arellano romero jocelin carolina chiliquinga castillo...

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

“Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica en un

reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida¨

AUTOR(ES):

Arellano Romero Jocelin Carolina

Chiliquinga Castillo Katherine Andrea

TUTOR:

Ing. José Cárdenas Murillo MSc.

Guayaquil, Agosto de 2017

1




PROYECTO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA OPTAR POR EL TÍTULO

DE INGENIERO QUÍMICO

“Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica en un

reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida¨

AUTOR(ES):



TUTOR:


Guayaquil, Agosto de 2017

I

ANEXO -10

REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIAS Y TECNOLOGÍA FICHA DE REGISTRO DE TESIS

TÍTULO Y SUBTÍTULO:

“Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica en un reactor aeróbico de

lecho suspendido con biomasa adherida¨

AUTOR/ES:



TUTOR:


REVISORES:

Docente Revisor 1

Docente Revisor 2

INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil FACULTAD: Ingeniería Química

CARRERA: Ingeniería Química

FECHA DE PUBLICACIÓN: N° DE PÁGS.:

ÁREA TEMÁTICA: 3303 Ingeniería y Tecnología Químicas

PALABRAS CLAVES: tratamiento de aguas, experimentación, biomasa adherida, DQO,

SBR, agua residual, lecho suspendido, soporte kaldnes.

RESUMEN

En el presente trabajo se utiliza un reactor biológico aerobio de mezcla completa, la biomasa

se encuentra en un lecho suspendido y adherido a un soporte plástico tipo kaldnes, el reactor

trabaja en discontinuo (SBR), Sequencing Batch Reactor, el sustrato utilizado es un agua

sintética preparada con glucosa, nutrientes inorgánico y la biomasa fue preparada con

bacterias selectivas.

II

Para el desarrollo de la biopelícula se utilizó un soporte de polietileno tipo kaldnes de alta

densidad. La densidad de estos soportes es de 0.95 g/ cm3 y un área específica de

300 𝑚2/𝑚3 lo que proporciono el desarrollo de la biomasa.

La eficiencia de la remoción del sustrato fue determinada mediante el decaimiento de la

Demanda Química de Oxigeno con relación al tiempo dando los siguiente resultados: el

45.98% en 6, el 50.65% en 8 días, 91.07% en 20 días. Se monitorearon parámetros como el

Potencial de hidrogeno, el Oxígeno disuelto y la Temperatura.

N° DE REGISTRO (en base de datos): N° DE CLASIFICACIÓN:

DIRECCIÓN URL (tesis en la web):

ADJUNTO PDF SI

NO

CONTACTO CON AUTORES: Teléfono:

0919069906

0978620154

E-mail:

[email protected]

[email protected]

CONTACTO DE LA INSTITUCIÓN Nombre:

Teléfono:

III




CERTIFICADO SISTEMA ANTI PLAGIO

Habiendo sido nombrado Ing. José Cárdenas Murillo MSc., tutor del trabajo de titulación certifico que el presente proyecto ha sido elaborado por Jocelin Carolina

Arellano Romero, C.I.: 091906990-6, Katherine Andrea Chiliquinga Castillo C.I.: 060540970-5, con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la

obtención del título de INGENIERO QUIMICO.

Se informa que el proyecto “Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida¨, ha

sido orientado durante todo el periodo de ejecución del programa antiplagio (URKUND) quedando el 6% de coincidencias.

___________________________________


IV




CERTIFICACIÓN DEL TUTOR.

Habiendo sido nombrado JOSÉ CARDENAS MURILLO, tutor del trabajo de

titulación certifico que el presente proyecto ha sido elaborado por Jocelin Carolina

Arellano Romero, C.I.: 091906990-6, Katherine Andrea Chiliquinga Castillo C.I.:

060540970-5, con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la

obtención del título de INGENIERO QUIMICO.

Tema: Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica en un

reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida

Certifico que he revisado y aprobado en todas sus partes, encontrándose apto

para su sustentación.

Docente tutor

__________________________________

Ing. José Cárdenas Murillo MSc.,

V




RENUNCIA DE DERECHOS DE AUTOR

Por medio de la presente certifico que los contenidos desarrollados en este trabajo

de titulación son de absoluta propiedad, y responsabilidad de JOCELIN CAROLINA

ARELLANO ROMERO con C.I.: 091906990-6, KATHERINE ANDREA

CHILIQUINGA CASTILLO con C.I.: 060540970-5,

Cuyo título es Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica

en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida.

Derechos que renuncio a favor de la Universidad de Guayaquil, para que haga uso

como bien tenga.

_______________________________________

ARELLANO ROMERO JOCELIN CAROLINA

C.I.: 091906990-6

________________________________________

CHILIQUINGA CASTILLO KATHERINE ANDREA

C.I.: 060540970-5

VI

DEDICATORIA

Este trabajo de análisis e investigación es dedicado a toda mi familia en especial a

mi padre José Arellano y a mi madre Rosa Romero por ser los pilares fundamentales

en mi vida, los cuales me han inculcado excelentes valores morales que me

ayudaron a formarme como persona de bien, valores y principios que ahora se

refleja en este importante logro académico, no sé si será el más importante, pero

estoy segura que los conocimientos adquiridos en este sueño cumplido, serán los

cimientos de una larga carrera profesional que no termina aquí, al contrario siento

que está por empezar.


VII

DEDICATORIA

Este trabajo está dedicado a Dios por darme siempre las fuerzas para seguir

adelante a pesar de las adversidades. Con mucho amor a mi padre Luis Chiliquinga

y a mi madre Silvia Castillo, quienes son mi fuente de motivación e inspiración.

Gracias a sus sacrificios, esfuerzos y palabras de aliento no me dejaban decaer

para que siguiera adelante y cumpla con mis metas. A mi tía Georgina, mi prima

Lady y mis hermanos quienes siempre han estado brindándome su apoyo

incondicional día a día.


VIII

AGRADECIMIENTO

A Dios, por darme fuerza y perseverancia para poder cumplir mis metas.

Definitivamente no puedo dejar pasar por alto a las personas que me guiaron por el

sendero correcto para conseguir una de las metas más importantes en mi vida, por

el esfuerzo, sacrificio, entrega y dedicación que ésta representa.

A mis padres Rosa Romero Y José Arellano quienes me forjaron como la persona

que soy en la actualidad, muchos de mis logros se los debo principalmente a ellos,

quienes además me brindaron su apoyo moral y económico en todo momento.

A mi hermana en quien veo un ejemplo de superación, pues sus infinitas virtudes y

gran corazón me han llevado a admirarla cada día más.

A mi compañera Katherine, mi brazo derecho quien ha estado en las buenas y malas

conmigo, más que una amiga es una hermana para mí.

Finalmente a mi tutor Ing. José Cárdenas y a todos mis docentes, por sus

conocimientos transmitidos que seguramente serán mis herramientas para construir

mi futuro como una excelente profesional.


IX

AGRADECIMIENTO

Agradezco a Dios por la vida de mis padres y mis hermanos, también porque cada

día bendice mi vida con la oportunidad de estar rodeada de las personas que amo.

Agradezco a mis padres por ser los inspiradores de mis sueños y por cada día

confiar y creer en mí. Gracias a mi padre Luis Chiliquinga quien a pesar de la

distancia me ha enseñado que con constancia, esfuerzo y trabajo todo es posible,

a mi madre Silvia Castillo por ayudarme a confiar en mis decisiones.

A mis hermanos y demás familia en general, por el apoyo que siempre me brindaron

en el transcurso de mi carrera universitaria.

A mi mejor amiga Jocelin, quien siempre fue mi apoyo incondicional a lo largo de la

carrera.

A mis compañeros y amigos, quienes se convirtieron en mi segunda familia durante

estos cincos años.

A mi tutor de tesis el Ing. José Cárdenas Murillo MSc., quien me ha sabido impartir

sus conocimientos para concluir de manera exitosa este proyecto. De igual forma

agradecer a los docentes que a lo largo de esta carrera compartieron sus

conocimientos para la obtención del título.


X

DERECHO DE AUDITORÍA

ARELLANO ROMERO JOCELIN CAROLINA, declara bajo juramento que el

trabajo aquí descrito en de su autoría, que no ha sido previamente presentado para

ningún grado o calificación personal, y que hemos consultado las referencias

bibliográficas que se incluyen en este documento.

A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad intelectual

a la UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA,

según lo establecido por la ley de la propiedad intelectual y su reglamento.

___________________________________________

ARELLANO ROMERO JOCELIN CAROLINA

CI: 091906990-6

XI

DERECHO DE AUDITORÌA

CHILIQUINGA CASTILLO KATHERINE ANDREA, declara bajo juramento que el

trabajo aquí descrito en de su autoría, que no ha sido previamente presentado para

ningún grado o calificación personal, y que hemos consultado las referencias

bibliográficas que se incluyen en este documento.

A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad intelectual

a la UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA,

según lo establecido por la ley de la propiedad intelectual y su reglamento.

_______________________________________________

CHILIQUINGA CASTILLO KATHERINE ANDREA

CI: 060540970-5

XII

CERTIFICADO DEL TUTOR

Ing. JOSÉ CÁRDENAS MURILLO MSc. certifica haber tutelado la tesis,

¨DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE REMOCIÓN DE LA CARGA

ORGÁNICA EN UN REACTOR AERÓBICO DE LECHO SUSPENDIDO CON

BIOMASA ADHERIDA¨ que ha sido desarrollada por JOCELIN CAROLINA

ARELLANO ROMERO Y KATHERINE ANDREA CHILIQUINGA CASTILLO,

previa la obtención del título de ingeniero químico, de acuerdo al REGLAMENTO

PARA LA ELABORACIÓN DE TRABAJO DE TITULACION PARA EL GRADO

DE TERCER NIVEL DE LA UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL, FACULTAD DE

INGENIERÍA QUÍMICA.

_______________________________________________

Ing. JOSÉ CÁRDENAS MURILLO MSc.

XIII




Autoras: Arellano Romero Jocelin Carolina


Tutor: Ing. José Cárdenas Murillo MSc.

RESUMEN

En el presente trabajo se utiliza un reactor biológico aerobio de mezcla completa, la

biomasa se encuentra en un lecho suspendido y adherido a un soporte plástico tipo

kaldnes, el reactor trabaja en discontinuo (SBR), Sequencing Batch Reactor, el

sustrato utilizado es un agua sintética preparada con glucosa, nutrientes inorgánico

y la biomasa fue preparada con bacterias selectivas.

La experimentación se llevó a cabo en el reactor con agua residual sintética que

tiene las siguientes características: soporte de polietileno tipo kaldnes, la densidad

de estos soportes es de 0.95 g/ cm3 y un área específica de 300 𝑚2/𝑚3 lo que

proporciono el desarrollo de la biomasa adherida. Las dimensiones del reactor son

20cm de ancho por 30cm de largo con una capacidad de 7 L, adicionando agua

residual sintética. La aireación del sistema se realizó con aire comprimido por medio

de un difusor poroso conectados a una bomba de aire el cual fue instalado en el

centro base del reactor, de igual manera se colocaron 4 aireadores porosos de

1.5cm en cada esquina del reactor las cuales estaban conectadas a 2 bombas de

aire con el propósito de mantener la concentración de Oxígeno Disuelto en un valor

mínimo de 3-5 mg/L.

XIV

La eficiencia de la remoción del sustrato fue determinada mediante el decaimiento

de la Demanda Química de Oxigeno con relación al tiempo dando los siguiente

resultados: el 45.98% en 6 días, el 50.65% en 8 días, 91.07% en 20 días. Se

monitorearon parámetros como el Potencial de hidrogeno, el Oxígeno disuelto y la

Temperatura.

Palabras claves: tratamiento, experimentación, biomasa adherida, DQO, SBR,

agua residual, lecho suspendido, soporte kaldnes.

XV




Authors: Arellano Romero Jocelin Carolina


Tutor: Ing. José Cárdenas Murillo MSc.

ABSTRACT

In the present work a fully mixed aerobic biological reactor is used, the biomass is in

a suspended bed and adhered to a kaldnes-type plastic support, the SBR reactor,

the Sequencing Batch Reactor, the substrate used is a water Synthetic prepared

with glucose, inorganic nutrients and the biomass was prepared with selective

bacteria.

Experimentation was carried out in the reactor with synthetic waste water having the

following characteristics: polyethylene support kaldnes type, the density of these

supports is 0.95 g/cm 3 and a specific area of 300 m2/m3 which provided the

development of the adhered biomass. The dimensions of the reactor are 20cm wide

by 30cm long with a capacity of 7 L, adding synthetic waste water. The aeration of

the system was carried out with compressed air through a porous diffuser connected

to an air pump which was installed in the base center of the reactor, 4 porous

aerators of 1.5cm were also placed in each corner of the reactor was connected 2

air pumps in order to maintain the dissolved oxygen concentration at a minimum of

3-5 mg / L.

XVI

The efficiency of substrate removal was determined by decreasing the Chemical

Demand of Oxygen in relation to time, giving the following results: 45.98% in 6 days,

50.65% in 8 days, 91.07% in 20 days. Parameters such as Hydrogen Potential,

Dissolved Oxygen and Temperature were monitored.

Key words: treatment, experimentation, adhered biomass, COD, SBR, wastewater,

suspended bed, kaldnes support.

TABLA DE CONTENIDO REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIAS Y TECNOLOGÍA ...................................... I

CERTIFICADO SISTEMA ANTI PLAGIO ...................................................................... III

CERTIFICACIÓN DEL TUTOR. ...................................................................................... IV

RENUNCIA DE DERECHOS DE AUTOR ...................................................................... V

DEDICATORIA................................................................................................................... VI

DEDICATORIA.................................................................................................................. VII

AGRADECIMIENTO .......................................................................................................VIII

AGRADECIMIENTO ......................................................................................................... IX

DERECHO DE AUDITORÍA ............................................................................................. X

DERECHO DE AUDITORÌA ............................................................................................ XI

CERTIFICADO DEL TUTOR .......................................................................................... XII

RESUMEN ........................................................................................................................XIII

ABSTRACT .......................................................................................................................XV

TABLA DE CONTENIDO .................................................................................................... I

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1

CAPITULO 1......................................................................................................................... 2

1.1 PROBLEMA........................................................................................................... 2

1.1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................... 2

1.2 FORMULACIÓN Y SISTEMATIZACIÓN DEL PROBLEMA ......................... 2

1.3 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................... 3

1.3.1 JUSTIFICACIÓN TEÓRICA......................................................................... 3

1.3.2 JUSTIFICACIÓN METODOLÓGICA ......................................................... 3

1.3.3 JUSTIFICACIÓN PRÁCTICA ...................................................................... 3

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................. 4

1.4.1 OBJETIVOS GENERALES ......................................................................... 4

1.4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ....................................................................... 4

1.5 DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ....................................................... 4

1.6 HIPÓTESIS ............................................................................................................ 5

1.6.1 VARIABLE INDEPEDIENTE ....................................................................... 5

1.6.2 VARIABLE DEPENDIENTE ........................................................................ 5

1.6.3 OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES .................................... 6

CAPITULO 2......................................................................................................................... 7

MARCO TEÓRICO .......................................................................................................... 7

2.1 GENERALIDADES ................................................................................................... 7

2.2 SITUACIÓN DEL AGUA EN EL ECUADOR ................................................... 8

2.2.1 LEGISLACIÓN ELEMENTAL ECUATORIANA ........................................... 9

2.3 CONTAMINACIÓN DEL AGUA ........................................................................... 11

2.3.1 TIPOS DE AGUAS CONTAMINADAS ........................................................ 12

2.4 AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS............................................................... 14

2.4.1 CARÁCTERÍSTICAS Y COMPOSICIÓN .................................................... 14

2.5 TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES ................................................... 17

2.6 PRINCIPIOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO ............................................. 19

2.7 SISTEMAS AEROBIOS ............................................................................................. 21

2.8 REACTORES BIOLÓGICOS SECUENCIALES (SBR) ................................... 23

2.9 IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS ............... 24

2.10 TIPOS DE TRATAMIENTOS .............................................................................. 25

2.10.1 TRATAMIENTO DE CRECIMIENTO SUSPENDIDO.............................. 25

2.10.2 TRATAMIENTO DE CRECIMIENTO ADHERIDO ................................... 25

2.11 CRECIMIENTO MICROBIOLÓGICO ................................................................ 26

2.12 BIOPELÍCULA ...................................................................................................... 27

CAPITULO 3....................................................................................................................... 31

MARCO METODOLÓGICO ......................................................................................... 31

3.1 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................ 31

3.2 ASPECTOS METODOLÓGICOS............................................................................. 31

3.2.1 Método deductivo .............................................................................................. 32

3.2.2 Método exploratorio .......................................................................................... 32

3.2.3 Método experimental ........................................................................................ 32

3.3 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN. ......................................................................... 33

3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTACIÓN. ...................................................................... 34

3.4.1 Relleno .................................................................................................................. 34

3.4.2 Aireación. ............................................................................................................. 34

3.4.3 Sedimentación. ................................................................................................... 35

3.4.4 Filtración. ............................................................................................................. 35

3.4.5 Calentamiento y enfriamiento. ....................................................................... 35

3.5 MATERIALES Y EQUIPOS. ..................................................................................... 36

3.6 INGENIERÍA DE PROCESOS .................................................................................. 37

3.6.1 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA

DE REMOCIÓN DE LA CARGA ORGÁNICA MEDIANTE LA ELABORACIÓN DE AGUA SINTÉTICA.................................................................................................. 37

CAPITULO 4....................................................................................................................... 38

4.1 CARACTERÍSTICAS DEL MEDIO DE SOPORTE ............................................... 38

4.2 CÁLCULOS DE LA ELABORACIÓN DEL AGUA SINTÉTICA INICIAL .......... 38

4.3 TABLA DE LA ELABORACIÓN AGUA SINTÉTICA ........................................... 42

4.4 RESULTADOS EXPERIMENTALES ...................................................................... 43

4.4.1 TEMPERATURA.................................................................................................. 43

4.4.2 OXÍGENO DISUELTO ........................................................................................ 43

4.4.3 POTENCIAL DE HIDRÓGENO ......................................................................... 43

4.4.4 DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO ............................................................... 44

4.4.4.1 Tabla de calibración para los ensayos de DQO ................................. 44

4.4.4.2 Primera experimentación ......................................................................... 47

4.4.4.3 Segunda experimentación ....................................................................... 48

4.4.4.4 Tercera experimentación .......................................................................... 50

4.5 RESULTADOS EXPERIMENTALES ...................................................................... 51

4.6 OBTENCIÓN DE LA CONSTANTE DE REMOCIÓN POR MÉTODO INTEGRAL

.............................................................................................................................................. 53

4.7 CALCULO DE LA EFICIENCIA DE REMOCIÓN ................................................. 54

ANALISIS DE LOS RESULTADOS ............................................................................... 56

CONCLUSIONES .............................................................................................................. 57

RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 58

ANEXOS ............................................................................................................................. 59

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 73

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Operacionalización de las variables .................................................................. 6 Tabla 2. Demanda de agua por sector en el Ecuador ................................................... 8

Tabla 3. Valores para la descarga de efluentes al alcantarillado .............................. 10 Tabla 4. Valores para la descarga de efluentes a cuerpos de agua dulce .............. 11

Tabla 5. Clasificación general de las aguas residuales ............................................... 12 Tabla 6. Grado de contaminación típica de aguas residuales. .................................. 16

Tabla 7. Conteos bacterianos típicos en el agua .......................................................... 17 Tabla 8. Microorganismo utilizado................................................................................... 21

Tabla 9. Dimensiones del medio de soporte ................................................................. 38 Tabla 10. Elaboración del agua sintética ....................................................................... 42

Tabla 11. Temperatura en relación con cada experimentación ................................. 43 Tabla 12. Oxígeno disuelto en relación con cada corrida ........................................... 43 Tabla 13. pH en relación con cada corrida .................................................................... 43

Tabla 14. Calibración para los ensayos de DQO ......................................................... 44

Tabla 15. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la primera experimentación ................................................................................................................. 47

Tabla 16. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la segunda experimentación................................................................................................. 48

Tabla 17. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la tercera experimentación ................................................................................................................. 50 Tabla 18. Relación de las experimentaciones en un tiempo de 6 días ..................... 51 Tabla 19. Constante de remoción ................................................................................... 54

Tabla 20. Eficiencia de remoción .................................................................................... 55

INDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Esquema conceptual de un sistema de tratamiento de aguas residuales. ........................................................................................................................... 18

Ilustración 2. Fases de crecimiento microbiano con cambios en la biomasa y sustrato en el tiempo ......................................................................................................... 27

Ilustración 3. Fases de formación de biopelícula .......................................................... 29 Ilustración 4. Validación del método para el análisis de DQO .................................... 45

Ilustración 5. Curva DQO vsTiempo ............................................................................... 47 Ilustración 6. Curva ln(S/So) vs Tiempo ......................................................................... 48 Ilustración 7. Curva DQO vs Tiempo .............................................................................. 49

Ilustración 8. Curva ln(S/So) vs Tiempo ......................................................................... 49 Ilustración 9. Curva DQO vs Tiempo .............................................................................. 50

Ilustración 10. Curva ln(S/So) vs Tiempo....................................................................... 51 Ilustración 11. Curva DQO vs Tiempo ............................................................................ 52

Ilustración 12. Acondicionamiento del reactor ............................................................... 59 Ilustración 13. Puesta en marcha del equipo. ............................................................... 59

Ilustración 14. Medición del oxígeno disuelto ................................................................ 60 Ilustración 15. Aeración del sistema ............................................................................... 60

Ilustración 16. Crecimiento bacteriano ........................................................................... 61 Ilustración 17. Formación de la biopelícula ................................................................... 61

Ilustración 18. Dosificación de glucosa .......................................................................... 62 Ilustración 19. Vista frontal del reactor ........................................................................... 62

Ilustración 20. Aclimatación de bacterias ....................................................................... 63 Ilustración 21. Prueba de sedimentación ....................................................................... 63

Ilustración 22. Visualización del crecimiento bacteriano ............................................. 64 Ilustración 23. Dilución de glucosa en agua .................................................................. 64 Ilustración 24. Nutrientes para el tratamiento de aguas residuales........................... 65

Ilustración 25. Dosificación de bacterias en el reactor ................................................. 65 Ilustración 26. Filtración de la muestra ........................................................................... 66

Ilustración 27. Muestra para el análisis de DQO .......................................................... 66 Ilustración 28. Soportes de polietileno tipo Kaldnes .................................................... 67

Ilustración 29. Agua tratada ............................................................................................. 67 Ilustración 30. Diferencia del soporte Kaldnes en relación a la carga orgánica ...... 68

Ilustración 31. Bomba de aire .......................................................................................... 68 Ilustración 32. Bacterias Selectivas ................................................................................ 69

Ilustración 33. Ficha técnica de las bacterias selectivas ............................................. 69

1

INTRODUCCIÓN

Según la Secretaría Nacional del Agua del Ecuador, SENAGUA, del agua residual

que se genera por las actividades diarias de las poblaciones, antes de ser

descargada a los ríos y quebradas, solo el 12% de ella reciben un tratamiento

apropiado previo.

En Ecuador la descarga para el alcantarillado público permisible es de 500 mg/L

(TULSMA, 2015). De manera muy extensa nuestra región maneja una alta

producción de cárnicos, lácteos, vegetales, frutas, etcétera; cuyos procesos

generan grandes cantidades de aguas residuales.

Existen muchas formas de tratamiento que implican procesos físicos, químicos y

biológicos, recientes estudios han demostrado que los medios suspendidos con

bacterias adheridas resultan ser muy eficientes para aguas residuales que manejan

altas cargas biológicas biodegradables.

En nuestro proyecto utilizamos un reactor que fue alimentado con un agua residual

sintética que contenía glucosa como materia orgánica y urea como nutriente,

teniendo una dosificación de bacterias. El procedimiento completo se lo puede

observar en el capítulo 3.

La presente investigación propone la determinación de la eficiencia de remoción de

la carga orgánica en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida

con la finalidad de garantizar que los tratamientos de aguas residuales mediante

este tipo de reactores biológicos son una nueva alternativa.

2

CAPITULO 1

1.1 PROBLEMA

1.1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Las aguas residuales y su tratamiento es un tema que atrae cada vez más la

atención de la comunidad de ingenieros; debido a los grados de contaminación en

el agua y su escasez son mayor, razón por la cual, se busca hacer un uso más

eficiente del recurso agua a través del tratamiento de sus descargas (Angelica

Molina, 2005).

Normalmente no es práctico ni posible obtener un análisis completo de la mayoría

de las aguas residuales porque los contaminantes presentes en esta son una

mezcla compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos; por lo tanto para llevar a

cabo nuestro proyecto de investigación elaboramos agua residual sintética para

conocer los componentes y determinar la eficiencia de remoción de carga orgánica

en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida.

1.2 FORMULACIÓN Y SISTEMATIZACIÓN DEL PROBLEMA

El trabajo de titulación busca realizar la determinación de la eficiencia de remoción

de carga orgánica en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa

adherida, y de este modo aportar información a la comunidad educativa en relación

a la siguiente pregunta:

¿Es posible lograr altas tasas de remoción de carga orgánica en un reactor aeróbico

de lecho suspendido con biomasa adherida?

3

1.3 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

1.3.1 JUSTIFICACIÓN TEÓRICA

La investigación propuesta se enfocará en determinar la eficiencia que tiene un

reactor biológico aerobio de mezcla completa, la biomasa se encuentra en un lecho

suspendido y adherido a un soporte plástico tipo kaldnes, el reactor trabaja en

discontinuo (SBR), Sequencing Batch Reactor.

El desarrollo del tema busca solucionar un problema significativo para los países

que se encuentran en vía de desarrollo, la mayor preocupación es que el agua

posee una carga orgánica elevada. A partir de ello hemos visto la oportunidad de

plantear una alternativa para la remoción de carga orgánica que presenta las aguas

residuales.

Nuestra investigación fue realizada en la Facultad de Ingeniería Química donde

utilizaremos los equipos necesarios para realizar dicho tratamiento.

1.3.2 JUSTIFICACIÓN METODOLÓGICA

Se plantea el uso de modelos cinéticos con los cuales mediante el análisis de la

eficiencia de remoción de carga orgánica nos permitirá determinar los cálculos del

agua tratada en el reactor aerobio de lecho suspendido con biomasa adherida.

1.3.3 JUSTIFICACIÓN PRÁCTICA

El funcionamiento del reactor aerobio de lecho suspendido con biomasa adherida

nos dará a conocer los datos reales del porcentaje de remoción de carga orgánica

4

mediante una fase experimental en el proceso del tratamiento de agua residual para

la obtención de un afluente con menor carga orgánica.

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

1.4.1 OBJETIVOS GENERALES

Determinar la eficiencia de remoción de la carga orgánica de un agua residual

biodegradable en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa

adherida.

1.4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Analizar la cinética del proceso.

Establecer las variables de operación del proceso.

Evaluar la eficiencia de remoción de carga orgánica del reactor aerobio de

lecho suspendido con biomasa adherida.

Validar el método para el análisis del DQO.

1.5 DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

Entre las delimitaciones del proyecto se encuentran:

El factor tiempo para completar más etapas de la investigación.

Caracterización de las aguas residuales.

5

1.6 HIPÓTESIS

Lograr altas tasas de remoción de carga orgánica, en un reactor biológico que

trabaja en discontinuo (SBR) de lecho suspendido con biomasa adherida.

1.6.1 VARIABLE INDEPEDIENTE

Reactor aerobio de lecho suspendido con biomasa adherida.

1.6.2 VARIABLE DEPENDIENTE

Remoción de la carga orgánica del agua residual sintética.

6

1.6.3 OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES

Tabla 1. Operacionalización de las variables

Variable Definición de las variables Indicadores Dimensiones de los indicadores

Relación funcional

Ind

ep

en

die

nte

Reactor aerobio

de lecho suspendido con

biomasa

adherida.

Reactor biológico. SBR. Lecho suspendido con biomasa adherida.

pH adimensional Independiente

Temperatura ºC Independiente

.DQO. (entrada) mg/L Independiente

O2 mg/L Independiente

De

pe

nd

ien

te

Remoción de la carga orgánica

del agua residual

sintética.

La eficiencia de remoción en un sistema de tratamiento de aguas residuales viene dada por: E = (S0 - S) / S0 x 100

Donde: E: Eficiencia de remoción del sistema. S: Carga contaminante de salida (mg DQO, DBO5 o SST/l) S0: Carga contaminante de entrada (mg

DQO, DBO5 o SST/l)

DQO (salida) mg/L Dependiente

Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)

7

CAPITULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1 GENERALIDADES

El agua es calificada como uno de los recursos naturales más imprescindibles para

el desarrollo de la vida. Particularmente, el agua es el líquido más abundante que

se encuentra en el planeta y forma parte del 70% de los seres vivos.

Es un compuesto químico establece que se compone de dos átomos de hidrogeno

y un átomo oxígeno que unidos entre si forman una molécula de agua, H2O. El agua

se encuentra en la naturaleza en tres estados: líquido, sólidos y gaseoso. Sus

propiedades organolépticas a temperatura son inodora, insípida e incolora en

pequeñas cantidades y una leve tonalidad azulada en grandes volúmenes.

Es considerado como el disolvente universal, debido a que gran parte de las

sustancias se disuelven en ella, permite mantener la temperatura corporal al poseer

una alta capacidad calorífica, participa en los procesos metabólicos de los seres

vivos; todas estas funciones vitales hacen del agua un recurso indispensable para

la existencia misma.

Los diversos orígenes del agua promueven una distribución irregular en el planeta,

es así que, de la totalidad del agua en el mundo, el 97,5% conforma los océanos y

el 2,5% corresponde al agua dulce, de los cuales el 99,6% se localiza en los polos

y en las cumbres de las montañas más altas en un estado sólido y el 0,4% es parte

8

de las cuencas hidrográficas en forma de ríos, lagos, humedales, plantas y

animales.

2.2 SITUACIÓN DEL AGUA EN EL ECUADOR

El agua es el recurso natural de gran incidencia en la vida económica y social del

mundo. En América latina el país que consume mayor cantidad de agua potable es

Ecuador, obtiene gran parte del agua de fuentes superficiales; la disponibilidad

hídrica rodea los 20.700 m3/habitante/año, excediendo a la media mundial de

aproximadamente 1700m3/habitante/año.

El número de concesiones de aguas concedidas se distribuye de la siguiente

manera:

Tabla 2. Demanda de agua por sector en el Ecuador

Uso Demanda Uso Demanda

Hidroeléctricas 80% Agua potable 1,16%

Riego 15% Abrevadero, balneología,

camaroneras, fuerza

mecánica, piscícolas, termales y

aguas de mesa

0,73%

Consumo

domestico

1,32%

Industrias 1,29%

Fuentes: (Cabrera H, Gárces M, Paredes P, 2012)

De éstas, las demandas referidas al uso consuntivo constituye el 18,99% son

destinadas a industrias, consumo doméstico, abrevadero, agua potable; mientras

9

que el 81,01% de las demandas correspondientes al uso no consuntivo van dirigidas

a la balneología, camaroneras, fuerza mecánica, hidroeléctricas, piscícolas y

termales.

Aunque el suministro de agua en el país es abundante, la contaminación física,

química y biológica de las aguas superficiales es un gran problema agravado por el

aumento poblacional y el crecimiento de la demanda del uso de la tierra. Las

mayores fuentes de contaminación en el país son las petroleras, la minería, las

plantas manufactureras y la agricultura comercial.

Por encima del 80% de las industrias, agroindustrias, empresas de comercio y

servicios, causan aguas residuales con alta carga orgánica con reactivos o

sustancias tóxicas que son descargadas sobre el alcantarillado o a los cuerpos de

agua sin ningún tratamiento previo. Debido a esta contaminación, el agua no es apta

para el consumo en más del 70% de las cuencas hidrográficas.

Los últimos reportes de saneamiento a nivel nacional, la cobertura de agua potable

alcanzan el 74,5%, la red de alcantarillado llega al 54% y de la correcta eliminación

de excretas tiene una cobertura del 93,2%. No obstante, el 8% de las aguas

residuales son sometidas algún tipo de tratamiento. La mala calidad de agua es una

amenazada a las condiciones sanitarias y nutricionales de la población.

2.2.1 LEGISLACIÓN ELEMENTAL ECUATORIANA

La regulación ambiental con respecto a la descarga de aguas residuales en el

Ecuador está establecida en el Texto Unificado de Legislación Ambiental

10

Secundaria del Ministerio del Ambiente (TULSMA, 2015). Anexo 1 del Libro VI:

Norma de calidad ambiental y de descarga de efluentes: Recurso agua.

Esta norma técnica establece o determina los límites permisibles, disposiciones y

prohibiciones para las descargas en cuerpos de aguas o sistemas de alcantarillado;

controlando, previniendo o solucionan los problemas de contaminación.

Destacando los principales parámetros que serán sujeto de interés para la presente

investigación, tanto para la descarga de efluentes al alcantarillado como cuerpos de

agua dulce.

Tabla 3. Valores para la descarga de efluentes al alcantarillado

PARÁMETROS EXPRESADO

COMO UNIDAD

LÍMITE MÁXIMO PERMISIBLE

Demanda Bioquímica de

Oxígeno (5 días)

DBO5 mg/l 250

Demanda Química de Oxígeno

DQO mg/l 500

Potencial de Hidrogeno

Ph 6-9

Sólidos Sedimentables

SD mg/l 20

Sólidos Suspendidos

Totales

SST mg/l 220

Sólidos Totales ST mg/l 1600

Temperatura ℃ <40

*Los valores de los límites máximos permisibles, corresponden a promedios diarios.

Fuente: (TULSMA, 2015, pág. 22)

11

Tabla 4. Valores para la descarga de efluentes a cuerpos de agua dulce

PARÁMETROS EXPRESADO

COMO UNIDAD

LÍMITE MÁXIMO

PERMISIBLE

Demanda Bioquímica de

Oxígeno (5 días)

DBO5 mg/l 100

Demanda Química de Oxígeno

DQO mg/l 200

Potencial de Hidrogeno

Ph 6-9

Sólidos Suspendidos

Totales

SST mg/l 130

Sólidos Totales ST mg/l 1600

Temperatura ℃ Condición natural ±3

*Los valores de los límites máximos permisibles, corresponden a promedios diarios.

Fuente: (TULSMA, 2015, pág. 25)

2.3 CONTAMINACIÓN DEL AGUA

La contaminación del agua es uno de los principales problemas que existe a nivel

mundial. Sin embargo, ha incrementado significativamente en los últimos años

provocado por las grandes cantidades de desechos o desperdicios que producen

las actividades del ser humano.

La contaminación de los recursos hídricos es cualquier alteración en sus

características físicas, químicas o biológicas en concentraciones superiores a las

12

condiciones naturales provocadas por la presencia de agentes contaminantes,

causando la degradación de la calidad de agua limitando su uso.

El ciclo biogeoquímico del agua tiene mecanismos naturales de purificación, la

regeneración normal de las masas de aguas se dificultan como consecuencia de las

actividades del ser humano. De aquí, surge la denominación de aguas negras o

residuales como: Aguas residuales, son fundamentalmente las aguas de

abastecimiento de una población, después de haber sido manipuladas por

diversos usos. Son el resultado de la combinación de líquidos o desechos

arrastrados por el agua, provenientes de los hogares, edificios comerciales,

instituciones, e industrias, y las aguas subterráneas, superficiales o de

precipitación que puedan agregarse.

2.3.1 TIPOS DE AGUAS CONTAMINADAS

Las aguas residuales de acuerdo a su origen se clasifican de la siguiente manera:

Tabla 5. Clasificación general de las aguas residuales

Aguas agrarias

Son aguas procedentes de las actividades agrícolas y ganaderas. Se caracterizan por la presencia de abonos, fertilizantes, plaguicidas,

materia orgánica en suspensión, sales minerales, etc.

Por lo general, estos componentes son arrastrados `por el agua de riego o lluvia contaminando las agua subterráneas.

13

Aguas blancas

Son procedentes de la escorrentía superficial y de drenaje. Su volumen está determinado por los

primeros flujos de las escorrentías y el flujo de caudales drenados (aguas salobres, filtraciones de alcantarillado, entre otras)

Aguas domesticas o

urbanas

Son aguas recogidas de un conglomerado urbano; procedente de los hogares, centros

comerciales, industrias, instituciones, transportadas por una red de alcantarillado. Estos

desechos presentan un alto contenido de materia orgánica y productos químicos, etc. También, suele contener gran cantidad de

microorganismos, algunos patógenos.

Aguas industriales

Son aguas generadas por las actividades

industriales; su composición varía según el tipo de proceso industrial. Entre los contaminantes tenemos: materia orgánica, metales pesados,

detergentes, pesticidas, aceites, grasas, cambios de pH, radiactividad, etc.

Aguas pluviales

Son aguas originadas del escurrimiento

superficial provocada por las precipitaciones atmosféricas (lluvia, nieve, granizo, entre otros). Las cargas contaminantes del agua se incorporan

al atravesar la atmósfera y por el lavado de superficies y terrenos.

Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017).

14

2.4 AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS

El incremento de la población en zonas urbanas es una de las principales fuentes

de contaminación, generando la producción de grandes volúmenes de aguas

residuales domésticas, las cuales, en su gran parte, son recolectadas por redes de

alcantarillado.

En comparación con las zonas rurales donde casi gran parte de las viviendas no

cuentan con estas redes y disponen de sus aguas residuales en pozos sépticos o

directamente a los cuerpos de agua.

2.4.1 CARÁCTERÍSTICAS Y COMPOSICIÓN

Las aguas residuales domésticas frescas presentan un color gris y un olor a

queroseno; al pasar el tiempo de ser producidas es séptica y pestífera, de color

negro y con un olor sulfhídrico característico.

La cantidad de agua usada por una casa depende de variables como: las

características del hogar (número de habitantes y artefactos que utilizan agua), el

costo del agua, entre otros factores; que influyen en la calidad de agua residual

eliminada.

La composición de las aguas residuales viene dada por:

Materia orgánica: Compuesta en un 90% por carbohidratos, proteínas y

grasas provenientes de materia fecal.

15

Grasas y aceites: Su origen puede ser tanto doméstica como industrial. Son

sustancias que al no mezclarse con el agua dan lugar a la formación de

natas.

Nutrientes (nitrógeno y fosforo): Estimulan el crecimiento de

microorganismos. Son procedentes de las excretas humanas y

principalmente de detergentes.

Metales pesados: Provienen de las industrias interiorizadas en las zonas

urbanas. Dan un carácter tóxico a las aguas residuales por la presencia de

cadmio, cobre, plomo, boro, plata, flúor, entre otros.

Surfactantes: Es la materia activa de los detergentes utilizados para la

limpieza en los hogares.

Agentes complejantes: Se debe al uso de detergentes en las industrias y

talleres mecánicos.

Sales: Son procedentes de los desechos humanos e industrias.

Sólidos en suspensión: Son de origen muy variado. El 60% de los sólidos

en suspensión son sedimentables y un 75% son de naturaleza orgánica.

Microorganismos: Son microorganismos patógenos provenientes de los

diferentes tipos de bacterias, virus, protozoos y otros organismos que

transmiten enfermedades.

Los indicadores de calidad dan una idea general del estado bioquímico del agua.

En la tabla 6 y tabla 7 se señala los principales parámetros de control y

contaminación típica de las aguas residuales domésticas.

16

Tabla 6. Grado de contaminación típica de aguas residuales.

COMPONENTE INTERVALO VALOR TÍPICO

Sólidos totales (mg ST/L) 375 – 1800 740

Suspensión (mg ST/L) 120 – 360 230

Fijos volátiles (mg FV/L) 30 – 280 55 – 175

Sedimentables (mL /L) 5 – 20 10

Disueltos (mg SD/L) 250 – 800 500

DBO5 (mg O2/L) 110 – 400 210

DQO (mg O2/L) 200 – 780 400

Nitrógeno total 20 – 85 40

Nitrógeno orgánico 8 – 35 20

Amonio 12 – 50 20

Nitritos y Nitratos 0 0

Fósforo Total (mg P/L) 4 – 15 8

Orgánico 1 – 5 3

Inorgánico 3 – 10 5

Ph 6,7 – 7,5 7

Fuente: (Carrasco Francisco, Menéndez Ángel, 2010)

17

Tabla 7. Conteos bacterianos típicos en el agua

FUENTE BACTERIAS EN 100

ML

BACTERIAS

COLIFORMES EN 100 ML

Agua de la llave 10 0 – 1

Agua natural limpia 103 0 – 102

Agua contaminada 106 – 108 103 – 105

Aguas negras sin tratar

108 105

*Las bacterias coliformes están presentes en las aguas negras pero se

mueren con el tiempo en las aguas naturales. Su hábitat natural son los mamíferos de sangre caliente y el suelo.

Fuente: (Henry Glynn, Heinke Gry, 1999)

2.5 TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES

Los sistemas de tratamiento surgen en Inglaterra a finales del siglo XIX, ante la

necesidad de cuidar la salud pública e impedir los impactos ocasionados por la

evacuación de las aguas negras al ambiente. En un inicio, el tratamiento del agua

residual consistía en hacerla pasar por un filtro de piedras en el que se desarrollaban

colonias de microorganismos que consumían materia orgánica (Carrasco Francisco

y Menendez Ángel, 2010).

En la actualidad un sistema de tratamiento o estación depuradora de aguas

residuales (EDAR), tiene como propósito la eliminación de los contaminantes

orgánicos e inorgánicos presentes en ellas; sometidas a diversos tratamientos

físicos, químicos y/o biológicos que se combinan o complementan en diversas

18

etapas y otorgan el nivel de tratamiento empleado. El tipo de tratamiento depende

de las características del residuo líquido.

De esta manera se define a los sistemas que utilizan procesos físicos como

pretratamientos y tratamientos primarios; a los que emplean procesos biológicos o

químicos como tratamientos secundarios; y a los que requieren la combinación de

los anteriores como tratamientos terciarios.

El fundamento de las regulaciones por parte de leyes y normas establece la

concentración de contaminantes y nutrientes para alcanzar la calidad del agua en

relación con el tipo de reutilización.

Fuente: Las autoras

Ilustración 1. Esquema conceptual de un sistema de tratamiento de aguas residuales.

Sistema de tratamiento de aguas residuales

Agua

residual

Emisiones a

la atmósfera

Insumos Residuo sólido Lodo

Agua tratada

19

Los principales objetivos para la depuración de aguas residuales son los siguientes:

Prevenir y reducir al máximo la contaminación.

Proteger los recursos hidráulicos.

Preservar la biosfera.

Mantener la salud pública.

Aprovechar los residuos obtenidos, haciendo un uso más sostenible de los

recursos hidráulicos.

Los aspectos fundamentales que determinan la factibilidad de un tratamiento son

los siguientes:

La calidad utilizada del efluente.

Las características del agua cruda.

La disponibilidad del terreno.

Los costos de construcción y operación del sistema de tratamiento.

La confiabilidad del tratamiento.

2.6 PRINCIPIOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO

En el tratamiento biológico de aguas residuales se lleva a cabo una serie de

importantes procesos, con los cuales ayudan a la remoción de contaminantes

mediante el uso de microorganismos. También se usa para remover nitrógeno y

fósforo del agua residual debido a la actividad biológica.

El uso de tratamientos biológicos, en los que se usan organismos para

descomponer las sustancias orgánicas en las aguas residuales, está muy extendido

20

en el mundo. A diferencia de otros tratamientos de aguas residuales, que solo usan

procesos químicos o mecánicos, los tratamientos biológicos incluyen el uso de

bacterias, nematodos u otros organismos pequeños (condorchem, 2017).

El tratamiento biológico requiere la presencia de muchos microorganismos, buen

contacto entre estos organismos y el material orgánico, la disponibilidad de

oxígeno, nutrientes suficientes, las condiciones favorables de temperatura, rangos

de pH ventajosos, y el tiempo adecuado para que los organismos trabajen. De este

modo, independientemente de cualquier proceso biológico, los microorganismos

están haciendo el trabajo de biodegradación, y por lo tanto, todas las medidas

deben ser adoptadas para garantizar un entorno favorable para ellos. (Pacheco

Bueno & Noguera Roldán )

La aplicación de estos tratamientos acelera los mecanismos de descomposición

natural, de manera que la eliminación de la materia orgánica degradable es

conseguida bajo condiciones controladas y en menor tiempo que los sistemas

naturales (VON SPERLING, Marcos, & DE LEMOS CHERNICHARO, 2005).

Los microorganismos importantes en el tratamiento biológico son: hongos,

rotíferos, bacterias, algas, gusanos y protozoos.

https://www.rwlwater.com/tratamiento-de-aguas-residuales/?lang=es

21

Tabla 8. Microorganismo utilizado

MICROORGANISMOS INCIDENCIA EN EL TRATAMIENTO

BIOLÓGICO

Bacterias:

Microorganismos

unicelulares

Dos tipos elementales

en las aguas residuales:

Formadoras de flóculos

y formadoras de filamentos.

Las formadoras de flóculos tienen la capacidad,

en las condiciones adecuadas, de agruparse mediante la excreción de polímeros

exocelulares para formar un flóculo que es grande y lo suficientemente fuerte para sedimentarse.

Las bacterias formadoras de filamentos también eliminan compuestos orgánicos de las aguas residuales, pero se caracterizan por las formas

fibrosas o filiformes que son extremadamente ligeras y de fácil lavado del clarificador.

Evidentemente, las bacterias formadoras de flóculo se prefieren en una planta de tratamiento biológico. La temperatura y pH juega un papel

vital en la vida y muerte de las bacterias. La gran mayoría de las plantas de tratamiento biológico están diseñadas para organismos mesófilos;

éstas necesitan ser operadas en el rango de 25 a 40°C para obtener el máximo rendimiento. De igual manera, la mayoría de los organismos no

pueden tolerar niveles de pH por encima de 9,5 o por debajo de 4,0. En general, el pH óptimo

para el crecimiento de bacterias se encuentra entre 6,5 y 7,5.

Fuente: (Flynn Daniel, 2009).

2.7 SISTEMAS AEROBIOS

El oxígeno es el aceptor final de electrones preferido por cualquier célula. Si existe

oxígeno en el medio, éste será el aceptor final de electrones, lo que conlleva que se

obtengan rendimientos energéticos elevados y una importante generación de

fangos, debido al alto crecimiento de las bacterias en condiciones aerobias.

22

Por otro lado, la biomasa puede crecer libre, en suspensión en el interior del

bioreactor, o bien adherida a un soporte (biomasa fija). En el proceso convencional

crece en suspensión, igual que en el caso de los reactores secuenciales (SBR) y en

los reactores de biomembrana (MBR). En los reactores de biodiscos, biofiltros, filtros

percoladores o de lecho móvil (MBBR) la biomasa crece adherida a la superficie de

un soporte de plástico o de arena. Este criterio, si la biomasa crece en suspensión

o fijada a un soporte, conlleva una serie de consecuencias prácticas que convienen

tener en cuenta en el momento de seleccionar qué tecnología es la más conveniente

(Condorchem, 2012).

La eficiencia de la remoción del material contaminante es posible de acuerdo a la

correcta disposición de las aguas tratadas en los cuerpos de aguas, que eliminan

los contaminantes presentes en el agua residual por medio de los sistemas de

tratamientos que combinan los procesos físicos, químicos y biológicos.

En estos procesos el oxígeno libre está presente como aceptor de electrones para

la descomposición por oxidación aerobia. Los productos de la descomposición son

principalmente dióxido de carbono (CO2), agua y material celular, mientras que los

productos gaseosos odoríferos son mínimos. Debido a la gran cantidad de energía

liberada en la oxidación aerobia, la mayoría de los organismos aerobios alcanzan

altas tasas de crecimiento. De manera que la producción de nuevas células es

mayor que en los demás sistemas de oxidación, resultando en una mayor

producción de lodo (Idem, págs. 2-16).

23

2.8 REACTORES BIOLÓGICOS SECUENCIALES (SBR)

Los reactores biológicos secuenciales (SBR) son reactores discontinuos en los que

el agua residual se mezcla con un lodo biológico en un medio aireado. El proceso

combina en un mismo tanque: reacción, aeración y clarificación.

Estos sistemas se caracterizan por su fácil control y flexibilidad, ya que permiten la

posibilidad de controlar de forma sencilla el tiempo que se dedica a cada una de las

etapas del proceso. En cada etapa se establecen unas condiciones ambientales, y

para modificar la duración de cada una de ellas tan sólo es necesario actuar sobre

los controladores que conectan y desconectan las bombas y soplantes.

En estos tratamientos la DBO y/o el nitrógeno orgánico son oxidados al pasar por

la biopelícula. El tipo y tamaño del medio de soporte es un factor muy importante

para el rendimiento y operación de estos procesos. El exceso de biomasa y los

sólidos suspendidos del efluente presentes como lodo, son retenidos en el sistema

y removidos periódicamente, por tanto no requiere de clarificador.

Las mayores ventajas que presentan estos procesos son:

Su necesidad de espacios es relativamente pequeño, debido a que se

requiere un solo tanque para realizar todo el proceso.

No presentan inconvenientes de sedimentación de lodos como en el

caso de los lodos activados.

Su capacidad para tratar efectivamente aguas residuales diluidas

24

Los costes de inversión son menores ya que no requieren de los típicos

decantadores secundarios.

2.9 IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS

Los procesos biológicos aerobios son calificados como los tratamientos más

eficaces para la remoción de compuestos orgánicos disueltos, debido a la rapidez

del tratamiento y la obtención de productos inofensivos como H2O y CO2, en

comparación con otros procesos. Generalmente para apoyar el proceso aerobio,

debe suministrarse oxígeno a las aguas residuales, mediante burbujeo o a través

de mezclado.

Teóricamente el proceso aerobio se sintetiza en la siguiente expresión:

Materia orgánica + Bacteria + O2 →Nuevas células (biomasa) + CO2, H2O, NH3

(Michael & BUTLER , 2011, pág. 43)

Los reactores biológicos se clasifican con base en la forma en que la población

microbiana se encuentra dentro del reactor. Se conoce como biomasa suspendida

a aquellos reactores que no utilizan un medio de soporte y los microorganismos

forman agregados conocidos como flóculos (Calderon Molgora, 2005).

Cuando el reactor cuenta con un medio, ya sea natural o sintético, que sirve de

soporte para que se desarrolle la comunidad microbiana en forma de “lama” o

película, se dice que es un reactor de biomasa fija (Calderon Molgora, 2005).

Los lodos activados y los filtros percoladores son de uso frecuente en México, otros

reactores como los anaerobios de lechos expandidos o los lodos activados con

25

aeración a contracorriente son incipientes en el país. Asimismo, hay otros sistemas

que no se utilizan en México o, en su defecto, su uso principal no es el tratamiento

del agua residual sino el tratamiento de los lodos de desecho (Calderon Molgora,

2005).

2.10 TIPOS DE TRATAMIENTOS

2.10.1 TRATAMIENTO DE CRECIMIENTO SUSPENDIDO

Son tratamientos en los que la masa de microorganismos, ya sea como

organismos individuales, o en conjunto (llamados flóculos), se encuentran

suspendidos. Esta masa de microorganismos se mezcla con las aguas residuales

en tratamiento, formando una suspensión de sólidos llamada licor mixto (Daniel,

pág. 708).

2.10.2 TRATAMIENTO DE CRECIMIENTO ADHERIDO

En estos tratamientos existe un medio de soporte en donde la masa de

microorganismos individuales se sujeta, formando una película de baba

denominada película fija o también llamada película biológica.

“Como empaque se utilizan piedras, madera y objetos plásticos de muchas formas.

La película biológica está compuesta, principalmente, por bacterias y protozoarios”

(Calderon Molgora, 2005).

El agua se escurre sobre la película entrando en contacto con los microorganismos

y el aire en estos procesos de remoción de materia orgánica. Los sistemas

aerobios de biomasa fija más comunes son los filtros percoladores y los discos

26

biológicos rotativos (Calderon Molgora, 2005)

Estos tratamientos funcionan completamente sumergidos en un líquido o no

sumergidos. El oxígeno necesario para los microorganismos transcurre por los

espacios vacíos del material de relleno, por circulación natural o con el uso de

dosificadores de oxígeno. El agua residual entrante se distribuye por el lecho y

circula de manera uniforme sobre la biopelícula. Periódicamente la biomasa

excedente (lodos) es evacuada; y es necesario incluir mecanismos de

sedimentación, y de esta manera obtener un efluente con una concentración

aceptable de sólidos en suspensión. (METCALF & EDDY, 2003)

2.11 CRECIMIENTO MICROBIOLÓGICO

La rapidez del crecimiento microbiano se basa directamente con la cantidad de

alimento disponible.

La población microbiana en un cultivo pasa por 4 fases:

Latencia inicial o fase lag, esta fase es la aclimatación de los

microorganismos, la cual se producen las enzimas necesarias para que

crezcan en un nuevo medio ambiente.

Exponencial o fase log, en el cual el microorganismo crece con rapidez a

una velocidad logarítmica, es decir que cada vez que pasa un cierto tiempo

de generación la población se duplica. Bajo condiciones apropiadas la

velocidad de crecimiento es máxima. Las condiciones ambientales afectan

la velocidad de crecimiento exponencial.

27

Fase estacionaria, a medida que el alimento es limitante el crecimiento se

retrasa en un punto determinado y se equilibra el número de células nuevas

y células muertas.

Fase de muerte, cuando el sustrato se ha agotado se reduce la cantidad

de microorganismos.

“En un proceso de tratamiento biológico […] en cualquier momento dado habrá

una mezcla de poblaciones bacterianas que compitan la una con la otra y que

existan en diversas fases de este ciclo”. (Michael & BUTLER , 2011, pág. 44)

La relación entre la biomasa celular y sustrato (alimentos) en las diferentes fases

se resume en la ilustración 2.

Ilustración 2. Fases de crecimiento microbiano con cambios en la biomasa y sustrato en el tiempo

Fuente: (METCALF & EDDY, 2003).

2.12 BIOPELÍCULA

Las biopelículas también llamado biofilms o tapete microbiano son diminutos

ecosistemas compuestos por microrganismos coligados a un área viva o inerte,

28

estas cambian en grosor y composición dependiendo el lugar y el tiempo

Esta biopelículas se encuentra en diversos lugares cotidianos. Un medio común

para la formación de biopelículas es el agua también en el fango del desagüe de

una vivienda, la placa en los dientes, los glaciares congelados entre otros, son

tipos de ambientes en el cual sucede la formación de biopelículas.

Se distinguen en tres etapas en la formación de biopelícula sobre un medio de

soporte que se detalla a continuación:

En la primera fase de la colonización, las macromoléculas (proteínas,

polisacáridos, lignina, entre otros) son adsorbidas en las superficies sólidas

limpias, debido a que son transportados desde el relleno líquido a la superficie

sólida más rápido que los microorganismos. Como consecuencia de esta

adsorción, la cobertura de la superficie sólida con agua es reducida.

Según (WIESMANN, pág. 151) En la segunda fase, las células microbianas se

unen a la superficie previamente preparada por las macromoléculas. Con

frecuencia, éstas no forman capas cerradas de espesor uniforme, más bien

componen pequeñas colonias adheridas, que pueden extenderse por el

crecimiento y adherencia adicional. Usualmente, esas células están provistas de

substrato y oxígeno que les permite alcanzar su máxima tasa de crecimiento.

Asimismo, durante este proceso, las células producen: moléculas orgánicas (que

se difunden a través de la pared celular) y sustancias poliméricas extracelulares

(EPS) catalizadas por exoenzimas, muy necesarias para la formación de una

biopelícula estable.

29

La fase final del desarrollo de la biopelícula consiste en el desprendimiento de las

células en el medio circundante. El desprendimiento puede ocurrir de una forma

activa o pasiva. El último involucra fuerzas externas tales como tensiones de

cizallamiento, la depredación por organismos superiores, entre otros, que causan

una pérdida de biomasa; las células pueden salir de la estructura del biofilms de

forma individual o en grupos más grandes. Por otro lado, el desprendimiento activo

es iniciado por las bacterias internamente, conduciendo a una dispersión de las

células; las mismas que, una vez libres, son capaces de unir y formar nuevas

colonias aguas abajo del biofilms que se originaron. (Idem, pág. 8)

Ilustración 3. Fases de formación de biopelícula

Fuente: (MASIC, 2013)

Desde la perspectiva metabólica, el oxígeno sólo se puede alcanzar en la parte

exterior de la biopelícula, lo que resulta en un crecimiento de microorganismos

aeróbicos tales como bacterias nitrificantes y protozoos. El nitrato y el nitrito

producido en esta capa se reducen por el metabolismo anóxico dentro de una capa

intermedia, que da lugar a una capa interior anaeróbica adherida directamente

sobre la superficie de soporte, donde es reducido el ácido acético y los sulfatos.

30

Los medios de soporte de plástico, se asemejan a un panal y llegan hasta los 12

m de altura, con un valor frecuente de 6 m. Esta característica, superior a la

usualmente permitida en lechos de piedra, reduce la necesidad de terreno para

la construcción del sistema. Además, los medios de plástico son efectivos en la

remoción de DBO Y SST sobre un amplio rango de cargas orgánicas. La elevada

porosidad, la alta capacidad hidráulica y la menor posibilidad de taponamiento, ha

permitido la aplicación de estos medios en aguas residuales de altas cargas

orgánicas (METCALF & EDDY, 2003)

Asimismo, la baja densidad que caracteriza a los rellenos de plástico, permite el

uso de estructuras externas más económicas. Sin embargo, este tipo de medios

de soporte implica un mayor costo (Jose, SECO, & FERRER, 2008).

31

CAPITULO 3

MARCO METODOLÓGICO

3.1 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

El presente trabajo de investigación que se enfoca en la “Determinación de la

eficiencia de remoción de la carga orgánica en un reactor aeróbico de lecho

suspendido con biomasa adherida”, por la modalidad corresponde a un proyecto

científico experimental, se realizó en la Universidad de Guayaquil en el laboratorio

de aguas de la Facultad de Ingeniería Química.

Se realizaron varios estudios en el laboratorio para conocer de este modo el

progreso de nuestra experimentación mediante la implementación de un grupo de

bacterias selectivas en el agua residual sintética.

El estudio experimental se desarrolló en un reactor biológico secuenciales (SBR)

rectangular invertido previamente elaborado a base de vidrio, con un soporte de

polietileno tipo kaldnes el cual servía para la formación de la biopelícula

considerando de tal manera un proceso Batch.

3.2 ASPECTOS METODOLÓGICOS

El presente estudio experimental está enfocado principalmente en la parte práctica

y empírica. Por tal razón, se creó el medio más óptimo para el desarrollo de las

bacterias selectivas que usamos en las pruebas experimentales obteniendo así

32

diferentes resultados en los análisis. Nuestro trabajo de investigación esta

categorizada por los siguientes métodos:

3.2.1 Método deductivo

Los tratamientos de aguas residuales son necesarios para reducir los niveles de

contaminación presentes en las aguas que han sido utilizadas en las industrias,

hogares, comercios, instituciones o actividades ganaderas. Para realizar dicho

tratamiento utilizamos agua residual sintética en un reactor biológico de lecho móvil

basado en un crecimiento de biomasa sobre un soporte generalmente de plástico,

este tipo de reactor es muy poderoso y versátil para la remoción de carga orgánica.

3.2.2 Método exploratorio

Se considera que nuestro proyecto también es un método exploratorio debido a que

es poca la información que obtuvimos de este tema, por ende es muy importante

mencionar las característica más óptimas que encontramos mediante libros,

páginas web, revistas y papers científicos.

Por consiguiente, iniciamos la puesta en marcha de nuestro bioreactor a escala de

laboratorio el cual contaba con un material de relleno que sirva de soporte para la

formación de biopelícula y a su vez utilizamos agua residual sintética.

3.2.3 Método experimental

El proyecto propuesto requirió que se evalué mediante el método experimental en

el laboratorio realizando distintas pruebas, en las cuales se usó la aireación del

agua, además de sedimentación y filtración de la muestra debido a que es un

33

método biológico que involucran procesos aeróbicos en un reactor Batch, lo que nos

llevó a obtener datos experimentales que fueron de mucha ayuda para el óptimo

desarrollo de nuestro reactor.

3.3 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN.

Para la valoración del método para el tratamiento biológico se utilizó una agua

residual sintética preparada con glucosa, nutrientes inorgánicos y la biomasa fue

preparada con bacterias selectivas colocadas en un recipiente rectangular invertido

con una dimensión de 20 cm de ancho por 30 cm de largo con una capacidad de 7

litros que tiene las siguientes características: soporte de polietileno tipo kaldnes, la

densidad de estos soportes es de 0.95 g/ cm3 y un área específica de 300 𝑚2/𝑚3 lo

que proporciono el desarrollo de la biomasa adherida.

La aireación del sistema se realizó con aire comprimido por medio de 2 difusores

porosos con longitud de 12 cm y otra de 16 cm conectados a una bomba de aire el

cual fue instalado en el centro base del reactor, de igual manera se colocaron 4

aireadores porosos de 1.5cm en cada esquina del reactor las cuales estaban

conectadas a 2 bombas de aire con el propósito de mantener la concentración de

Oxígeno Disuelto en un valor mínimo de 3-5 mg/L.

En el arranque del sistema se procedió al llenado del reactor con el agua residual

sintética, se suministró el oxígeno por medio de las bombas de aire y se adicionó

las bacterias selectivas tipo pseudomonas proporcionadas por proveedor local,

desarrollado para la depuración de aguas residuales; este último con la finalidad de

34

acelerar el proceso de aclimatación y desarrollo de la biopelícula en el medio de

soporte. Este periodo tuvo una duración de 30 días.

La aireación dentro del reactor permitió el desarrollo microbiano y la formación de

biopelícula en el medio de soporte. La finalidad de este proceso fue duplicar la

población de microorganismos para biodegradar compuestos orgánicos, bajo los

parámetros necesarios para un agua residual con baja carga de DQO. El período

de desarrollo fue de 60 días. Este proyecto, se llevó a cabo en las instalaciones del

laboratorio de aguas de la facultad de Ingeniería Química.

3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTACIÓN.

Las técnicas presentadas en nuestro proyecto de investigación son las siguientes:

3.4.1 Relleno

El tamaño del relleno influye en la altura y diámetro del tanque, se encuentra

cubierto por ¼ partes del relleno de polietileno tipo kaldnes, la densidad de estos

soportes es de 0.95 g/ cm3 y un área específica de 300 𝑚2 /𝑚3 que permiten la

formación de la biopelícula cumpliendo su misión de disminuir la carga orgánica en

el agua residual.

3.4.2 Aireación.

Nuestro reactor es un proceso aeróbico, los aireadores junto con los difusores

cumplen con la función de agregar oxígeno al agua y difundir la corriente de aire

para que las bacterias selectivas cumplan con el tratamiento de agua y no se

35

mueran. La aireación es proporcionada por unas bombas con aireadores que están

en cada esquina y los difusores están en el fondo del tanque.

3.4.3 Sedimentación.

Consiste en que tomada la muestra se deje sedimentar durante un tiempo de 10 a

15 minutos en un vaso de precipitación, ayudando a la materia que está dispersa

repose en el fondo del vaso para una mejor filtración.

3.4.4 Filtración.

Una vez ya sedimentada, es fundamental filtrar la muestra debido a que aún hay

cierta cantidad de materia orgánica. Si no se filtra la muestra puede alterar el

resultado final que medimos en el espectrofotómetro, dando como resultado un valor

mayor al deseado.

3.4.5 Calentamiento y enfriamiento.

Tomamos 3 milímetros de la muestra filtrada, la colocamos en un vial para medir

DQO. Calentamos en un reactor durante 120 minutos a una temperatura de 150 ᵒC.

Finalizado el tiempo de calentamiento, dejamos enfriar a temperatura ambiente el

vial para que pueda ser leído.

36

3.5 MATERIALES Y EQUIPOS.

Instrumentos

Balanza analítica

Termómetro

Espátula

Equipos

Bomba de aire

Espectrofotómetro

HACH

pH-metro

Termoreactor

Oxigenómetro

Materiales

Papel filtro

Espátula

Agitadores

Embudo

Pipeta

Vaso precipitación

Soportes de polietileno

tipo kaldnes

Aireadores

Difusores

Vidrio reloj

Piseta

Reactivos

COD Solution A

COD Solution B

Wasterwater influent

inorganics.

Bacterias Selectivas

Úrea

Ac. Fosfórico

Glucosa

37

3.6 INGENIERÍA DE PROCESOS

3.6.1 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE

REMOCIÓN DE LA CARGA ORGÁNICA MEDIANTE LA ELABORACIÓN DE AGUA

SINTÉTICA.

Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017).

38

CAPITULO 4

4.1 CARACTERÍSTICAS DEL MEDIO DE SOPORTE

Las especificaciones del medio de soporte según la carta técnica del fabricante es

la siguiente.

Tabla 9. Dimensiones del medio de soporte

MEDIDA VALOR UNIDADES

Alto 5 mm

Ancho 15 mm

Número de módulos 670 adimensional

Volumen total del lecho 0.007 m3

Altura efectiva del lecho 11 cm

Area especifica 300 m2/m3


4.2 CÁLCULOS DE LA ELABORACIÓN DEL AGUA SINTÉTICA INICIAL

Relación Inicial

DQO / N2 / PO4

100 / 5 / 1

Glucosa

39

El peso molecular de la glucosa es igual a (6 x 12) + (12 x 1) + (6 x 16) = 180

El peso molecular el oxígeno es 6 x 2 x 16 = 192.

Relación 180

192= 1.066

PRIMERA EXPERIMENTACIÓN

Concentración de glucosa

7.2g

7L x

1000 mg

1g= 1025.97 mg/ L de glucosa

Nuestro DQO teórico

1025.97 mg/L de glucosa 𝑥 1.066 = 1093.68 DQO

Nitrógeno

1093.68𝑚𝑔

𝐿×

5 𝑁2

100 𝐷𝑄𝑂= 𝟓𝟒.𝟔𝟖 𝒎𝒈 𝑵𝟐

Cantidad de Sulfato de Amonio SO4 (NH4)2

Pm= 132 mg

54.68 𝑚𝑔𝑁2 ×132 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2

28 𝑚𝑔 𝑁2

×1𝑔

1000 𝑚𝑔=

0,257 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2

2= 𝟎, 𝟏𝟐𝟖 𝒈

0,128 𝑔 × 7 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 = 𝟎, 𝟗𝟎 𝒈 𝒅𝒆 𝑺𝑶𝟒(𝑵𝑯𝟒)𝟐

40

Fósforo

1093.68𝑚𝑔

𝐿×

1 𝑃𝑂3

100 𝐷𝑄𝑂= 𝟏𝟎,𝟗𝟑 𝒎𝒈𝑷𝑶𝟑

Cantidad de Ácido Fosfórico H3PO4

Pm=98 g

0.01093𝑔 𝑃𝑂4 ×98 𝑔 𝐻𝑃𝑂4

31𝑔 𝑃𝑂4 = 𝟎.𝟎𝟑𝟒𝟕 𝒈 𝒅𝒆 𝑯𝟑𝑷𝑶𝟒

SEGUNDA EXPERIMENTACIÓN


11g

7L x

1000 mg


Nuestro DQO teórico seria


Nitrógeno

1612.79𝑚𝑔

𝐿×

5 𝑁2

100 𝐷𝑄𝑂= 𝟖𝟎.𝟔𝟑 𝒎𝒈 𝑵𝟐


Pm= 132 mg

80.63 𝑚𝑔𝑁2 ×132 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2

28 𝑚𝑔 𝑁2

×1𝑔

1000 𝑚𝑔=

0,377 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2

2= 𝟎, 𝟏𝟗𝟎 𝒈

41

0,190𝑔 × 7 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 = 𝟏, 𝟑𝟑 𝒈 𝒅𝒆 𝑺𝑶𝟒(𝑵𝑯𝟒)𝟐

Fósforo

1612.79𝑚𝑔

𝐿×

1 𝑃𝑂4

100 𝐷𝑄𝑂= 𝟏𝟔,𝟏𝟐 𝒎𝒈𝑷𝑶𝟒


Pm=98 g

0.016 𝑔 𝑃𝑂4 ×98 𝑔 𝐻𝑃𝑂4

31𝑔 𝑃𝑂4 = 𝟎. 𝟎𝟓 𝒈 𝒅𝒆 𝑯𝟑𝑷𝑶𝟒

TERCERA EXPERIMENTACIÓN


9.60g

7L x

1000 mg


Nuestro DQO teórico seria


Nitrógeno

1462.23𝑚𝑔

𝐿×

5 𝑁2

100 𝐷𝑄𝑂= 𝟕𝟑.𝟏𝟏 𝒎𝒈 𝑵𝟐


Pm= 132 mg

42

73,11 𝑚𝑔𝑁2 ×132 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2

28 𝑚𝑔 𝑁2

×1𝑔

1000 𝑚𝑔=

0,344 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2

2= 𝟎,𝟏𝟕𝟐𝒈

0,172 𝑔 × 7 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 = 𝟏,𝟐 𝒈 𝒅𝒆 𝑺𝑶𝟒(𝑵𝑯𝟒)𝟐

Fósforo

1462.23𝑚𝑔

𝐿×

1 𝑃𝑂4

100 𝐷𝑄𝑂= 𝟏𝟒,𝟔 𝒎𝒈𝑃𝑂4


Pm=98 g

0.0146 𝑔 𝑃𝑂4 ×98 𝑔 𝐻𝑃𝑂4

31𝑔 𝑃𝑂4 = 0.0𝟒𝟔 𝒈 𝒅𝒆 𝑯𝟑𝑷𝑶𝟒

4.3 TABLA DE LA ELABORACIÓN AGUA SINTÉTICA

Tabla 10. Elaboración del agua sintética

Preparación Agua

(L)

Glucosa

(g)

Sulfato de

Amonio (g)

Urea (g) Ác.

Fosfórico

(g)

1 7 7,22 0,90 - 0.0347

2 7 11 1,33 - 0.050

3 7 9,60 1,2 1,2 0.46


43

4.4 RESULTADOS EXPERIMENTALES

En el periodo de experimentación para el tratamiento de aguas residuales obtuvimos

los siguientes datos:

4.4.1 TEMPERATURA

Tabla 11. Temperatura en relación con cada experimentación

Corridas Temperatura (ºC)

1 25,9

2 25,6

3 25,7


4.4.2 OXÍGENO DISUELTO

Tabla 12. Oxígeno disuelto en relación con cada corrida

Corridas O2 (mg/L)

1 7,04

2 7,25

3 7,21


4.4.3 POTENCIAL DE HIDRÓGENO

Tabla 13. pH en relación con cada corrida

Corridas pH

1 6,5

2 7

3 7,2


44

4.4.4 DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO

4.4.4.1 Tabla de calibración para los ensayos de DQO

Tabla 14. Calibración para los ensayos de DQO

Abs (X) DQO (Y)

1 0,001 100

2 0,21 500

3 0,492 1000

4 0,772 1500

45

La curva de calibración resultante es la siguiente:

Ilustración 4. Validación del método para el análisis de DQO


y = 1809,3x + 107,83R² = 0,9998

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

CON

CEN

TRA

CIÓ

N D

QO

(MG

O2

/L)

ABSORBANCIA (NM)

Curva de calibración DQO

46

La ecuación de la curva de calibración es:

y= 1809,3x + 107,83

Donde:

y= Concentración DQO (mg O2/L)

x= Absorbancia determinada en el laboratorio (nm)

Una de las formas para determinar el grado en que una recta se ajusta a una nube

de puntos y que ha sido de gran aceptación en el análisis de regresiones, es el

coeficiente de determinación (R2), el cual mide la proporción de variabilidad de la

variable dependiente explicada por la recta de regresión. Si el valor que resulta lo

multiplicamos por 100, obtendremos el porcentaje de la variabilidad explicada.

El coeficiente de determinación toma valores entre 0 y 1, y cuanto más se aproxime

a 1 mejor será el ajuste y por lo tanto mayor la fiabilidad de las predicciones que con

él realicemos (el coeficiente es 0 cuando los valores son independientes y 1 cuando

entre ellos existe relación perfecta).

En nuestro análisis el coeficiente de determinación es 0,9998. Este valor cercano a

1, representa que nuestra curva de calibración se ajusta en un 99,98% al conjunto

de puntos, por lo tanto posee una alta fiabilidad en la predicción de la concentración

de DQO a partir de la absorbancia medida en el laboratorio.

47

4.4.4.2 Primera experimentación

Tabla 15. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la primera

experimentación

Tiempo (días) ABS DQO (mg/L) ln (S/So)

0 0,545 1093,7 0

1 0,5402 1085,05 -0,00794037

2 0,517 1043,08 -0,04738857

3 0,496 1005,1 -0,0844794

4 0,356 751,8 -0,37485139

5 0,267 590,8 -0,61584417


Ilustración 5. Curva DQO vsTiempo


1093,7 1085,051043,08 1005,1

751,8

590,8

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1 2 3 4 5 6

DQ

O (

mg/

L)

Tiempo (Días)

DQO vs Tiempo

48

Ilustración 6. Curva ln(S/So) vs Tiempo


4.4.4.3 Segunda experimentación

Tabla 16. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la

segunda experimentación

Tiempo ABS DQO (mg/L) ln (S/So)

0 0,832 1612,8 0

1 0,727 1422,9 -0,12527476

2 0,525 1057,5 -0,42206417

3 0,452 925,4 -0,555501

4 0,301 652,3 -0,9052225

5 0,194 458,7 -1,25733068

6 0,15 379,1 -1,44792706

7 0,12 324,8 -1,60251747

8 0,091 272,4 -1,7784555

9 0,089 268,8 -1,79175947

10 0,025 153 -2,35528916

11 0,02 144 -2,41591378


y = -0,1205x + 0,1128R² = 0,8034

-0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0 1 2 3 4 5 6

ln(S

/So

)

Tiempo (días)

ln(S/So) vs Tiempo

49

Ilustración 7. Curva DQO vs Tiempo




1612,8

1422,9

1057,5

925,4

652,3

458,7379,1

324,8 272,4 268,8153 144

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 2 4 6 8 10 12

DQ

O (

mg/

L)

Tiempo (Días)

DQO vs Tiempo

y = -0,226x + 0,0215R² = 0,984

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

0 2 4 6 8 10 12

ln(S

/So

)

Tiempo (días)

ln (S/So) vs Tiempo

50

4.4.4.4 Tercera experimentación

Tabla 17. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la tercera

experimentación

Tiempo ABS mg/L ln (S/So)

0 0,7477 1460,4 0

1 0,6857 1348,3 -0,07986583

2 0,6164 1222,9 -0,17748528

3 0,5521 1106,6 -0,27741812

4 0,5072 1025,3 -0,35372512

5 0,4388 901,6 -0,48229469

6 0,3923 817,5 -0,58021475

7 0,3388 720,7 -0,70624269




1460,41348,3

1222,91106,6

1025,3901,6

817,5720,7

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 2 4 6 8

DQ

O (

mg/

L)

Tiempo (Días)

DQO vs Tiempo

51



4.5 RESULTADOS EXPERIMENTALES

Tabla 18. Relación de las experimentaciones en un tiempo de 6 días

Tiempo (días)

Primera DQO (mg/L)

Segunda DQO (mg/L)

Tercera DQO (mg/L)

0 1093,7 1612,8 1460,4

1 1085,05 1422,9 1348,3

2 1043,08 1057,5 1222,9

3 1005,1 925,4 1106,6

4 751,8 652,3 1025,3

5 590,8 458,7 901,6


y = -0,1004x + 0,0194R² = 0,9959

-0,8

-0,7

-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

ln(S

/So

)

Tiempo(días)

ln (S/So) vs Tiempo

52



0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 1 2 3 4 5 6

DQ

O(m

g/L)

Tiempo (días)

Curva DQO vs Tiempo

Primera DQO (mg/L) Segunda DQO (mg/L) Tercera DQO (mg/L)

53

4.6 OBTENCIÓN DE LA CONSTANTE DE REMOCIÓN POR MÉTODO INTEGRAL

54

Tabla 19. Constante de remoción

(Arellano & Chiliquinga, 2017)

4.7 CALCULO DE LA EFICIENCIA DE REMOCIÓN

Con todos los datos obtenidos mediante las pruebas experimentales hemos podido

sacar la eficiencia de cada corrida la cual se demuestra a continuación.

𝑬 =𝑺𝒐 − 𝑺

𝑺𝒐𝒙 𝟏𝟎𝟎

So = Carga contaminante de entrada

S = Carga contaminante de salida

Pruebas experimentales K (Constante de remoción)

Experimentación 1 0.1205



55

Tabla 20. Eficiencia de remoción

Primera

experimentación Segunda

experimentación Tercera

experimentación

So (mg/L) 1093.7 1612.8 1460.4

S (mg/L) 690.8 144.0 720.7

Días 6 20 8

Eficiencia (%) 45.98 91.07 50.65


56

ANALISIS DE LOS RESULTADOS

Con este estudio a nivel de laboratorio, se demostró que empleando un reactor

aerobio de mezcla completa con biomasa adherida a un soporte plástico tipo

kaldnes es una buena alternativa para la remoción de la materia orgánica

biodegradable contenida en el agua residual mediante biopelículas.

Las mediciones diarias durante la fase experimental, la eficiencia más alta de

remoción de materia orgánica fue del 91.07% en un periodo de 20 días, el 50.65%

en 8 días y el 45.48% en 6 días.

57

CONCLUSIONES

En el proceso de la remoción de la carga orgánica en el reactor aeróbico de

lecho suspendido con biomasa adherida se logró en la primera

experimentación 45,98% en 6 días, en la segunda experimentación se logró

el más alto porcentaje de remoción del 91,07 durante un periodo de 20 días

y en la tercera experimentación 50,65% en 8 días.

En nuestro análisis el coeficiente de determinación es 0,9998. Este valor

cercano a 1, representa que nuestra curva de calibración se ajusta en un

99,98% al conjunto de puntos, por lo tanto posee una alta fiabilidad en la

predicción de la concentración de DQO a partir de la absorbancia medida en

el laboratorio.

Mediante el monitoreo de las condiciones óptimas de operación indicaron

que el sistema batch mantuvo un pH de 7,2, temperatura de 25,73 ºC y O2

de 7,04 mg/L los mismos que están dentro del rango para tratamientos

biológicos.

Se demuestra que el reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa

adherida es un proceso muy poderoso y versátil en comparación con los

tratamientos de aguas residuales convencionales.

58

RECOMENDACIONES

La aclimatación de las bacterias deben cumplir un periodo de 20 días.

Para un mejor desempeño, el reactor debe operar las 24 horas.

Es recomendable que los soportes tipo kaldnes ocupen un espacio de ¼ para

proporcionar un buen movimiento.

La aireación es un factor importante para el crecimiento microbiano.

Se recomienda que el trabajo se utilice para futuras investigaciones en el

sector de los reactores biológicos SBR.

59

ANEXOS


Ilustración 13. Puesta en marcha del equipo.


Ilustración 12. Acondicionamiento del reactor

60

Ilustración 14. Medición del oxígeno disuelto


Ilustración 15. Aeración del sistema


61

Ilustración 16. Crecimiento bacteriano


Ilustración 17. Formación de la biopelícula


62

Ilustración 18. Dosificación de glucosa


Ilustración 19. Vista frontal del reactor


63

Ilustración 20. Aclimatación de bacterias


Ilustración 21. Prueba de sedimentación


64

Ilustración 22. Visualización del crecimiento bacteriano


Ilustración 23. Dilución de glucosa en agua


65

Ilustración 24. Nutrientes para el tratamiento de aguas residuales.


Ilustración 25. Dosificación de bacterias en el reactor


66

Ilustración 26. Filtración de la muestra


Ilustración 27. Muestra para el análisis de DQO


67

Ilustración 28. Soportes de polietileno tipo Kaldnes


Ilustración 29. Agua tratada


68

Ilustración 30. Diferencia del soporte Kaldnes en relación a la carga orgánica


Ilustración 31. Bomba de aire


69

Ilustración 32. Bacterias Selectivas


Ilustración 33. Ficha técnica de las bacterias selectivas

70

Fuente: (Spartan del Ecuador productos quimicos S.A., 2017)

73

BIBLIOGRAFÍA

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reactores biológicos secuenciales (SBR): http://aguasindustriales.es/ventajas-y-desventajas-de-los-reactores-biologicos-secuenciales-sbr/

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