos solares a los mismos.
100
5.3.6 Sedimentadores
Descripción y objeto. El sedimentador tiene un volumen de 0.045m3 y una altura de 1.0m, cuenta con
una tolva para la recolección de lodos, así como con una válvula que permite su
extracción. Tiene como fin retener los sólidos que no son removidos en los
reactores.
Operación Normal:
• El agua tratada en el reactor pasa al sedimentador a través de una tubería
conectada a un feed well. Al separarse los sólidos, el agua clarificada es
recogida en la parte superior del sedimentador por una tubería que la
conducirá al rió Tunjuelito.
• En el proceso de separación de sólidos, se genera lodo que es acumulado en
una tolva. Para su purga se deberá proceder de la siguiente manera:
1. En la parte inferior de la tolva se encuentra instalada una válvula tipo
bola de 1” de diámetro conectada a una manguera.
2. Abrir la válvula (15, 16 o 17) para el sedimentador del reactor con
medio de soporte plástico, grava o guadua respectivamente.
3. Recolectar los lodos en un balde hasta que empiece a salir agua
clarificada con bajo contenido de sólidos.
4. Cerrar la válvula cerciorándose que no se presenten fugas.
5. Disponer los lodos recolectados en los lechos de secado, se bebe
rociar cal sobre los lodos para evitar la generación de malos olores.
6. Para realizar la purga del lodo, el operario deberá usar: guantes,
tapabocas, overol y botas de caucho. Posibles problemas:
• Presencia de material flotante.
101
• Excesiva acumulación de lodo.
Medidas correctivas
• El material flotante deberá ser retirado de la superficie de los
sedimentadores y dispuesto en los lechos de secado.
• Se deberá realizar la purga de los sedimentadores frecuentemente para
evitar la excesiva acumulación de lodo en la tolva, para la purga se debe
proceder como se describió anteriormente.
5.3.7 Lechos de secado
Objeto:
Someter el lodo excedente del sistema de tratamiento que ya no tienen
ninguna utilidad a un proceso de secado para facilitar su posterior manejo.
Operación Normal:
• Manualmente se disponen sobre los lechos de secado los lodos
provenientes del sistema.
• Se debe esperar a que el contenido de humedad en el lodo disminuya y
permita el fácil manejo de los mismos.
• Los lodos secos pueden disponerse en los pastizales cercanos al
sistema de tratamiento a manera de abono.
• Cada vez que se va a disponer lodo en los lechos se debe retirar el
material que se encuentra ocupando los mismos.
Posibles problemas:
• Generación de olores ofensivos.
Medidas correctivas
• Para evitar la generación de olores, los lodos dispuestos en los lechos
de secado deberán ser rociados frecuentemente con cal.
102
CONCLUSIONES
Comparando los tres medios de soporte evaluados, la roseta plástica permitió
alcanzar los mejores resultados de remoción de la DQO y de SST (79 y 81%
respectivamente) puesto que sus características físicas de área de contacto y
porcentaje de vacíos son las más favorables para el desarrollo y crecimiento de la
biopelicula encargada de la degradación de la materia orgánica contenida en el
agua residual doméstica.
El uso de los anillos de guadua como medio de soporte, se constituye en una
alternativa viable para el tratamiento anaerobio de agua residual doméstica por
medio de procesos de película bacterial adherida, puesto que además de alcanzar
eficiencias de remoción considerables (71% de DQO Y 73% de SST), presentan
características físicas que permiten el desarrollo de la biopelícula y su costo es
notoriamente menor al de los demás materiales empleados.
La grava como medio de soporte, es la alternativa menos favorable ya que
además de alcanzar las menores eficiencias de remoción de DQO, presenta
tendencia a la colmatación, menor superficie de contacto y su peso es
aproximadamente 30 veces mayor que el del plástico y 15 veces más que el de la
guadua, aspecto que dificulta su manejo.
El uso de los anillos de guadua como medio de soporte representa una reducción
de un tercio del precio con respecto a la roseta plástica y la mitad del precio en
relación a la grava, dado que el metro cúbico de Plástico cuesta $300.000.o, el de
Grava $200.000.o y el de Guadua $105.000.o.
103
Los análisis microbiológicos realizados a la biopélicula formada en cada uno de los
medios de soporte permitieron observar una mayor densidad de flora microbiana
mixta en la guadua, lo cual quiere decir que la superficie de este medio favorece la
adhesión de los microorganismos y por lo tanto, su crecimiento y desarrollo.
La estructura de la roseta plástica y de los anillos de guadua, evita la formación de
caminos preferenciales dentro del reactor y disminuye la probabilidad de
colmatación del sistema por retención de sólidos.
Durante el periodo de arranque de los reactores anaerobios que utilizan el
mecanismo de película bacterial adherida, la eficiencia de remoción en términos
de DQO se debe principalmente a la retención de sólidos en los medios de soporte
y en menor proporción a la degradación de los compuestos orgánicos. La razón de
ello obedece a que los diferentes grupos microbianos encargados de la digestión
anaerobia están en su fase de adaptación y de crecimiento.
El modelo de simulación matemática se constituye en una herramienta básica para
el diseño de reactores anaerobios de flujo a pistón que utilicen como medio de
soporte el plástico, la grava ó la guadua. Bajo condiciones climáticas similares a
las que se desarrolló la investigación, ya que permitirá obtener el tiempo de
retención al que deberá someterse el agua residual al pasar a través del lecho
para alcanzar las eficiencias esperadas de remoción de DQO.
Los datos de DQO del efluente de los reactores, obtenidos teóricamente por la
aplicación del modelo matemático, presentaron un error máximo del 6% con
relación a los obtenidos de manera práctica. Lo cual garantiza la confiabilidad del
modelo.
104
Teniendo en cuenta que teóricamente la estabilización de los sistemas anaerobios
en la remoción de materia orgánica se presenta a partir del tercer mes de
operación (en este caso se observó antes de la novena semana en los tres
reactores), se puede determinar que la inoculación permitió disminuir el tiempo de
arranque y estabilización del sistema.
Las variables más importantes en el diseño de los reactores anaerobios de flujo a
pistón son el tiempo de retención hidráulico, la carga orgánica volumétrica, la
velocidad ascensional de las partículas y la eficiencia de remoción en términos de
la DQO.
Ninguno de los reactores alcanzó la eficiencia de remoción teórica (89%) durante
el periodo de estudio, sin embargo, la tendencia creciente que se observa en las
gráficas de remoción de la DQO y los SST, indica que los sistemas no han
alcanzado su límite de remoción.
A pesar de haber desarrollado el proyecto en una región con temperaturas
inferiores a las óptimas esto no afecto el comportamiento de los reactores con
respecto a las eficiencias de remoción
Dado que el agua residual doméstica ofrece una gran capacidad amortiguadora,
no fue necesaria la adición de sustancias neutralizantes, como suele suceder con
sustratos industriales que tienden a una acidificación.
Se diseñó, construyó y se puso en funcionamiento un sistema de tratamiento piloto
compuesto por un desarenador - trampa de grasas y tres reactores anaerobios de
flujo a pistón con su respectivo medio de soporte; lo cual permitió simular
condiciones reales de operación puesto que el flujo fue continuo.
105
RECOMENDACIONES
Continuar la investigación haciendo variaciones al caudal para evaluar el
comportamiento del sistema a diferentes tiempos de retención hidráulica, de tal
manera que se determine el caudal máximo que puede ser tratado en el sistema
obteniendo eficiencias de remoción satisfactorias
De continuar funcionando el sistema de tratamiento, el personal encargado deberá
seguir las especificaciones del manual de operación y mantenimiento para
garantizar el correcto desempeño del mismo.
Utilizar la estructura hidráulica construida para realizar otras investigaciones, tales
como la comparación entre diferentes materiales no convencionales que puedan
representar mayor beneficio económico por su bajo costo y que cuenten con
características físicas tales que permitan el desarrolló de la película biológica.
Teniendo en cuenta que uno de los problemas más frecuentes en el
funcionamiento de los procesos de tratamiento anaerobio es la acidificación del
sistema, en el monitoreo de la estabilidad de los reactores anaerobios debe
tenerse en cuenta que la relación entre los AGV y la alcalinidad debe estar entre
un valor de 0.20 y 0.40 y el pH no debe estar por debajo de 6.5.
Se debe construir un lecho de secado para disminuir el contenido de humedad de
los lodos en exceso generados en los reactores y de esta manera facilitar su
posterior manejo.
106
ANEXOS
107
ANEXO A. RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LOS
REACTORES ANAEROBIOS DE FLUJO A PISTÓN.
ANEXO A1. Eficiencia de remoción de la turbiedad en el sistema con respecto al
tiempo.
EFICIENCIA DE REMOCIÓN DE LA TURBIEDAD
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS RAP (SEMANAS)
EFIC
IEN
CIA
(%)
EFLUENTE (R1) EFLUENTE (R2) EFLUENTE (R3)
108
ANEXO A2. Consolidado del comportamiento de la DQO en el sistema.
EFICIENCIAS DE REMOCIÓN DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO)
EFLUENTE DE LOS REACTORES
TIEMPO
AFLUENTE
A LOS
REACTORES PLASTICO (R1) GRAVA (R2) GUADUA (R3)
Semana Concentración
(mg/L)
Concentración
(mg/L)
Remoción
(%)
Concentración
(mg/L)
Remoción
(%)
Concentración
(mg/L)
Remoción
(%)
1 732 480 34 420 43 680,0 7,1
2 620 376 40 336 46 472 24
3 724 544 25 504 30 620 14
4 648 344 47 424 34 484 25
5 628 344 45 352 44 400 36
6 780 328 58 304 61 568 27
7 748 444 41 476 36 528 29
8 668 390 42 390 42 464 30
9 770 398 48 536 30 490 36
10 752 320 57 460 39 452 40
11 616 284 54 364 41 380 38
12 708 232 67 360 49 328 54
13 688 308 55 408 40 424 38
14 880 220 75 380 57 404 54
15 684 216 68 384 44 352 48
16 724 236 67 408 44 384 47
17 928 192 79 312 66 288 69
18 906 224 75 304 66 320 65
19 826 178 78 274 67 242 71
20 748 164 78 242 68 218 71
FUENTE: Los Autores 2004.
109
ANEXO A3. Tabla de consolidado del comportamiento de los Sólidos
Suspendidos Totales en el sistema.
EFICIENCIAS DE REMOSCIÓN DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES (SST)
EFLUENTE DE LOS REACTORES
TIEMPO
AFLUENTE
A LOS
REACTORES PLASTICO (R1) GRAVA (R2) GUADUA (R3)
Semana Concentración
(mg/L)
Concentración
(mg/L)
Remoción
(%)
Concentración
(mg/L)
Remoción
(%)
Concentración
(mg/L)
Remoción
(%)
1 199 50 167 57 208 47 199
2 159 46 136 54 172 42 159
3 203 50 168 59 202 50 203
4 151 36 132 44 119 49 151
5 109 65 131 58 179 43 109
6 124 63 162 52 160 52 124
7 120 53 101 60 132 48 120
8 115 70 117 69 152 60 115
9 95 74 138 62 120 67 95
10 130 69 149 64 155 62 130
11 101 60 102 59 109 57 101
12 113 72 119 70 168 58 113
13 97 74 124 67 159 58 97
14 90 74 126 63 133 62 90
15 72 76 117 60 131 56 72
16 132 60 115 65 113 65 132
17 118 71 153 63 137 67 118
18 83 78 100 73 100 73 83
19 95 78 117 73 134 69 96
20 70 81 109 70 106 71 71
FUENTE: Los Autores 2004.
110
ANEXO A4. Tabla de consolidado del comportamiento de los Sólidos
sedimentables en el sistema.
EFICIENCIAS DE REMOCIÓN DE SÓLIDOS SEDIMENTABLES
EFLUENTE DE LOS REACTORES
TIEMPO
AFLUENTE
A LOS
REACTORES PLASTICO (R1) GRAVA (R2) GUADUA (R3)
Semana Concentración Concentración % Remoción Concentración % Remoción Concentración % Remoción
1 2,1 0,3 86 0,0 100 0,1 95 2 2,2 0,0 100 0,0 100 0,1 95 3 5,7 0,0 100 0,0 100 0,0 100 4 5,0 0,0 100 0,5 90 0,0 100 5 0,9 0,0 100 0,0 100 0,0 100 6 2,7 0,0 100 0,0 100 0,0 100 7 2,0 0,0 100 0,0 100 0,0 100 8 5,0 0,7 86 0,0 100 0,0 100 9 2,5 0,4 84 0,2 92 0,0 100 10 2,5 0,3 88 0,2 92 0,0 100 11 3,5 0,0 100 0,0 100 0,0 100 12 4,0 0,0 100 0,0 100 0,0 100 13 2,8 0,0 100 0,0 100 0,0 100 14 2,1 0,0 100 0,0 100 0,0 100 15 3,0 0,0 100 0,0 100 0,0 100 16 2,5 0,0 100 0,0 100 0,2 92 17 2,7 0,0 100 0,0 100 0,0 100 18 4,3 0,2 95 0,1 98 0,0 100 19 3,2 0,0 100 0,0 100 0,1 97 20 2,3 0,0 100 0,0 100 0,0 100
FUENTE: Los Autores 2004.
111
ANEXO A5. Tabla de consolidado del comportamiento de la Alcalinidad en el
sistema.
ALCALINIDAD
SEMANA AFLUENTE PLASTICO (R1)
GRAVA (R2)
GUADUA (R3)
1 111 232 228 245 2 104 248 243 298 3 96 176 229 271 4 141 220 125 156 5 228 215 184 261 6 240 212 236 250 7 234 280 175 310 8 262 245 206 298 9 114 310 327 377 10 184 324 298 390 11 166 279 300 326 12 190 316 346 416 13 184 342 314 370 14 208 310 354 419 15 180 344 354 429 16 185 344 308 387 17 215 379 322 435 18 171 355 371 426 19 219 372 356 438 20 111 232 228 245
FUENTE: Los Autores 2004
112
ANEXO A6. Tabla de consolidado del comportamiento de los Ácidos Grasos
Volátiles en el sistema.
ACIDOS GRASOS VOLATILES
SEMANA AFLUENTE PLASTICO (R1)
GRAVA (R2)
GUADUA (R3)
1 70 29 24 36 2 108 132 101 86 3 48 41 77 65 4 86 77 60 74 5 58 38 29 29 6 46 60 60 50 7 71 62 65 54 8 55 56 58 49 9 86 64 58 52 10 59 41 43 31 11 74 51 58 50 12 58 45 52 41 13 55 48 43 39 14 61 46 38 30 15 41 45 56 35 16 64 60 56 50 17 91 42 49 31 18 54 40 35 29 19 69 45 42 34 20 58 37 40 31
FUENTE: Los Autores 2004.
113
ANEXO A7. Grafica de la producción de lodo con respecto al tiempo.
PRODUCCIÓN DE LODO
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS RAP (SEMANAS)
PRO
DU
CC
IÓN
(Kg)
PLASTICO (R1) GRAVA (R2) GUADUA (R3)
ANEXO A8. Grafica de la producción de metano con respecto al tiempo.
PRODUCCIÓN DE METANO
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS RAP (SEMANAS)
VOLU
MEN
(Nm
3)
GUADUA (R3) GRAVA (R2) PLASTICO (R1)
114
ANEXO A9. MEMORIAS DE CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN DE LODO Y
METANO
A continuación se muestra el procedimiento empleado para el calculo de la
producción teórica de metano y lodo, se toma como base de cálculo el dato de la
semana uno.
PRODUCCIÓN DE METANO
FcEfDíaKgDQOCDíaNmPM ××= )/()/3(
32.0)/(1
5.0*343.0*36.0*10001*732)/(
3
33
33
=
=
DíaNmPMKgDQO
Nmdíam
gKg
mgDíaNmPM
PRODUCCIÓN DE LODO
02.0)/()/( ××= EfDíaKgDQOCDíaKgPL
.64.002.0/01.0)/(.sec01.0)/(
0018.0)/(
02.0*343.0*36.0*10001*732)/(
3
3
humedabaseenSemanaKgPLabaseenSemanaKgPL
DíaKgPLdíam
gKg
mgDíaKgPL
===
=
=
115
ANEXO C. SOPORTE FOTOGRÁFICO
A continuación se presenta una secuencia fotográfica del desarrollo de proyecto.
ANEXO C1. Terreno antes de la construcción ANEXO C2. Terreno después de la construcción
ANEXO C3. Etapa de construcción. ANEXO C4. Etapa de construcción.
116
ANEXO C5. Etapa de construcción. ANEXO C6. Etapa de construcción.
ANEXO C7. Etapa de construcción. ANEXO C8. Etapa de construcción.
ANEXO C9. Funcionamiento del sistema. ANEXO C10. Funcionamiento del sistema.
117
ANEXO C11 . Funcionamiento del sistema. ANEXO C12. Ubicación de los medios de soporte.
ANEXO C13. Medio Plástico. ANEXO C14. Medio Grava.
ANEXO C15. Medio Guadua. ANEXO C16. Inoculación del sistema.
118
ANEXO C17. Producción de metano ANEXO C18. Análisis microbiológicos.
ANEXO C19. Mantenimiento del desarenador. ANEXO C20. Sólidos removidos en el desarenador.
119
ANEXO D. CONSOLIDADO DE DISEÑO DE REACTORES ANAEROBIOS DE
FLUJO A PISTON PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
DOMÉSTICAS
ANEXO D 1. Parámetros de diseño.
ANEXO D 2. Diseño del desarenador.
DESARENADOR PARAMETRO UNIDAD VALOR APROXIMACIÓN Caudal m3/Hora 0,045 Tiempo de retención Minutos 20 Volumen m3 0,015 Altura Efectiva m 0,2 Borde libre m 0,1 Altura Total m 0,3 Área Superficial m2 0,075 0,08Ancho m 0,1 Relación largo ancho 1 a 8 Largo m 0,75 0,8
PARAMETROS DE DISEÑO PARAMETRO UNIDAD RESULTADOS
POBLACIÒN SERVIDA HAB 3CONSUMO DE AGUA/ HABITANTE L/Hab -Día. 150TASA DE RETORNO % 80CAUDAL DE AGUA RESIDUAL m3/Día 0,360CAUDAL HORARIO m3/Hora 0,015CAUDAL PICO MAX. m3/Hora 0,067
120
ANEXO D 3. Diseño de la primera cámara de los reactores.
ANEXO D 4. Diseño de la segunda cámara de los reactores.
CAMARA NUMERO UNO FLUJO DESCENDENTE PARAMETRO UNIDAD PARAMETRO RESULTADOS
CAUDAL A TRATAR m3/H 0,015CONCENTRACION DQO mg/L 850CARGA DQO Kg/Día 0,306TIEMPO DE RETENCIÒN Hora 2,5 a 10 4,0VOLUMEN DEL REACTOR m3 0,06CARGA VOLUMETRICA Kg DQO /m3-Día 1 a 5 5,1CARGA ORGANICA Kg DQO /KgSSV.Dia 0,5 a 1,3 0.137ALTURA ÙTIL m 0,4BORDE LIBRE Y FONDO FALSO. m 0,4ALTURA TOTAL DEL TANQUE m 0,8AREA DEL TANQUE m2 0,15ANCHO m 0,40LONGITUD m 0,40VELOCIDAD ASCENSIONAL m3/m2/H 0,5 a 1,0 0,10EFICIENCIA % 0.565
CAMARA NUMERO DOS FLUJO ASCENDENTE PARAMETRO UNIDAD PARAMETRO RESULTADOS
CAUDAL A TRATAR m3/H 0,015CONCENTRACION DQO mg/L 369.8CARGA DQO Kg/Día 0.133TIEMPO DE RETENCIÒN Hora 2,5 a 10 3,50VOLUMEN DEL REACTOR m3 0,053CARGA VOLUMETRICA Kg DQO /m3-Día 1 a 5 2.53CARGA ORGANICA Kg DQO /Kg SSV-Dia 0,5 a 1,3 0.06ALTURA ÙTIL m 0,4BORDE LIBRE Y FONDO FALSO. m 0,4ALTURA TOTAL DEL TANQUE m 0,8AREA DEL TANQUE m2 0,13ANCHO m 0,40LONGITUD m 0,35VELOCIDAD ASCENSIONAL m3/m2/H 0,5 a 1,0 0,11EFICIENCIA % 0.535
121
ANEXO D 5. Diseño de la tercera cámara de los reactores.
CAMARA NUMERO TRES FLUJO DESCENDENTE PARAMETRO UNIDAD PARAMETRO RESULTADOS CAUDAL A TRATAR m3/H 0,015CONCENTRACION DQO mg/L 171.95CARGA DQO Kg/Dia 0.062TIEMPO DE RETENCIÒN Hora 2,5 a 10 3,0VOLUMEN DEL REACTOR m3 0,045CARGA VOLUMETRICA Kg DQO /m3-Dia 1 a 5 1.38CARGA ORGANICA Kg DQO /Kg SSV-Dia 0,5 a 1,3 0.028ALTURA ÙTIL m 0,4BORDE LIBRE Y FONDO FALSO. m 0,4ALTURA TOTAL DEL TANQUE m 0,8AREA DEL TANQUE m2 0,11ANCHO m 0,40LONGITUD m 0,30VELOCIDAD ASCENSIONAL m3/m2/H 0,5 a 1,0 0,13EFICIENCIA % 0.5
ANEXO D 6. Diseño del sedimentador de los reactores.
SEDIMENTADOR PARAMETRO UNIDAD PARAMETRO RESULTADOS CAUDAL A TRATAR m3/H 0,015CONCENTRACION DQO mg/L 86.37TIEMPO DE RETENCIÒN Hora 2,5 a 10 3,0VOLUMEN m3 0,045 ALTURA TOTAL m 1.0AREA DEL TANQUE m2 0,10ANCHO m 0,40LONGITUD m 0,25VELOCIDAD ASCENSIONAL m3/m2/H 0,5 a 1,0 0,17
ANEXO D 7. Consolidado de los datos del diseño de los reactores.
CONSOLIDADO PARAMETRO UNIDAD RESULTADODQO EFLUENTE mg/L 86.37EFICIENCIA GLOBAL % 89.84LONGITUD RAP m 1,2LONGITUD TOTAL EFECTIVA m 1,7TIEMPO DE RETENCIÒN TOTAL Hora 13,5VOLUMEN TOTAL DE RELLENO m3 0,16ANCHO EFECTIVO m 0,6
122
ANEXO E. MODELO MATEMÁTICO ANEXO E1. DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE CINÉTICA DE REMOCIÓN
EN CADA UNO DE LOS REACTORES.
A continuación se muestra el procedimiento empleado para obtener la constante
cinética de remoción en cada uno de los reactores, tomando como muestra de
cálculo los datos del reactor con medio de soporte plástico.
• METODO DE MINIMOS CUADRADOS: Este método fue utilizado para
linealizar la siguiente ecuación CKtSSLn r +−=
2
1 y de esta manera encontrar la
pendiente de la recta que corresponde a la constante cinética de remoción.
Linealización de la ecuación obtenida para el reactor con medio de soporte plástico.
VALORES PRÁCTICOS LINEALIZACIÓN Ln (S/So) T(sem) XI Yi XiYi Xi2
-0,18 1 1 -0,18 -0,18 1-0,22 2 2 -0,22 -0,43 4-0,12 3 3 -0,12 -0,37 9-0,28 4 4 -0,28 -1,10 16-0,26 5 5 -0,26 -1,31 25-0,38 6 6 -0,38 -2,26 36-0,23 7 7 -0,23 -1,59 49-0,23 8 8 -0,23 -1,87 64-0,29 9 9 -0,29 -2,58 81-0,37 10 10 -0,37 -3,71 100-0,34 11 11 -0,34 -3,70 121-0,48 12 12 -0,48 -5,81 144-0,35 13 13 -0,35 -4,54 169-0,60 14 14 -0,60 -8,43 196-0,50 15 15 -0,50 -7,51 225-0,49 16 16 -0,49 -7,79 256-0,68 17 17 -0,68 -11,63 289-0,61 18 18 -0,61 -10,92 324-0,67 19 19 -0,67 -12,66 361-0,66 20 20 -0,66 -13,18 400
Sumatoria 210,00 -7,93 -101,58 2870,00
( )
0275.0)210()2870*20(
)93.7*210()58.101(*20.
...
2
22
−=−
−−−=
−
−=
∑∑∑ ∑∑
m
m
XiXin
YiXiYiXinm
123
GRAFICAS DE LA LINEALIZACIÓN DE LA ECUACIÓN OBTENIDA PARA CADA UNO DE LOS REACTORES.
Ln (S/So) vs TIEMPO (Semanas) PARA PLASTICO (R1)
y = -0,0275x - 0,1076R2 = 0,8435
-0,80-0,70-0,60-0,50-0,40
-0,30-0,20-0,100,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TIEMPO (Semanas)
Ln (S
/So)
PLASTICO (R1) Lineal (PLASTICO (R1))
Ln (S/So) Vs. TIEMPO (Semanas) PARA GRAVA (R2)
y = -0,0294x - 0,3637R2 = 0,4466
-1,20
-1,00
-0,80
-0,60
-0,40
-0,20
0,001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TIEMPO (Semanas)
Ln (S
/So)
GRAVA (R2) Lineal (GRAVA (R2))
Ln (S/So) vs TIEMPO (Semanas) PARA GUADUA (R3)
y = -0,0546x - 0,0126R2 = 0,8509
-1,40
-1,20
-1,00
-0,80
-0,60
-0,40
-0,20
0,001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
TIEMPO (Semanas)
Ln (S
/So)
GUADUA R3 Lineal (GUADUA R3)
124
ANEXO E2. DESARROLLO DEL BALANCE DE MASA DE LOS REACTORES
ANAEROBIOS PARA LA OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN QUE DEFINE EL
MODELO MATEMATICO
( )
TrXbaKSoS
dtXbaKS
dS
XbaSKdtdS
dtdSXbaSK
dtdS
QdV
dSXbaSKdtdS
dvdsQoXbaSK
dtdS
dsQodVXbaSKdtdSdV
Entonces
dVdzAtdzAtXadMb
SKUDonde
QdSSodMbUSQdtdSdV
S
So
Tr
b
****2
lnln
****21
****2
****
****
*****
)*(*****
:
*****
*:
..
0
0
00
∂−=−
∂−=
∂−=
−∂−=
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
−∂−=
−∂−=
−∂−=
=∂=
=
+−−=
∫ ∫
TrXbaK
eSoS****
2∂−
=
125
ANEXO E3. MEMORIA DE CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN TEÓRICA DE
LA DQO MEDIANTE LA APLICACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO
A continuación se muestra el procedimiento empleado para el cálculo del valor
teórico de la concentración de DQO en los RAP con medio de soporte plástico,
Grava y Guadua. Se toma como base de cálculo el dato de la última semana en
cada uno de los reactores.
• Concentración de la DQO efluente del reactor con medio de soporte
Plástico en la semana 20 de funcionamiento del sistema.
TrXbaK
eSoS****
2∂−
=
3
56.0*974*002.0*100*2
0275.03
166
./748 33
21
mgS
emgSdías
mgm
mmdías
=
=−
−
• Concentración de la DQO efluente del reactor con medio de soporte
grava en la semana 20 de funcionamiento del sistema.
3
56.0*713*0015.0*57*2
0294.03
248
./748 33
21
mgS
emgSdías
mgm
mmdías
=
=−
−
• Concentración de la DQO efluente del reactor con medio de soporte
Guadua en la semana 20 de funcionamiento del sistema.
3
56.0*755*004.0*50*2
0546.03
232
./748 33
21
mgS
emgSdías
mgm
mmdías
=
=−
−
127
ANEXO E5. EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO EN EL
DISEÑO A ESCALA REAL DE UN REACTOR ANAEROBIO DE FLUJO A PISTÓN
PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DEL BARRIO EL OASIS.
Para aplicar el modelo y formular el diseño de los reactores, se necesitaron los
siguientes datos de entrada:
• Población servida: 1425 (habitantes).
• Dotación básica: (150 L/hab-día).
• Tasa de retorno: 80%.
• Caudal: 7 (m3/hora)
• Concentración de DQO a la entrada: 500 mg/L.
• Eficiencia esperada: 70%
• Medio de soporte a utilizar: Guadua.
• Número de Cámaras en el reactor: 7.
Dado que la eficiencia de remoción de materia orgánica (DQO) esperada es del
70%, este valor fue dividido en las 7 cámaras del reactor suponiendo porcentajes
de remoción por cámara del 15%.
A partir del valor de la concentración inicial (So) y final (S) en cada cámara, se
aplicó el modelo del medio de soporte de guadua con el fin de obtener el tiempo
de retención de las mismas, posteriormente por medio de la ecuación de
continuidad, se determinó el volumen efectivo.
En la tabla 19 se muestra el consolidado del diseño de cada una de las cámaras
del reactor anaerobio de flujo a pistón a escala real para el tratamiento del agua
residual del barrio el Oasis.
128
Tabla. Consolidado de diseño de cada una de las cámaras del reactor anaerobio de flujo a pistón a escala real para el tratamiento del agua residual del barrio el Oasis
REACTOR ANAEROBIO DE FUJO A PISTON PARA EL TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL DEL BARRIO EL OASIS PARAMETRO CAMARA 1 CAMARA 2 CAMARA 3 CAMARA 4 CAMARA 5 CAMARA 6 CAMARA 7
So (mg/L) 500 425 361 307 261 222 189 Eficiencia (%) 15 15 15 15 15 15 15
S (mg/L) 425 361 307 261 222 189 160 Tr (horas) 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1 Q (m3/h) 7,1 7,1 7,1 7,1 7,1 7,1 7,1
Volumen (m3) 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 14,9 Altura efectiva
(m) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
Área superficial
(m2) 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0
Ancho (m) 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 Longitud (m) 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5
Fuente: Los Autores 2004.
129
BIBLIOGRAFÍA
AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION (APHA). Standard Methods for
Examination of Water and Wastewater. 18° Edition. 1989.
CAMPOS, C and ANDERSON. The effect of the liquit up flow velocity and the
subtrate concentration on the star – up and the steady state periods of lab – scale
UASB reactor. 6° Simposio internacional de digestión anaerobia. Brasil. 1991.
CAMPOS José Roberto. Consideraciones de proyecto y operación de filtros
anaerobios para tratamiento de efluentes líquidos industriales; departamento de
hidráulica y saneamiento. Escola de engenharia de Sao Carlos, Universidad de
Sao Paulo Brasil. 1990.
CAMPOS, P y FLOTATS, I. Biogás y aprovechamiento de la biomasa. Department
de Medi Ambient i Ciencies del Sól de la Universitat de Lleida. 2000.
CARVALHO Henriques y JURANDYR Povinelli. Filtros biológicos anaerobios:
revisao de literatura, projeto e desemvolvimento, Escola de Engenharia de Sao
Carlos – Universidad de Sao Paulo (EESC – USP), 1996.
CASTAÑO Francisco y MORENO Rubén. Guadua para todos: cultivo y
aprovechamiento. Colombia. Corporación Autónoma Regional de Risaralda
(CARDER). 2004.
CRITES and TCHOBANOGLOUS, Tratamiento de aguas residuales en pequeñas
poblaciones. Colombia: Mc Graw Hill, 2000.
130
DEGREMON de Colombia. Manual Técnico del Agua de Degremont. Edición en
español. 1978.
DIAS Deize y CAMPOS José Roberto. Efecto del nitrógeno amoniacal en la
actividad metanogénica especifica durante la degradación de glucosa.
Departamento de hidráulica e Saneamento – Escola de Engenharia de Sao
Carlos. Brasil.
DIAZ, M; ESPITIA, S. y MOLINA, F. Digestión Anaerobia una aproximación a la
Tecnología. Bogotá, Colombia. UNIBIBLIOS. 2002.
FORESTI, E; FLORENCIO L, e VAN HAANDEL, A. Tratamento de esgostos
sanitarios por processo anaerobio e disposição controlada no solo. PROSAB.
1999.
HEINZ Streble y KRAUTER Dieter. Atlas de los Microorganismos de Agua Dulce:
la vida en una gota de agua. España: Omega. 1987.
INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES
IDEAM. Manual de métodos y protocolos para el análisis químico de aguas
naturales, domésticas y efluentes industriales. Programa de química ambiental.
Laboratorio de química ambiental.
MADIGAN M; MARTINKO J. and PARKER J. Brock - biología de los
microorganismos, Octava edición. Madrid: Prentice hall. 1999
METCALF and EDDY. Ingeniería de Aguas Residuales: Tratamiento, vertido y
reutilización. Tercera edición. México: Mc Graw Hill, Tomo I. 1997.
131
MINISTERIO DE DESARROLLO ECONÓMICO. Reglamento Técnico del Sector
de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS 2000.
OROZCO, Álvaro. Bioingeniería de Aguas Residuales: teoría y diseño. Bogotá
D.C. Ejemplar sin editar. 2003.
OSORIO, P. Reactores anaerobios de alta tasa usados en el tratamiento de aguas
residuales del beneficio del café. CVC. Cali Colombia. 1992.
PEREZ VIDAL Andrea et al. El pH en residuos de almidón de yuca. En: Revista
ACODAL. Nº 196. Mayo de 2002.
PEREZ V y CAJIGAS C. Corrección de pH en reactores anaerobios tratando
aguas residuales del procedo de extracción de almidón de yuca. Universidad del
Valle. Cali. 2002.
PINTO, J. e CHERNICHARO, Carlos. Escoria de un forno: Una nova alternativa de
meio suporte para anaerobios. En: Anais do III simposio Italo – Brasilero de
ingeniería sanitaria y ambiental. 1996
RIPLEY, L; BOYLE, W. and CONVERSE, J. Improved alkalinimetric monitoring for
anaerobic digestion of high - strength wastes. En: Journal water pollution control
federation, V 58.
RODRIGUEZ, J y TORRES L. Experiencias en el tratamiento anaerobio de
residuos agroindustriales – caso producción almidon agrio de yuca. En: Curso
internacional de sistemas integrados sostenibles para el tratamiento de aguas
residuales. Cali. 2001.
132
RODRÍGUEZ Jenny. Arranque y operación de reactores anaerobios. Cali
Colombia. Universidad del Valle.
RODRÍGUEZ Jenny. Tratamiento anaerobio de las aguas residuales. Cali
Colombia. Universidad del Valle.
ROMERO ROJAS Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales: Teoría y
principios de diseño. Colombia: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2000.
SIERRA Jorge Humberto. Análisis de aguas y aguas residuales. Colombia.
Universidad de Antioquia. Facultad de Ingeniería.
TORRES Patricia, RODRIGUEZ Jenny y URIBE Irsi. Tratamiento de aguas
residuales del proceso de almidón de yuca en filtro anaerobio: influencia del medio
de soporte. En: Scientia et Técnica año IX No. 23. 2003.
VAN HAANDEL, Adrianus and LETTINGA, Gatze. Anaerobic sewage treatment: A
practic guide for regions with a hot climate. England: John Wiley & Sons. 1994.
ZAMBRANO, Diego et al. Tratamiento de aguas residuales del lavado del café. En:
Boletín Técnico N° 20. CENICAFE. Chinchiná Colombia. 1999.
ZEGERS, F. Microbiología. En: Curso sobre arranque y operación de flujo
ascendente con manto de lodos -UASB- Santiago de Cali 1987.