UNIVERSIDAD LAICA VICENTE ROCAFUERTE DE GUAYAQUIL

FACULTAD DE INGENIERÍA, INDUSTRIA Y CONSTRUCCIÓN

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

TEMA

EVALUACIÓN DEL TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN BASE A

LODOS ACTIVADOS COMO POSIBLE CAUSANTE DE LA CONTAMINACIÓN ODORÍFERA EN LA CIUDADELA PUERTO

SEYMOUR.

TUTOR

MG. MILTON GABRIEL ANDRADE LABORDE

AUTORES

MARÍA ALEJANDRA MACÍAS RAMOS JORDY LEONARDO PADILLA HOLGUÍN

GUAYAQUIL

2021

II

REPOSITARIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA FICHA DE REGISTRO DE TESIS

TÍTULO Y SUBTÍTULO: Evaluación del tiempo de retención hidráulica de la planta de

tratamiento de aguas residuales en base a lodos activados como posible causante de la contaminación odorífera en la ciudadela Puerto

Seymour. AUTOR/ES: Macías Ramos María Alejandra Padilla Holguín Jordy Leonardo

REVISORES O TUTORES: Andrade Laborde Milton Gabriel

INSTITUCIÓN: Universidad Laica Vicente Rocafuerte de Guayaquil

Grado obtenido: Ingeniero Civil

FACULTAD: INGENIERÍA, INDUSTRIA Y

CONSTRUCCIÓN

CARRERA: INGENIERIA CIVIL

FECHA DE PUBLICACIÓN: 2021

N. DE PAGS: 109

ÁREAS TEMÁTICAS: Arquitectura y construcción

PALABRAS CLAVE: Tratamiento de desechos – aguas residuales – contaminación ambiental – efecto de las actividades humanas

RESUMEN: El presente proyecto se basa en la evaluación del tiempo de retención hidráulico con el fin de identificarlo como causante de la contaminación odorífera en la ciudadela Puerto Seymour, mediante el análisis de parámetros físicos y químicos de las aguas residuales de un prototipo a escala de la PTAR en estudio, donde se encuentra que tiempo de retención no es parámetro que causa la contaminación odorífera. Obteniendo como tiempo optimo las 28 horas donde se obtiene el mayor porcentaje de remoción, menor consumo de energía y menor costo de operación, reduciendo en un 6% el costo. N. DE REGISTRO (en base de datos):

N. DE CLASIFICACIÓN:

III

DIRECCIÓN URL (tesis en la web):

ADJUNTO PDF:

SI NO

CONTACTO CON AUTOR/ES: Macías Ramos María Alejandra Padilla Holguín Jordy Leonardo

Teléfono: 0981062962 0960513335

E-mail: mmaciasr@ulvr.edu.ec jpadillah@ulvr.edu.ec

CONTACTO EN LA INSTITUCIÓN:

MSc. Ing. Civil Alex Salvatierra Espinoza, Decano de la facultad Ingeniería, Industria y Construcción Teléfono: 04 2596500 Ext. 241. Decano E-mail: asalvatierrae@ulvr.edu.ec

X

IV

CERTIFICADO DE SIMILITUDES

Firma: __________________________

Milton Andrade Laborde, Mg

C.I. 0917583767

V

DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS

PATRIMONIALES

Los/as estudiantes/egresados/as María Alejandra Macias Ramos y Jordy Leonardo Padilla

Holguín, declaro (amos) bajo juramento, que la autoría del presente trabajo de investigación,

corresponde totalmente a los/as suscritos/as y nos responsabilizamos con los criterios y opiniones

científicas que en el mismo se declaran, como producto de la investigación realizada.

De la misma forma, cedemos nuestros derechos patrimoniales y de titularidad a la

UNIVERSIDAD LAICA VICENTE ROCAFUERTE DE GUAYAQUIL, según lo establece la

normativa vigente.

Este proyecto se ha ejecutado con el propósito de estudiar (Evaluación del tiempo de retención

hidráulica de la planta de tratamiento de aguas residuales en base a lodos activados como posible

causante de la contaminación odorífera en la ciudadela Puerto Seymour)

Autor(es)

Firma: __________________________

MARÍA ALEJANDRA MACIAS RAMOS

C.I. 0940185697

Firma: __________________________

JORDY LEONARDO PADILLA HOLGUÍN

C.I.0931119515

VI

CERTIFICACIÓN DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR

En mi calidad de Tutor(a) del Proyecto de Investigación “EVALUACIÓN DEL TIEMPO DE

RETENCIÓN HIDRÁULICA DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALS EN BASE LODOS ACTIVADOS COMO POSIBLE CAUSANTE DE LA

CONTAMINACIÓN ODORÍFERA EN LA CIUDADELA PUERTO SEYMOUR”, designado(a)

por el Consejo Directivo de la Facultad de Ingeniería, Industria y Construcción de la Universidad

LAICA VICENTE ROCAFUERTE de Guayaquil.

CERTIFICO:

Haber dirigido, revisado y aprobado en todas sus partes el Proyecto de Investigación titulado:

“EVALUACIÓN DEL TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICA DE LA PLANTA DE

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALS EN BASE LODOS ACTIVADOS COMO

POSIBLE CAUSANTE DE LA CONTAMINACIÓN ODORÍFERA EN LA CIUDADELA

PUERTO SEYMOUR”, presentado por los estudiantes MACIAS RAMOS MARÍA

ALEJANDRA Y PADILLA HOLGUÍN JORDY LEONARDO como requisito previo, para

optar al Título de Ingeniero Civil, encontrándose apto para su sustentación

Firma: -----------------------------------------

Milton Andrade Laborde, Mg

C.I. 0917583767

VII

AGRADECIMIENTO

Agradezco a Dios por brindarme el conocimiento en este proyecto investigativo y poder alcanzar

una meta más en la vida profesional.

Agradezco a mis padres por los principios y valores que desde muy pequeño me inculcaron en

casa, a la ayuda incondicional de mi familia gracias por ayudarme en este objetivo planteado.

A mi mujer con su apoyo moral, le quedo muy agradecido. A

mi compañera de tesis quien desde las aulas de clases eh contado con su mamo amiga estoy muy

agradecido.

Gracias a los docentes de la facultad que durante este camino nos supieron inculcar el

conocimiento de la profesión.

Gracias a mi tutor por su asesoramiento y guía durante todo este proyecto.

Gracias a todos.

VIII

DEDICATORIA

Este presente trabajo lo dedico principalmente a dios, a mi mamá Maruja quien en vida fue la persona que confió en mí desde el primer momento y fue mi impulso día a día. A mi papi Alberto que, sin su dedicación, sus palabras de aliento y sus esfuerzos, no hubiera llegado a este momento, a mi mami Elsa por sus palabras de apoyo, por estar presente en cada paso que he dado, en cada decisión que he tomado, por enseñarme a ser persistente., a mis hermanos Alberto y Rommie por escucharme cuando se ha necesitado, por acompañarme y no dejarme caer, a mis amigos cercanos por creer y apoyarme en todo momento.

María Alejandra Macías Ramos

Dedico este proyecto investigativo principalmente a Dios por guiarme en cada paso que doy, como es en mi formación profesional.

A mi familia que siempre estuvieron en cada adversidad durante en este camino. A mis Padres por su ayuda incondicional, a mi Madre Nereyda le quedo eternamente agradecido por su esfuerzo y confianza depositada para obtener esta meta en mi vida profesional.

A mi pequeña Sophia y a mi mujer que en medio de este objetivo llegaron a mi vida, dándome un motivo más por cual esmerarme.

A los docentes que nos brindaron su motivación día a día mas no como alumno si no como un colega más.

Este objetivo, esta meta no es tan solo alcanzada por mi esfuerzo, este logro es por cada grano de arena de aquellos que creyeron en mí, a ellos este logro es suyo.

Jordy Leonardo Padilla Holguín

IX

ÍNDICE GENERAL

CERTIFICADO DE SIMILITUDES ............................................................................................ IV

DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS PATRIMONIALES................. V

CERTIFICACIÓN DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR ................................................................ VI

ÍNDICE GENERAL ..................................................................................................................... IX

INDICE DE FIGURAS.............................................................................................................. XIII

INDICE DE TABLA ................................................................................................................. XIV

INDICE DE ANEXOS ................................................................................................................ XV

ABREVIATURAS ..................................................................................................................... XVI

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

CAPÍTULO I DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ...................................................................... 3

1.1. Tema .................................................................................................................................................. 3

1.2. Planteamiento del problema ............................................................................................................... 3

1.3. Formulación del problema ................................................................................................................. 4

1.4. Sistematización del problema ............................................................................................................ 4

1.5. Objetivo general ................................................................................................................................. 5

1.6. Objetivos específicos ......................................................................................................................... 5

1.7. Justificación ....................................................................................................................................... 5

1.8. Delimitación o alcance de la investigación ........................................................................................ 7

1.9. Hipótesis ............................................................................................................................................ 7

1.10. Línea de investigación institucional ................................................................................................. 8

CAPÍTULO II MARCO TEORICO ............................................................................................... 9

2.1. Antecedentes. ..................................................................................................................................... 9

2.2. Marco Conceptual ............................................................................................................................ 10

Olores, odorantes y sistema olfatorio ........................................................................................ 10

Características del agua residual ............................................................................................... 13

Características físico- químico y microbiológico. .................................................................... 14

Características físicas ................................................................................................................ 15

Características químicas ............................................................................................................ 17

Características microbiológicas ................................................................................................ 21

X

Demanda química de oxígeno (DQO)....................................................................................... 24

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) .................................................................................. 24

Tratamientos de aguas residual ................................................................................................. 24

Tratamientos preliminares ....................................................................................................... 27

Tratamientos primarios ........................................................................................................... 27

Tratamientos biológicos o secundarios ................................................................................... 28

Tratamientos terciarios ............................................................................................................ 28

Proceso de lodos activados ..................................................................................................... 28

Descripción del proceso de lodos activado ............................................................................. 29

Monitoreo ................................................................................................................................ 31

Indicadores de rendimiento de la PTAR ................................................................................. 31

Parámetros de diseño de plantas de la planta de tratamiento de aguas residuales de lodos activados a escala laboratorio ............................................................................................................. 36

Edad del fango o tiempo de retención celular (TRC): ............................................................ 36

DBO soluble ............................................................................................................................ 37

Eficiencia de remoción ............................................................................................................ 37

Masa microbiana del reactor (XV) .......................................................................................... 37

Volumen del reactor ................................................................................................................ 38

Tiempo de retención hidráulico .............................................................................................. 39

Relación alimento /microorganismo ....................................................................................... 39

Producción de lodos ................................................................................................................ 39

Necesidad teórica de oxígeno ................................................................................................. 40

Temperatura ............................................................................................................................ 41

pH ............................................................................................................................................ 41

2.3. Marco Legal ..................................................................................................................................... 42

Constitución del Ecuador .......................................................................................................... 42

Código Orgánico Ambiental ..................................................................................................... 43

Norma INEN 2169: AGUA. CALIDAD DEL AGUA. MUESTREO. MANEJO Y CONSERVACIÓN DE MUESTRAS ................................................................................................. 43

Ley Orgánica de la Salud .......................................................................................................... 46

Norma INEN de calidad ambiental y descargas de efluentes: Recurso agua ............................ 47

Norma INEN 2176 CALIDAD DE AGUA. MUESTREO. TECNICAS DE MUESTREO .... 49

XI

CAPÍTULO III METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN ......................................................... 52

3.1. Metodología ..................................................................................................................................... 52

Lugar de estudio ........................................................................................................................ 52

Descripción del sistema de tratamiento..................................................................................... 53

Impacto odorífero en la comunidad .......................................................................................... 53

Diseño del prototipo a escala laboratorio .................................................................................. 53

Materiales para la construcción del Bio-reactor ........................................................................ 54

Construcción del reactor biológico a escala laboratorio ........................................................... 54

3.2. Tipo de investigación ....................................................................................................................... 55

3.3. Enfoque ............................................................................................................................................ 56

3.4. Técnica e instrumentos .................................................................................................................... 56

3.5. Población.......................................................................................................................................... 57

Área de encuesta ....................................................................................................................... 57

Aplicación de encuesta .............................................................................................................. 57

Muestreo del agua residual ....................................................................................................... 57

3.6. Plan de muestreo .............................................................................................................................. 58

Procedimiento de muestreo ....................................................................................................... 58

CAPÍTULO IV INFORME FINAL .............................................................................................. 59

4.1. Determinación de la percepción de olores ....................................................................................... 59

4.2. Concentraciones del agua residual en la PTAR ............................................................................... 61

Eficiencia de remoción de la PTAR .......................................................................................... 62

Energía consumida por gramo de compuesto (EC) ................................................................... 63

Costo de operación .................................................................................................................... 64

4.3. Concentraciones del agua residual en el prototipo Bio-Reactor ...................................................... 65

Eficiencia de remoción.............................................................................................................. 66

Energía consumida por parámetro (EC) .................................................................................... 67

Costo de operación .................................................................................................................... 68

Comparación entre la eficiencia de remoción, energía consumida y el costo de operación del bio-reactor de la PTAR y el prototipo ................................................................................................. 69

CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 72

RECOMENDACIONES ............................................................................................................... 73

XII

BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................... 74

ANEXOS ...................................................................................................................................... 79

XIII

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Sistema fisiologico humano para la recepcion de olores ............................................................................ 11 Figura 2.Grado de concentración de la contaminación odorífera .............................................................................. 12 Figura 3.Proceso global de problemática odorífera ................................................................................................... 13 Figura 4. Composición de los olores en las PTAR. ..................................................................................................... 20 Figura 5. Sistema de tratamiento de aguas residuales ................................................................................................ 26 Figura 6. Proceso de lodo activado............................................................................................................................. 30 Figura 7. Puntos recomendados para el muestreo ...................................................................................................... 34 Figura 8. Porcentaje de olor en una PTAR de lodos activados. .................................................................................. 36 Figura 9.Técnicas generales para conservación de muestras ..................................................................................... 46 Figura 10.Límites de descarga a un cuerpo de agua dulce ......................................................................................... 48 Figura 11. Imagen satelital de la urbanización Puerto Seymour ................................................................................ 52 Figura 12. Diseño del bio-reactor a escala ................................................................................................................. 55 Figura 13. Puntos de muestreo en la PTAR ................................................................................................................ 58 Figura 14. Resultados de la encuesta de la primera pregunta .................................................................................... 59 Figura 15. Resultados de la encuesta de la segunda pregunta.................................................................................... 60 Figura 16. Resultados de la encuesta de la tercera pregunta ..................................................................................... 60 Figura 17. Resultados de la encuesta de la cuarta pregunta ...................................................................................... 61 Figura 18.Eficiencia de remoción de los compuestos. ................................................................................................ 63 Figura 19. EC para cada compuesto removido ........................................................................................................... 64 Figura 20. Eficiencia de remoción de los parámetros a diferentes tiempos de retención ........................................... 66 Figura 21. EC para cada tiempo de retención ............................................................................................................ 67 Figura 22.. EC para cada tiempo de retención ........................................................................................................... 68 Figura 23. Eficiencia de remoción para cada tiempo de retención incluyendo la PTAR............................................ 69 Figura 24. Energía consumida para cada tiempo de retención incluyendo la PTAR ................................................. 70 Figura 25. Eficiencia de remoción para cada tiempo de retención incluyendo la PTAR............................................ 71 Figura 26. Entrevista al Ing. Michael Ponce .............................................................................................................. 80 Figura 27. Bio-reactor con ciclo de aireación ............................................................................................................ 80 Figura 28. Etapa de la cloración................................................................................................................................. 81 Figura 29. Etapa del digestor ...................................................................................................................................... 81 Figura 30. Etapa de clarificación................................................................................................................................ 82 Figura 31. Cuerpo receptor ......................................................................................................................................... 82 Figura 32. Encargado del laboratorio tomando la muestra del bio-reactor ............................................................... 83 Figura 33. Encargado del laboratorio guardando la muestra en envases plásticos ................................................... 83 Figura 34. Muestras almacenadas según norma INEN ............................................................................................... 84 Figura 35. Srta. Alejandra Macias tomando prueba de pH a la muestra ................................................................... 84 Figura 36. Prueba de pH con resultado básico ........................................................................................................... 85 Figura 37. Diseño del Bio-reactor a escala ................................................................................................................ 86 Figura 38. Vista de planta de la PTAR en situ ............................................................................................................ 93

XIV

INDICE DE TABLA

Tabla 1. Línea y sublínea de investigación .................................................................................................................... 8 Tabla 2. Cuadro comparativo de procesos .................................................................................................................. 22 Tabla 3. Puntos de muestreo y parámetros analíticos ................................................................................................. 35 Tabla 4. Puntos de muestreo y parámetros analíticos ................................................................................................. 40 Tabla 5. Resultados de los parámetros físicos – químicos del agua residual a la entrada al bio-reactor de PTAR ... 61 Tabla 6. Resultados de los parámetros físicos – químicos del agua residual a la salida del biorreactor ................... 62 Tabla 7. Valores de eficiencia de remoción en porcentaje por cada tiempo de retención en la PTAR ....................... 62 Tabla 8. Costo de operación de acuerdo al tiempo de retención de la PTAR. ............................................................ 64 Tabla 9. Resultados de los parámetros físicos – químicos del agua residual a la entrada al biorreactor .................. 65 Tabla 10. Resultados de componentes odorantes en del agua residual tomados en la salida del biorreactor. .......... 65 Tabla 11. Valores de eficiencia de remoción en porcentaje por cada tiempo de retención en horas ......................... 66 Tabla 12. Valores de costo de operación de acuerdo al tiempo de retención ............................................................. 68 Tabla 13. Valores comparativos de eficiencia de remoción de los compuestos evaluados a los diferentes tiempos de retención. ..................................................................................................................................................................... 69 Tabla 14. Valores comparativos de energía consumida por compuesto removido. .................................................... 70 Tabla 15. Valores comparativos de energía consumida a los diferentes tiempos de retención. ................................. 70 Tabla 16. Valores comparativos de energía consumida a los diferentes tiempos de retención. ................................. 71

XV

INDICE DE ANEXOS

ANEXO I ..................................................................................................................................................................... 79 ANEXO II ................................................................................................................................................................... 80 ANEXO III .................................................................................................................................................................. 86 ANEXO IV .................................................................................................................................................................. 87 ANEXO V .................................................................................................................................................................... 93

XVI

ABREVIATURAS

PTAR: Planta de tratamiento de aguas residuales

VSC: volatile sulfur compounds

OER: Odor emitions rates

OAV: Odor activity values

THR: Tiempo de retención hidráulico

DBO: Demanda bioquímica de oxígeno

DQO: Demanda química de oxígeno

pH: Potencial de hidrógeno

EC: Energía consumida

MLSS: Concentración en el licor mezcla de sólidos suspendidos totales

V: Volumen

TRC: Tiempo de retención celular

SST: Sólidos totales

XV: Masa microbiana del reactor

Tr: Tiempo de retención hidráulico

1

INTRODUCCIÓN

Las distintas actividades humanas, sean estas directas o indirectas generan olores que ocasionan

molestias y eventualmente perjudican a la salud de poblaciones aledañas, el Ecuador cuenta con

421 plantas de tratamiento de aguas residuales, de las cuales el 30.64%, se encuentran en la Región

Costa aproximadamente 129 plantas, siendo la provincia del Guayas la que tiene del 5.24 – 11.64

% de ellas. (INEC, 2016).

El tener un conocimiento sólido del proceso de tratamiento de aguas residuales es indispensable al

momento de elegir el diseño y el sistema adecuado de tratamiento, teniendo en cuenta de que la

elección se basa dependiendo del tipo de aguas residuales, el control que se debe de tener para las

distintas contaminaciones y que entregue un efluente que cumpla con las normativas establecidas

para la disposición en los cuerpos receptores.

Puerto Seymour es una ciudadela ubicada en la ciudad de Guayaquil en el Km 13.8, Vía a la Costa,

que cuenta con aproximadamente 1200 residentes que esperan que se cumplan con los parámetros

de calidad urbanística y ambiental que establece el concepto de ciudadela según García. et 2018,

por ende, la misma debe evitar cualquier tipo de emisión de contaminantes que vayan en contra de

la calidad prometida al momento de la obtención de la vivienda.

Esta ciudadela cuenta con la planta de tratamiento de aguas residuales de lodos activados, que

recibe un caudal de 230 m3/día aproximadamente, por lo cual produce contaminación odorífera

debido a la descomposición de la materia orgánica proveniente de las viviendas; como resultado

la administración recibe quejas constantes de percibir malos olores a especificas horas del día

creando inclusive malestares físicos.

Según rojas. et 2018, indica que las causas para la emisión de malos olores de una PTAR son

principalmente: mal diseño de la planta de tratamiento, mala operación de la misma y la

ineficiencia del tiempo de retención en la etapa donde se percibe el mal olor, ocasionando como

resultado un impacto ambiental a los residentes de la ciudadela de estudio como a las aledañas.

2

De acuerdo a esto, el presente proyecto se basa en la evaluación del tiempo de retención hidráulico

con el fin de identificarlo como causante de la contaminación odorífera en la ciudadela Puerto

Seymour, mediante el análisis de parámetros físicos y químicos de las aguas residuales de un

prototipo a escala de la PTAR en estudio.

3

CAPÍTULO I

DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN

1.1. Tema

Evaluación del tiempo de retención hidráulico de la planta de tratamiento de aguas residuales en

base de lodos activados como posible causante de la contaminación odorífera en la ciudadela

puerto Seymour.

1.2. Planteamiento del problema

A nivel mundial, aproximadamente el 50% de la población se encuentra afectada por la

contaminación del agua, debido a una demanda irracional de los recursos hídricos, una gestión

deficiente en el manejo del agua y los escasos sistemas de saneamiento (Organización Mundial de

la Salud, 2016). Los procesos de urbanización, industrialización y la agricultura utilizan gran

cantidad de agua, lo cual reduce de manera significativa los caudales de ríos y las recargas de

acuíferos (Bernal, 2017).

En América Latina, alrededor del 20% de las aguas residuales son tratadas en instalaciones que

pueden procesar únicamente un 30% de ellas. Las principales ciudades que poseen programas de

financiamiento para las PTAR son: Bogotá, Buenos Aires, Caracas, México (Ballastero M., 2015),

en Ecuador, el tratamiento de aguas residuales está llegando a un 61.86% a nivel nacional.

Las aguas cambian su composición biológica o química al atravesar diversos procesos atrópicos,

dando origen a lo que se conoce como aguas residuales (Bernal, 2017)

La ciudad de Guayaquil cuenta hasta el año 2017, con 2´644,891 habitantes, convirtiéndola así en

la más poblada del país (INEC, Instituo Nacional de estadistica y censos, 2017), motivo por el cual

hasta el 2015 se han desarrollado alrededor de 78 urbanizaciones en la Vía la Costa, todas con la

debida planificación en la urbe, las cuales ocupan un área de 7´306,847 m2, con 61.500 casas que

sirven de hogar a 307,761 habitantes aproximadamente (Guayaquil, 2015).

Debido a la cantidad de habitantes presentes en las ciudadelas, las aguas residuales producidas

contienen altas cargas de material orgánico disuelto o en forma coloidal de naturaleza reductora y

4

elementos inorgánicos de distinta composición que parten desde nutrientes hasta sustancias tóxicas

y peligrosas (Bernal, 2017), por lo que alrededor del 50% de ellas presentan PTAR (tradicionales

y de lodos activados), siendo un 20% de ciudadelas las que presentan PTAR a base de lodos

activados.

Dentro de las ciudadelas que utilizan PTAR de lodos activados, se encuentra la ciudadela sujeta a

análisis Puerto Seymour, la cual, según Guillermo Ayala, presidente de la ciudadela, indica que la

misma presenta “malos olores” en el aire durante las madrugadas y las primeras horas de la mañana

(González, 2016).

Dado a este inconveniente odorífero, los costos de los terrenos de la ciudadela se han visto

afectados con la disminución de la plusvalía ganada con la construcción de centros comerciales

cercanos a la misma, y esto no solo en ciudadelas con PTAR dentro de ellas , sino con ciudadelas

aledañas como lo indica (García Flores de Nieto, 2018), donde asegura un impacto social que

corresponde a la pérdida del valor de la propiedad ya sea para los habitantes preexistentes como

para los posibles compradores.

Toda planta de tratamiento mal diseñada y/o mal operada de tipo biológico, ya sea aeróbico o

anaeróbico, es susceptible a generar contaminación odorífera, debido al metabolismo de ciertas

bacterias, por lo que son más propensas a la propagación de malos olores, sobre todo si en el agua

residual existen concentraciones elevadas de sulfatos y sulfuros (Juan Manuel Morgan Sagastume,

2016).

1.3. Formulación del problema

¿Cómo influiría el tiempo de retención hidráulico de una planta de tratamiento de aguas residuales

de lodos activados en la emisión de olores contaminantes en una urbanización?

1.4. Sistematización del problema

¿Cómo se cuantificaría la emisión de olores?

¿Cómo la variación del tiempo de retención hidráulico influiría en la proliferación de bacterias

producidas en la descomposición de la materia orgánica?

5

¿Cuál sería el impacto en el costo de operación de la PTAR?

1.5. Objetivo general

Evaluar los compuestos que producen la emisión de olores en una planta de tratamientos de aguas

residuales de lodos activados aplicando diferentes tiempos de retención hidráulico a través de un

prototipo de bio-reactor a escala para reducción de carga contaminante.

1.6. Objetivos específicos

1. Cuantificar los compuestos que producen olores emitidos por una PTAR por medio de los

análisis químicos realizados en un laboratorio certificado.

2. Analizar la incidencia de la variación del tiempo de retención hidráulico en los compuestos

que producen la emisión de olores mediante un modelo PTAR a escala con control de

caudal de ingreso por medio del consumo de energía.

3. Relacionar la reducción de la carga contaminante que produce olores con las variaciones

del tiempo de retención hidráulico y el consumo de energía expresada en costo operativo.

1.7. Justificación

Las evaluaciones y comprobaciones que se realicen con las variaciones del tiempo de retención

hidráulico en este estudio ayudarán para la obtención del TR óptimo aplicado en la fase puntual

del procesamiento de las aguas residuales en la cual se genera los malos olores.

Al emplear la eficacia del TR óptimo, en la fase de tratamiento de aguas residuales, se está

generando una alternativa aplicable, principalmente para la eliminación de la contaminación

odorífera y disminución de otros elementos contaminantes, antes de verter el agua tratada a su

cuerpo receptor. Con el propósito de acertar con alternativas que aporten la eliminación de malos

olores en las plantas de tratamientos de aguas residuales.

Los costos para este proceso de control y eliminación de malos olores no serán elevados debido

que demandaría más a la operatividad de la planta ajustándose con el TR óptimo. Cómo principales

beneficiarios serán las personas que se encuentran afectadas por los malos olores, el ecosistema y

6

también las urbanizaciones afectadas con este tipo de contaminación ya que contribuiría con el

mejoramiento de su plusvalía.

Las personas que desarrollan sus actividades cotidianas cerca o dentro de un entorno afectado con

una contaminación odorífera son expuestos a sufrir varias molestias en su salud, según la OMS

(Organización Mundial de la Salud) los afectos causados en la salud son varios como malestar a

nivel físico como emocional o mental (Rojas, 2018).

El mal olor es el principal causante que las personas experimenten mal humor, dolor de cabeza,

padecer insomnio, estrés también nauseas vómitos problemas neurotóxicas como problemas de

concentración cambios en hipersensibilidad, pautas en la respiración para evadir el mal olor (Rojas,

2018).

Todos estos efectos son causados en varias personas que perciben las sustancias odoríferas del

medio ambiente ya sea captadas por vía nasal o bucal donde son trasportada a la mucosa olfatoria

luego se traducen a señales eléctricas, en el cual el tracto respiratorio reacciona reduciendo el

volumen de aire inhalada, contracción de la laringe y los bronquios; mayor secreción de hormonas

de estrés, presión sanguínea elevada o un flujo sanguíneo menor en los pulmones (Rojas, 2018).

Las zonas urbanas y rurales las cuales están propensas a sufrir una contaminación odorífera

generada por una planta de tratamiento de aguas residuales son áreas cuales se convierten en zonas

perjudiciales y poco agradables para ser habitadas.

En un caso específico de una planta de tratamiento de aguas residuales que genera malos olores

durante el proceso de tratamiento de dichas aguas.

Si esta planta de tratamiento pertenece a una urbanización privada, esta sería afectada en su

plusvalía no tan solo aquella urbanización sino involucrando y afectando a urbanizaciones

aledañas a la planta de tratamiento.

Los malos olores provenientes de una planta de tratamiento de aguas residuales son causados por

varios factores, como principales se destacan:

7

• El mal diseño de la planta de tratamiento como por ejemplo las dimensiones no adecuadas

para el caudal y carga orgánica.

• Mala operación de la planta de tratamiento como la acumulación de materia orgánica

proveniente de etapas preliminares de la planta o el almacenamiento de lodos en manera

inadecuada.

• Cuando la planta de tratamiento es anaeróbica, las condiciones de pH y la posible presencia

de turbulencia al momento de la descarga del efluente, ocasionan el desprendimiento de H2S

disuelto en el agua tratada.

• La ineficacia en el tiempo de retención hidráulico (TR) en la operatividad en la etapa

causante de la contaminación odorífera.

1.8. Delimitación o alcance de la investigación

Campo: Educación superior. Pregrado

Área: Ingeniería Civil

Aspecto: Investigación experimental

Tema: Evaluación del tiempo de retención hidráulico de la planta de

tratamientos de aguas residuales en base a lodos activados como

posible causante de la contaminación odorífera en la ciudadela

puerto Seymour.

Delimitación espacial: Guayaquil-Ecuador

Delimitación temporal: 6 Meses

1.9. Hipótesis

El tiempo de retención hidráulico tiene incidencia en la emisión de olores de una planta de

tratamiento de aguas residuales.

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1.10. Línea de investigación institucional

Tabla 1. Línea y sublínea de investigación

ULVR Línea Sublínea

Urbanismo y ordenamiento territorial

aplicando tecnología de construcción eco-

amigable, industria y desarrollo de

energías renovables

Territorio Hábitat y vivienda

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

9

CAPÍTULO II

MARCO TEORICO

2.1. Antecedentes.

Según la investigación realizada en el río Torococha, la cual tenía como objetivo determinar la

causa de la emisión de malos olores, entregó como resultados un excedente en los estándares de

calidad ambiental del aire; dióxido de azufre 0.16 μg/m3, dióxido de nitrógeno 0.03 μg/m3, lo

mismo para sulfuro de hidrogeno (H2S) con 0. 03 μg/m3 y dióxido de carbono (CO2) con 2295.69

μg/m3 (Condori Condori, 2017).

Otro estudio realizado en la planta de tratamientos de aguas residuales de El Roble de Puntarenas,

evaluó mediante una encuesta la percepción de la comunidad, obteniendo como resultado el 76%

de los encuestados perciben los olores emitidos por la PTAR en un radio de 600m, el 57% indican

que los olores son fuertes, el 83% los percibe como fecal. Se analizó los odorantes (sulfuro de

hidrógeno (H2S), amoniaco (NH3), mercaptanos y compuestos orgánicos volátiles (COVs),

obteniéndose caudales mayores (hasta un 30%) en comparación al valor de diseño (85l/s) y las

unidades no cuentan con sistemas de control de olores (Jorge Hernández Parra, 2016).

Por otro lado el análisis de los efectos ambientales generados por la planta de tratamiento de aguas

servidas de Chilpina, indicaron que el caudal de ingreso de 300 L/s era mayor al diseño original

de 130 L/s, por lo que los tratamientos primarios eran pocos efectivos debido al volumen, el

secundario debido a la poca aireación natural y el terciario al inyectarse cloro forma

trihalometanos, por lo que el tratamiento muestra con valores de 0 mg/L de oxígeno disuelto, 1440

mg/L de demanda Bioquímica de Oxígeno, 20x103 NMP/100 mL de coliformes fecales en sus

efluentes. Además de tener un impacto social que corresponde a la pérdida del valor de la

propiedad donde el 100% de personas desean irse a vivir otras zonas, pero el 58% indica que no

quieren comprar su casa, y el restante 42% indica que le ofrece muy poco dinero por la misma

(García Flores de Nieto, 2018).

Por último, tenemos la evaluación de los patrones globales de generación de olores y composición

de olores, donde se obtuvo que los compuestos de amoniaco y azufre volátil (VSC) fueron los

10

contaminantes atmosféricos más abundantes, representado el 55.5 % y el 20.6% la materia

acumulada emitida, respectivamente. Según los valores de la actividad de los olores, el disulfuro

de dimetilo, el sulfuro de dimetilo y el metanetiol, son los componentes principales que explica el

77% de variabilidad en la concentración de olores (Serrec, 2019).

2.2. Marco Conceptual

Olores, odorantes y sistema olfatorio

Los resultados de la recepción de los estímulos por parte del sistema olfatorio se denominan olores,

que consisten en 2 subsistemas separados: el epitelio olfatorio y el nervio trigémino. El epitelio

olfatorio se ubica en la nariz y posee la capacidad de detectar y diferenciar entre miles de olores,

además de detectar concentraciones menores a aquellas detectables por los instrumentos analíticos

actuales (Jurado, 2019).

Por su parte el nervio trigémino se encuentra ubicado en la membrana mucosa, y cuya función es

emitir una acción de reflejo que produce una sensación dolorosa, esta estimulación puede ser

causada por químicos con olor (tales como el cloro o el amoniaco) que son irritantes y pueden ser

peligrosos. El nervio trigémino inicia un reflejo preventivo tal como lo es el estornudo para

interrumpir la inhalación (Jurado, 2019).

11

Figura 1. Sistema fisiologico humano para la recepcion de olores

Fuente: Jurado, (2019)

Los odorantes son las sustancias responsables de la generación de olores. Los seres humanos

entregan respuestas a un olor dependiendo de:

La concentración del olor, es el número de unidades de olor por metro cúbico en condiciones

normales (T=25°C, P=1 atm).

La intensidad, escala que se obtiene al comparar la muestra del gas con una de n-butanol o sec-

butanol como referencia y se establece una escala de intensidad (Chapela, 2013), la cual varía

desde no perceptible (0) hasta extremadamente fuerte (6) (Jorge Hernández Parra, 2016).

La calidad, permite la percepción cualitativa de los olores (Jorge Hernández Parra, 2016). .

El tono hedónico, propiedad de gusto o disgusto de olores (Jorge Hernández Parra, 2016).

Teniendo en cuenta de lo expuesto anteriormente el carácter agradable o desagradable de un olor

es una sensación subjetiva, por lo que permite a amplias poblaciones definir que un olor agrada o

desagrada a la misma (Rojas, 2018).

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Figura 2.Grado de concentración de la contaminación odorífera

Fuente: Rojas, (2018).

La contaminación odorífera analiza muchos factores tales como la formación de los odorantes;

transferencia agua-aire; condiciones ambientales, topografía del lugar donde se lleva a cabo la

dispersión; la percepción de la comunidad, donde depende de la exposición, recepción y respuesta

de cada individuo (Jorge Hernández Parra, 2016). En la Figura 3. muestra el proceso global de

dicha problemática.

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Figura 3.Proceso global de problemática odorífera

Fuente: Jorge Hernández, (2016)

Características del agua residual

Las aguas residuales provienen de la unión de líquidos y residuos sólidos transportados por el agua,

provenientes de oficinas, residencias, edificios, centros comerciales e instituciones, a esto se suma

las industrias, las actividades agrícolas, además de las aguas subterráneas, superficiales o de

precipitación. Según Pariccahua (2018) las aguas residuales son aquellas aguas que contienen gran

cantidad de sustancias contaminantes, provenientes de actividades humanas, industriales,

pecuarias, recreativas o agrónomas.

14

Las aguas residuales se pueden clasificar en:

Domésticas: Provienen de los líquidos generados en hogares , zonas residenciales,

instituciones y establecimientos comerciales.

Aguas negras: Aguas que transportan heces y orina, provenientes de los inodoros.

Aguas grises: Aguas jabonosas pueden contener grasas, provenientes de los

lavaplatos, duchas, lavamanos y lavadoras.

Industriales: Son las aguas generadas por los procesos industriales; con residuos

industriales ya sean estos agronomos o pecuarios.

Municipales o Urbana: Agua procedente de la union de las aguas domésticas e

industriales y que son transportados por las alcantarillas.

Pluviales: Aguas lluvias, que ingresan al alcantarillado por medio de infiltraciones

o domicilios, generando un aumento en el caudal de diseño.

Según Pariccahua (2018), indica que la temperatura de las aguas residuales es mayor que las aguas

no contaminadas, debido a la serie de reacciones bioquímicas que en ella se producen, donde se

librean eneregía presentes en la descomposición de la materia orgánica, además de las descargas

calientes, las cuales también aumentan la temperatura.

Características físico- químico y microbiológico.

El agua residual posee por lo general un 99.9% de agua y 0.1% de materiales en suspensión y

solución que le proveen características no deseables. Dentro de las sustancias que han sido

agregadas durante su uso, tenemos (Huanca, 2018):

Materia orgánica (que demandan oxígeno para su oxidación).

Sólidos en suspensión, que se sedimentan en el fondo de las aguas.

Metales pesados y compuestos tóxicos que afectan al ecosistema.

Color y turbiedad que reducen la penetración de los rayos solares.

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Nitrógeno y fósforo, elementos que promueven el crecimiento de organismos.

Compuestos que entregan olor y sabor al agua.

Las cualidades cualitativas, representan propiedades que se le atribuyen a las aguas residuales,

dividiéndose en tres aspectos de caracterización: físicos, químicos y biológicos.

Características físicas

Según Pariccahua (2018) “La característica física más relevantes es el contenido total de sólidos,

donde este término engloba toda la materia suspendida, sedimentaria, coloidal y disuelta. También

son importantes: el olor, la temperatura, la turbiedad, la densidad y el color”.

2.4.1.2. Sólidos totales

Se define como la materia obtenida después del sometimiento de las aguas a procesos de

evaporación a una temperatura de 103 a 105 °C. Esto no hace referencia a la materia perdida

durante la evaporación debido a su alta presión de vapor.

Los sólidos sedimentarios son aquellos que se sedimentan en el fondo de un recipiente de forma

cónica como el cono de Imhoff, durante un periodo de 60 minutos. Se expresan en mg/l, la cual

expresa la cantidad de sedimento que se obtendrá en la decantación primaria (Huanca, 2018).

2.4.2.2. Temperatura

Esta temperatura tiende a ser más elevada en comparación a la del suministro de agua potable,

debido a la incorporación de agua caliente procedente de hogares y de diferentes industrias. La

temperatura media anual del agua residual la cual varía entre los 10 y 21° C, tomando como

referencia 15.6 ° C.

Es un parámetro relevante debido a que influye en la vida acuática como sobre las reacciones

químicas y las velocidades de reacción. Por otro lado, afecta al oxígeno presente en el agua, debido

a que lo vuelve menos soluble en el agua caliente que en la fría, dado a que aumenta la velocidad

de reacción incrementando la temperatura, causando el agotamiento del oxígeno en las aguas

naturales receptoras (Huanca, 2018).

16

2.4.3.2. Densidad

Se define como su masa por unidad de volumen, expresada en kg/m3. Es una característica

importarte debido a que la formación de corrientes de fango sedimentario y de otras instalaciones

depende de ella. En algunos casos se la emplea como alternativa a la densidad del peso específico

del agua residual (cociente de la densidad del agua residual y la del agua). La densidad es un

parámetro que depende de la temperatura y varía en función de los sólidos totales del agua residual

(Huanca, 2018).

2.4.4.2. Color

En la historia, para definir el agua residual, se empleaba los términos dependiendo a la

composición y la concentración, esto se refiere a la edad de la misma, la cual se la determina en

función del olor y color. Sin embargo, el transportarlas por las redes de alcantarillado, ocasiona

que se desarrollen en condiciones casi anaeróbicas, por lo que la coloración varia gradualmente de

un tono gris claro a uno gris oscuro, para finalmente llegar a adquirir un tono negro.

En la mayoría de los casos, el tono gris oscuro a negro del agua residual se da debido a la formación

de sulfuros metálicos por reacción de los sulfuros liberados en condiciones anaerobias con los

metales presentes en el agua residual (Huanca, 2018).

2.4.5.2. Turbiedad

La turbiedad, como medida de transmisión de la luz en un agua, es otro parámetro que se utiliza

para indicar la calidad de las aguas vertidas o naturales en relación de la materia coloidal y residual

en suspensión. Esta medición se lleva a cabo debido a la comparación entre la intensidad de la luz

disparada en la muestra y la registrada en la suspensión de referencia en las mismas condiciones.

No se puede afirmar que exista una relación entre la turbiedad y la concentración de los sólidos en

suspensión de un agua no tratada, no obstante, se encuentran ligados la turbiedad y los sólidos en

suspensión procedentes de la decantación secundaria en el proceso de fangos activados (Huanca,

2018).

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2.4.6.2. Olores

Por lo general, los olores son emitidos por los gases liberados durante el proceso de

descomposición de la materia orgánica. El agua residual resiente posee un olor peculiar un poco

desagradable, que es mucho más tolerable que el agua residual séptica.

El olor del agua séptica se debe a la presencia de sulfuro de hidrógeno, producidos con la reducción

de los sulfatos a sulfitos por acción de los microorganismos anaerobios (Huanca, 2018).

Características químicas

Según Pariccahua et (2018) “En las características químicas se abordan los siguientes cuatro

apartados: materia orgánica, la materia inorgánica y los gases emitidos por las aguas residuales”.

2.5.1.2. Materia orgánica

Son los sólidos provenientes de los restos de animales y vegetales, además de las actividades

humanas relacionadas con la síntesis de compuestos orgánicos, los cuales se encuentran formados

por combinaciones de hidrógeno, carbono y oxígeno, con el nitrógeno presente en casos

determinados. También pueden estar presentes otros elementos tales como el fósforo, azufre o

hierro. Los principales compuestos presentes en las aguas residuales son: las proteínas, los aceites,

los hidratos de carbono y las grasas, también se encuentra presente principalmente es la urea, pero

debido a su velocidad en el proceso de descomposición, solo se las encuentra en las aguas muy

recientes. Todos estos compuestos se encuentran presentes desde moléculas muy simples hasta las

extremadamente complejas (Huanca, 2018).

2.5.2.2. Materia inorgánica

Los componentes inorgánicos de las aguas residuales y naturales, ayudan al control y a la

determinación de la calidad del agua. Estos compuestos tienden a aumentar su concentración por

el contacto con las diferentes formaciones geológicas, como por las aguas tratadas o sin tratar que

se descargan en ellas. Las aguas residuales no suelen tratar con la eliminación de los constituyentes

inorgánicos que se incorporen durante el ciclo del uso.

18

Las concentraciones de los componentes inorgánicos aumentan debido al proceso natural de

evaporación que elimina el agua superficial y deja las sustancias inorgánicas en el agua, esto afecta

al uso del agua, por lo que es necesario examinar la naturaleza de algunos de ellos, especialmente

aquellos que se incorporaron durante el ciclo de vida del agua (Huanca, 2018).

2.5.3.2. Gases emitidos por aguas residuales

Las aguas residuales domésticas acumuladas o en procesos de tratamientos pueden ser de

naturaleza orgánica como inorgánica, emiten olores en forma de gases y vapores. Según varios

autores, los principales causantes de los gases contaminantes son compuestos inorgánicos tales

como el sulfuro de hidrógeno y el amoniaco los cuales se pueden encontrar en forma suspendida

o disuelta; producidos por la actividad biológica, estos vapores también pueden tener origen en las

descargas de desechos químicos (Jurado, 2019).

En aguas residuales, la suma de los sulfatos proporcionan problemas que son detectados por medio

de olores y corrosión siendo estos los principales factores, uno de los problemas es la reducción

de los sulfatos a sulfuros de hidrogeno (H2S), en condiciones anaerobias, al ocasionar H2S, se tiene

graves problemas por olores, luego la subsecuente oxidación del H2S, de ciertas bacterias y

presenta problemas como: olor desagradable (huevo podrido), causa malestar, descontento e

incomodidad al público (Condori Condori, 2017).

Este gas tóxico puede ocasionar la muerte o daños físicos al personal del mantenimiento de las

PTAR. Para que las emisiones sean consideradas tóxicas deben ser concentraciones mayores a 20

mg/l, la concentración de H2S en aguas limpias es de 0,025-0,25µg/L, mientras que la

concentración de H2S en las aguas residuales domésticas e industriales no sobrepasan de 1mg/L;

el resto está disuelta (Condori Condori, 2017).

Los compuestos odorantes se pueden encontrar en los influentes de las aguas residuales o generarse

en el transporte y en las unidades de los sistemas de tratamiento. Según la recopilación realizada

por Jorge Hernández Parra et al (2016) las unidades pueden clasificar en:

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a) Fuentes que favorecen a la promoción de la transferencia de sustancias odoríficas

ya formadas: unidades de aireación, desarenadores y sistemas de tratamiento de

lodos activados.

b) Fuentes que favorecen la formación de sustancias odoríficas: sedimentación

primaria y secundaria, así como, tanques de espesamiento de lodos.

Dentro de las causas de generación de olores y odorantes, se encuentran las condiciones

operacionales, incremento en las capacidades de tratamientos, deficientes procesos de

almacenamiento, falta de tanques de ecualización y de tratamientos de lodos activados, esto

depende de las condiciones y del proceso (Jorge Hernández Parra, 2016).

El pH, la temperatura y el tiempo de retención hidráulico (TRH) son las condiciones operacionales

que tienen un gran efecto sobre las características de olor, por ejemplo, las condiciones anaerobias

o con bajos niveles de oxígeno en las aguas residuales con largos TRH, favorecen la formación de

compuestos de azufre reducidos (como mercaptanos) y ácidos carboxílicos (Jorge Hernández

Parra, 2016).

20

Figura 4. Composición de los olores en las PTAR.

Fuente: Jorge Hernández, (2016)

Clasificación Compuesto Formula Química

Olor al que se

asemeja

Peso molecular

g/mol

Composición en el aire en

ppm

Composición en el agua en

ppm

Solubilidad en el agua

g/ml

Volatilidad a 25°C

Ppm (v/v)

Sulfuros

Metilmercaptano CH3SH Repollo podrido y

ajo

48 10 - 50 11 - 322 0.0234 Gas Dimetilsulfuro (CH3)2SH 186 3 - 27 830000

Sulfuro de hidrógeno

H2S 34 200 - 10.000 15 - 38 0.0054

Nitrogenados

Trimetil amina (CH3)3N Pescado Amoniacal

59 10 - 50 78 3 Gas

Dimetil amina (CH3)2NH Amoniacal 45 210 3 3.544

Indol C8H6NH Fecal 117 570 3 0.00194 360

Escatol C9H6NH Fecal 131 700 3 Insoluble 200 Amoniaco NH3 Irritante 17 35 - 60 0.8995 Gas

Compuestos orgánicos volátiles

VOC´S 46 - 176

21

Características microbiológicas

Los principales organismos presentes en las aguas residuales se clasifican en: organismos

eucariotas, eubacterias y arqueobacterias. Dentro de las eucariotas tenemos a las algas, los

protozoos y los hongos, por otro lado, las plantas como los musgos, los helechos, las plantas

sin semilla y las plantas hepáticas son clasificadas como eucariotas multicelulares. Los

vertebrados e invertebrados son animales eucariotas multicelulares. Los virus se clasifican

dependiendo del sujeto infectado.

Las bacterias de las aguas residuales, se dividen según los diferentes procesos biológicos para

la depuración u oxidación de la materia orgánica:

2.6.1.2. Proceso Aerobio

Es un proceso donde el oxígeno libre es el único aceptador final de electrones; el oxígeno es

reducido y el carbono es oxidado. Este proceso se puede ver en la ecuación (1) verbal.

+ 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜𝑠 →

+

Ecuación 1

Por lo general, las bacterias son importantes en este tipo de procesos debido a que son

excelentes oxidadores de la materia orgánica y crecen de manera óptima en las aguas

residuales, siendo capaces de formar una capa de floculante gelatinosa que ayuda a la remoción

de la materia orgánica. Tanto en los procesos de lodos activados como filtros percoladores son

comunes: zooglea ramigera, Pseudomonas, Flavobacterium y Alcaligenes (Yapurasi, 2017).

2.6.2.2. Proceso Anaerobio

Este proceso lo definió Pasteur como la vida sin aire. Es la descomposición de compuestos

orgánicos, en ausencia de oxígeno libre, para obtener la energía requerida para mantener el

crecimiento de los organismos anaerobios. Los procesos anaerobios son menos eficientes que

los aerobios, debido a que la energía liberada por el catabolismo anaerobio proviene de la

sustancia descompuesta y está todavía en los productos finales orgánicos reducidos como el

metano, generándose mayor cantidad de biomasa a comparación de los procesos aerobios.

Las bacterias metanogénicas son semejantes a las encontradas en los animales rumiantes y en

sedimentos de lagos y ríos; los principales géneros son: methanobacterium, methanococcus,

22

methanosarcina y methanobacillus. Todas estas bacterias son de muy lento crecimiento, por lo

tanto, su tiempo de retención celular debe ser lo suficientemente largo para ayudar el

crecimiento e impedir su extracción del sistema.

Entre las principales bacterias metanogénicas se encuentran: Clostridium spp., Peptococcus

anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacilluss,

Actynoinyces, Stapbylococcus y Escherichia coli. Este proceso se puede apreciar en las

ecuaciones verbales (Yapurasi, 2017).

á+ 𝑛𝑢𝑡𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 → 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 +

á

á+ 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙𝑒𝑠 + 𝐻 + 𝐶𝑂

Ecuación 2

á

á+ 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙𝑒𝑠 + 𝐻 + 𝐶𝑂 + 𝑛𝑢𝑡𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 → 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠 + 𝐶𝐻 + 𝐶𝑂

Ecuación 3

La tabla 2. Muestra la comparación de los procesos aeróbicos y anaeróbicos utilizados en las

plantas de tratamientos de aguas residuales.

Tabla 2. Cuadro comparativo de procesos

Tratamiento Aerobio Tratamiento Anaerobio

Mayor eficiencia de remoción Menor eficiencia en remoción de MO (aprox. 80%)

50% de C es convertido en CO2; 40 – 50% es incorporado dentro de la masa microbiana

95% de C es convertido en biogás; 5% es transformado en biomasa microbiana.

60% de la energía es almacenada en la nueva biomasa, 40% es liberado como calor.

90% de la energía es retenida como CH4, 3-5% es liberado como calor, 5- 7% es almacenada en la biomasa.

Ingreso de elevada energía para aireación, que deben ser suministrados por aireadores o compresores.

Bajo consumo de energía; no se requiere aporte de O2 posibilidad de recuperar y utilizar CH4 como combustible (caro).

Limitaciones de cargas orgánicas. Acepta altas y bajas cargas orgánicas.

Se requiere adición de nutrientes. Requerimiento bajo de nutrientes.

Necesidad de grandes extensiones de terrenos.

Se requiere pequeña área superficial.

Sensible a la economía a escala. Menores costos de operación.

Periodos de arranque cortos. Menores costos de operación.

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Fuente: Yapurasi, (2017)

Las Bacterias, según Dueñas (2015), juegan un papel fundamental en la descomposición de la

materia orgánica. Se las puede clasificar según en base a su metabolismo en: heterótrofas y

autótrofas. Las bacterias autótrofas son aquellas que se nutren de compuestos inorgánicos,

tomando la energía necesaria para su biosíntesis a partir de la luz (bacterias fotosintéticas:

familia THIORHODACEAE, CHLOROBIACEAE) o a partir de ciertas reacciones químicas

(bacterias quimio sintéticas: NITROBACTER, NITROSOMONAS, HYDRO-

GENOMONAS, THIOTRIX). En tratamientos biológicos de las aguas residuales, las bacterias

heterótrofas son importantes dado a su necesidad de compuestos orgánicos para el carbono

celular. Tantos las bacteria autótrofas y heterótrofas se pueden dividir en anaerobias, aerobias

y facultativas, dependiendo su necesidad del oxígeno.

Bacterias aerobias: Son aquellas que el oxígeno procedente del agua es

necesario para su alimento y respiración. El oxígeno disuelto que les sirve es el

oxígeno molecular del agua y las descomposiciones que provocan sobre la

materia orgánica, son caracterizados por la falta de malos olores.

Bacterias anaerobias: Son aquellas que consumen oxígeno proveniente de los

sólidos orgánicos e inorgánicos, por lo que la presencia de oxígeno disuelto les

impide la subsistencia. Estos procesos se caracterizan por la presencia de malos

olores.

Bacterias facultativas: Es una característica que tienen algunas bacterias

aerobias y anaerobias, de poder adaptarse al medio opuesto, es decir, las

Los lodos producidos en el tratamiento aerobio son de 5 a 10 veces superiores en cantidad a los anaerobios debido a la gran producción de materia orgánica celular degradable que contienen (por verificarse en estos una mayor síntesis celular), además de deshidratarlos deben incinerarse para evitar polución.

Menor producción de lodos.

Operatividad comprobada. Sensibilidad a variación de condiciones ambientales.

Tecnología establecida. El lodo obtenido es un lodo ya establecido.

24

anaerobias con medio oxígeno disuelto y las aerobias en aguas con oxígeno

disuelto.

Demanda química de oxígeno (DQO)

Según Pariccahua (2018), la Norma OS.090, define que la DQO, como la cantidad de oxígeno

que se requiere para la oxidación química del material orgánico del agua residual, usando como

oxidantes las sales inorgánicas de permanganato o dicromato de potasio.

Por otro lado, Corrales (2015) indica que es la cantidad de oxígeno requerida para oxidar

químicamente los materiales orgánicos presentes en una muestra de agua. Esta oxidación

degrada el material orgánico biodegradable y no biodegradable.

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)

Según Pariccahua (2018) y la Norma OS.090, define que la DBO, como la cantidad de oxígeno

que requieren los microorganismos para la estabilización de la materia orgánica bajo

condiciones de tiempo y temperatura específicos (generalmente 5 días y a 20 °C).

Por otro lado, Corrales (2015) indica que este es el parámetro de polución orgánica más

utilizado y aplicable a las aguas residuales y superficiales es la DBO a los 5 días DBO5. La

medida de la DBO es importante en el tratamiento de agua residuales y para la gestión técnica

de la calidad de agua porque se utiliza para determinar la cantidad aproximada de oxígeno que

se requerirá para estabilizar biológicamente la materia orgánica.

Tratamientos de aguas residual

El tratamiento de aguas residuales se basa en una serie de procesos físicos, químicos y

biológicos que tiene por finalidad eliminar los contaminantes físicos, químicos y biológicos

presentes en los efluentes usados por los seres humanos. (Desconocido, 2019)

Las aguas contaminadas pueden provenir de muchas zonas, sean estas industriales o

habitacionales, lo que ayuda a que estén compuestas de partículas en tamaños de

descomposición (agua con restos de alimentos, jabón de lavar ropa y sin número de materia

orgánica e inorgánica). Los tratamientos de las aguas de desecho, se los divide dependiendo a

la ubicación del proceso de limpieza en: primarios, secundarios y avanzados.

25

El proceso de tratamiento de aguas residuales en las plantas de tratamiento comienza por la

separación física de sólidos grandes (basura), empleando un sistema de rejillas (mallas), aunque

también dichos desechos pueden ser triturados por equipos especiales; posteriormente se aplica

un desarenado (separación de sólidos pequeños muy densos como la arena) seguido de una

sedimentación primaria que separe los sólidos suspendidos existentes en el agua residual. Para

eliminar metales disueltos se utilizan reacciones de precipitación, que se utilizan para eliminar

plomo y fósforo principalmente (García Flores de Nieto, 2018).

A continuación, sigue la conversión progresiva de la materia biológica disuelta en una masa

biológica sólida usando bacterias adecuadas, generalmente presentes en estas aguas. Una vez

que la masa biológica es separada o removida (proceso llamado sedimentación secundaria), el

agua tratada puede experimentar procesos adicionales (tratamiento terciario) como

desinfección, filtración. El efluente final puede ser descargado o reintroducido de nuevo en una

masa de agua natural (corriente, río o bahía) u otro ambiente (terreno superficial, riego, ares

verdes etc.) (García Flores de Nieto, 2018).

26

Figura 5. Sistema de tratamiento de aguas residuales

Fuente: García Flores, (2018)

SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

TRATAMIENTO TERCIARIO

TRATAMIENTO PRELIMINAR

TRATAMIENTO PRIMARIO

TRATAMIENTO SECUNDARIO

Decantadores primarios

Fosa séptica Tanques Imhoff

Lagunas de estabilización

Filtro biológicos Lodos activados

Procesos físico químicos

Procesos físico biológicos

Desinfección

Rejas Desarenadores

Trampa de aceites y grasas

Sólidos suspendidos Coloides

Materia orgánica biodegradable

Sales disueltas de micro contaminantes

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Tratamientos preliminares

Remueve constituyentes que causan problemas de operación o de mantenimiento:

Tamizado: Se emplea para la retención de sólidos gruesos presentes en el agua residual,

estos equipos poseen barras o varillas paralelas.

Flotación: Proceso de separación sólidos de baja densidad.

Homogenización de efluentes: Se consigue disminuir las fluctuaciones de caudal y las

concentraciones características de los diferentes vertidos para obtener una sola corriente

con un caudal y concentración más estable. Con este proceso mejora la tratabilidad del

agua residual, estabiliza el pH, facilita la dosificación de los reactivos, mejora la

confiabilidad y rendimiento del proceso (Ortiz, 2016).

Tratamientos primarios

Remueve los sólidos suspendidos y la materia orgánica de manera interna, llevada a cabo por la

adición de productos químicos:

Neutralización: Interacción de soluciones que contienen iones de hidrógeno o hidroxilos

activos para formar agua y sales neutras, ayudando a prevenir la corrosión de metales, la

operación más efectiva de los sistemas biológicos y facilitando las condiciones de trabajo

de las siguientes operaciones (Ortiz, 2016).

Coagulación: En este método consiste en la desestabilización de las partículas coloidales

por medio de la neutralización de sus cargas eléctricas, al adicionar productos químicos,

donde se consigue la eliminación o conversión de los contaminantes. Entre los principales

factores que influyen en la coagulación están: tipo de coagulante, dosis de coagulante, pH,

ayudantes de coagulación, turbiedad, presencia de aniones, gradiente de velocidad, tiempo

de mezcla, temperatura, concentración de la solución coagulante, entre otros (Ortiz, 2016).

Floculación: Es el choque de las partículas desestabilizadas unas con otras formando

puentes entre sí, generando mallas tridimensionales conocidos como coágulos porosos, los

28

cuales se sedimentan por gravedad. La floculación se lleva a cabo a bajas velocidades y al

utilizar los floculantes ayudan al proceso (Ortiz, 2016).

Sedimentación: Se utiliza para la eliminación de materia en suspensión que lleve el agua

residual, eliminación de flóculos precipitados en el proceso de coagulación, floculación o

separación de contaminantes en un proceso de precipitación química (Ortiz, 2016).

Tratamientos biológicos o secundarios

Son procesos biológicos en donde la materia orgánica es depurada por la ayuda de los

microorganismos, que se mantienen en suspensión o se adhieren a algún soporte sólido formado

por una capa de crecimiento (Ortiz, 2016) .

Tratamientos terciarios

Se basa en la eliminación de contaminantes que perduran después de la aplicación de los

tratamientos primarios y secundarios; son tratamientos más específicos y de alto costo, esto cuando

se necesita que una mayor calidad que la de los tratamientos convencionales.

Tratamiento iónico: Eliminación de iones positivos y negativos por medio de una resina

de intercambio iónico contenida en la misma (Ortiz, 2016).

Osmosis inversa: Se consigue la separación al pasar las aguas por medio de una membrana

porosa, mediante la adición de una fuerza impulsora. La separación se da en función del

tamaño de las moléculas y el tamaño del poro de la membrana (Ortiz, 2016).

Proceso de lodos activados

Los tratamientos biológicos son elegidos, debido a sus altos rendimientos en la eliminación de

contaminantes y transformación de los mismos en sustancias inocuas como el dióxido de carbono,

metano, nitrógeno molecular y agua, además de que sus costes económicos de mantenimiento y

explotación son bajos en un orden de 5 a 20 veces menores que los químicos. A su vez, los costes

de tratamiento son de 3 a 10 veces menores. La mineralización de compuestos contaminantes

mediante microorganismos es, por tanto, un proceso destructivo completo (Carmen Arnaiz, 2018).

29

Los principales procesos biológicos utilizados son: lodos activos, lagunas aireadas y el proceso de

digestión aerobia de lodos.

El lodo activado, es un método biológico utilizado para tratar las aguas residuales, fue desarrollado

por primera vez en Inglaterra por Lockett y Arden en 1914. Los autores notaron que al guardar los

sólidos flóculos de lodo producidos después de la aireación de las aguas residuales y luego

recircularlas al sistema aireado, un efluente más limpio fue capaz de ser producido. Desde

entonces, este método se mejora continuamente para aumentar su eficiencia (Pompeu, 2018).

Los lodos activados son procesos biológicos de cultivo en suspensión aerobio, lo cual consiste en

permitir el desarrollo de microorganismos aeróbicos con la capacidad de ingerir materia orgánica

biodegradable presente en el agua residual, y a través de diferentes tipos de procesos biológicos

de síntesis, oxidación y endogénesis, poderlos eliminar del efluente (Carmen Arnaiz, 2018).

El sistema de lodo activado está compuesto de lodo biológico que contiene vida microorganismos

mezclados con aguas residuales y aireados en un reactor, formando un licor mixto. Esta población

microbiana está compuesta por una asociación de bacterias, levaduras, protozoos, hongos y

microorganismos superiores. Además, los desechos celulares y las células muertas son una parte

importante del mismo. Muchos de los factores que influyen al rendimiento del sistema de lodos

activados son: Las tasas de desechos de lodos y la recirculación, las cargas orgánicas, temperatura,

los niveles de oxígeno, pH, tiempo de aireación y toxicidad (Pompeu, 2018).

Descripción del proceso de lodos activado

El lodo activado se desarrolla inicialmente por una aireación prolongada bajo ciertas condiciones

que favorecen el crecimiento de organismos que tienen la capacidad de oxidar la materia orgánica.

Como primera etapa del proceso de lodos activados ya el desecho crudo ha recibido un tratamiento

preliminar donde se eliminaron arenas, arcilla, solidos gruesos grasas y aceites, etc. y se produjo

una remoción de sólidos en suspensión y reducción de la DBO, tendrá que pasar por dos distintas

unidades de tratamiento: el tanque de aireación o reactor y el sedimentador secundario (Felipe

Guerra Huilca, 2018)

30

En este proceso el paso más importante es la aireación, se logra por difusión de aire atmosférico,

que se inyecta por medio de sopladores y a través de tuberías y difusores de aire bajo la superficie

del licor mezclado, o por agitación mecánica con ruedas de paletas, o hélices, que, provocando

turbulencia en la mezcla de aguas negras y lodos, expondrán el líquido al contacto con la atmósfera

y absorberán el oxígeno (Madeleyne, 2019). Estos tanques pueden medir unos 4.5mts de

profundidad y el periodo de retención es de 24 a 36 horas.

Los sedimentadores secundarios son de iguales características a los sedimentadores primarios,

pero no poseen barre lodos para quitar la nata y la espuma. Se retorna 25% al sistema y el resto va

a su disposición final (Madeleyne, 2019).

Este proceso se resume en 2 etapas diferenciadas:

1.- Etapa de aireación: Esta etapa se lleva a cabo en un tanque de aireación donde se produce la

asimilación y degradación de los microorganismos

2.- Etapa de sedimentación: Donde los lodos generados en la primera etapa se sedimentan por

gravedad reduciendo la carga orgánica en la superficie, esto se realiza en el llamado clarificador o

decantador secundario.

Figura 6. Proceso de lodo activado

Fuente: Madeleyne, (2019)

31

Monitoreo

El monitoreo es un proceso sistemático de recolectar, analizar y utilizar información para hacer

seguimiento del desempeño de un sistema o proceso, con el fin de introducir cambios o ajustes

obteniendo resultados y efectos en el entorno, permitiendo el análisis del avance y proponer

acciones a tomar en fin de lograr los objetivos (Rivera, 2015).

Existen dos tendencias sobre el significado y el alcance del sistema de seguimiento o monitoreo.

La primera, enfatiza una visión racional del proceso de planificación, donde el acento del

monitoreo es el análisis sistemático del proceso de implementación, usando como criterio de

valoración la mayor o menor coincidencia entre lo planificado y lo ocurrido, mientras que la

segunda tendencia, busca verificar la validez de las hipótesis, obteniendo una retroalimentación,

para finalmente poder tomar una decisión estratégica y operativa sobre una base empírica (Rivera,

2015).

Los elementos del monitoreo están compuestos de una serie de acciones necesarias para la

medición y el análisis del desempeño, dichas acciones son las siguientes:

Plan o enunciado: Describe la manera en que se articulan las actividades, los resultados,

los objetivos y efectos buscados.

Indicadores: Variables que se medirán de forma cualitativa o cuantitativa para respaldar

acciones y evaluar objetivos.

Los monitoreos se pueden realizar de forma continua o puntual, la selección de los sitios y

frecuencia dependerá de los objetivos del mismo. Un componente importante en los monitoreos es

el muestreo, el cual consiste en la observación de un grupo de elemento dentro de un universo

mayor, por tal motivo es una etapa crítica debido a que los datos dependen de un correcto diseño

y procedimiento de muestreo (Rodo, 2018).

Indicadores de rendimiento de la PTAR

Para los operadores es de mucho interés los organismos unicelulares que forman los flóculos y

filamentos; los organismos deseables, dentro de una planta de lodos activados. De la misma

32

manera es responsabilidad de ellos proporcionar y crear las condiciones ideales para que los

organismos se aglutinen y formen un flóculo (unidad básica de los lodos), lo suficientemente denso

para sedimentar (Calderon, 2015)

El operador debe observar tanto los indicadores visuales como los analíticos para reportar alguna

anomalía en el funcionamiento de la planta, dado que las planta son un ecosistema completo, por

ende, ofrece respuestas diferentes condiciones que se le presentan, por lo que algunas de las

respuestas se pueden observar sin necesidad de equipos y esto se lo conoce como indicadores

visuales (Calderon, 2015).

Entre los indicadores visuales más comunes tenemos:

Acumulación de sólidos

Algas

Aspecto del lodo

Burbujeo

Claridad del efluente

Color

Espuma

Materia flotante

Olor

Turbulencia

Acumulación de sólidos: Una deficiencia en el tanque de aeración, puede ser detectada por medio

de muestreo del fondo o con una pértiga para sentir los depósitos de lodo. Otra causa puede ser el

mal funcionamiento de los sedimentadores primarios y se puede arreglar por medio de mamparas

o redondeando las esquinas de los tanques, además con el monitoreo constante de los equipos de

aeración (Calderon, 2015).

33

Aspecto del lodo: Por lo general los flóculos poseen un aspecto esponjoso, sedimentando de

manera correcta, si estos presentan un aspecto compacto, puede ser probable que en el exista

microorganismos filamentosos. Por otra parte, si los flóculos son pequeños y compactados puede

ser a que existió un exceso de aeración; si los lodos se sedimentan muy rápido y compactos se

puede decir que estos son viejos (Calderon, 2015).

Burbujeo: Este se presenta cuando el manto de lodos se encuentra demasiado profundo, estando

por mucho tiempo y entra en condiciones anaeróbicas, produciendo metano, dióxido de carbono y

ácido sulfúrico (formadores de burbujas) y estas a su vez arrastran sólidos en su ascenso

dificultando el funcionamiento del sedimentador (Calderon, 2015).

Espuma: Indica cuando los niveles de los sólidos no se encuentran en el intervalo adecuado o los

lodos son jóvenes o viejos. La espuma toma un color blanco indica que la planta presenta altos

concentraciones de sólidos. Si la espuma se torna cremosa en el aerador indica que el lodo es

demasiado joven y que se debe disminuir la purga, por otro lado si la espuma espesa con color café

oscuro indica que el lodo es viejo y que es necesario aumentar la purga (Calderon, 2015).

Materia flotante: Si el material flotante aparece en el sedimentador secundario, es un principal

indicador de presencia de grasas y aceites en el influente de la planta, provocando deficiencia en

la remoción de DBO. Por otra parte, una capa de nata significa que se está inyectando demasiado

aire y los flóculos son arrestados por los micros burbujas fuera del manto de lodos. El oxígeno

disuelto se debe mantener entre 1 y 2 mg/L (Calderon, 2015).

Olor: Cuando el sistema opera bien, el olor que desprende es de humedad; si la planta genera

malos olores es un indicativo de problemas de operatividad, ya sea que estos sean: que el reactor

no este lo suficientemente airado, que el lodo se quede demasiado tiempo en él, que exista un

choque orgánico en el sistema (Calderon, 2015).

Trayectoria del flujo: Al observar la trayectoria se puede detectar cortos circuitos; los

movimientos que describe la materia flotante, la espuma o los sólidos suspendidos indican el

patrón del flujo, por ejemplo, si el movimiento es muy rápido (Calderon, 2015).

34

Los indicadores visuales junto con los analíticos, son las principales herramientas para tener un

seguimiento cotidiano de la operatividad de la planta con el fin de tomar decisiones de operación

en caso de ser necesario. Según Calderón et. al (2015) los puntos recomendados para el muestreo

y observación de los indicadores visuales y analíticos se muestran en la Figura siguiente.

Figura 7. Puntos recomendados para el muestreo

Fuente: Calderón, (2015)

La tabla siguiente muestra los parámetros analíticos y las mediciones que se deben realizar y tomar

según el punto de muestreo antes, entre y después de las unidades de aireación y sedimentación

mostradas en la Figura anterior.

35

Tabla 3. Puntos de muestreo y parámetros analíticos

Fuente: Calderón, (2015)

Según una encuesta realizada a los trabajadores de 100 PTARs en Alemania y Francia, en donde

un total 226 partes de las plantas se indicaron como fuentes de emisiones de olores, se obtuvo

como resultado que la unidad que presenta mayor porcentaje de olor un 26% es en la unidad de

almacenamiento de lodos, le sigue la unidad de espesamiento de lodos con un 19% y de

deshidratación con un 17% como se muestra en la Figura 8. siguiente.

36

Figura 8. Porcentaje de olor en una PTAR de lodos activados.

Adaptado de Jorge Hernández Parra et al (2016)

Parámetros de diseño de plantas de la planta de tratamiento de aguas residuales de

lodos activados a escala laboratorio

Para el diseño de la planta de tratamiento de aguas residuales, se emplearán las fórmulas que se

detallarán a continuación de acuerdo Crespo Ruiz et. al (2018):

Edad del fango o tiempo de retención celular (TRC):

Representa el tiempo que el sustrato o licor mezcla permanece en el sistema.

𝑇𝑅𝐶 = 𝜃𝐶 =𝑋 𝑡

∆𝑋

Ecuación 4

Donde:

θC: Edad de lodos, días

∆Xy: Diferencias entre los sólidos suspendidos volátiles (SSV) producidos y desechados por día,

mg/L

Valores típicos para aguas residuales municipales

𝑇𝑀𝑅𝐶 = 8 𝑎 15 𝑑í𝑎𝑠

37

Para aguas residuales industriales depende del tipo de agua a tratar. (Camperos, 2015)

DBO soluble

Representa principalmente la conformación por compuestos carbonosos en disolución del fluido

de ingreso; la parte biológica del proceso es consumida bajo el proceso de oxidación dentro del

bio reactor (Crespo Ruiz, 2018).

𝑆 = ( . )

(Ecuación 5)

Donde:

Se: DBO del efluente (mg/L)

DBOe: Demanda Bioquímica del efluente, lo que indica la norma (mg/L)

SST: Sólidos totales del afluente (mg/L)

Eficiencia de remoción

Es un valor porcentual que determina la eficiencia del reactor biológico aerobio, con respecto a la

demanda química de oxígeno (Crespo Ruiz, 2018)

ƞ = ∗ 100 (Ecuación 6)

Donde:

DBOe: Demanda bioquímica del efluente (mg/L)

DBOa: Demanda bioquímica del afluente (mg/L)

Masa microbiana del reactor (XV)

Son los kg de sustrato o licor mezcla que tenemos en la cuba de aireación por unidad de volumen

(Crespo Ruiz, 2018).

38

𝑋𝑉 = ( ∗ ∗ ∗ ∗ )

[ ( ∗ )] (Ecuación 7)

Donde:

Y: Coeficiente de crecimiento microbiano

Q: Caudal de entrada (m3/s)

Se: DBO del efluente (mg/L)

DBOa: Demanda bioquímica del afluente (mg/L)

θC: Edad de lodos, días

Kd: Coeficiente mortalidad

Volumen del reactor

𝑉 = ∗ ∗ ( )

∗[ ( ∗ )] (Ecuación 8)

Donde:

V: Volumen del reactor (m3)

Y: Coeficiente de crecimiento microbiano

Q: Caudal de entrada (m3/s)

DBOa: Demanda bioquímica del afluente (mg/L)

DBOe: Demanda bioquímica del efluente (mg/L)

θC: Edad de lodos, días

Kd: Coeficiente mortalidad

X: Concentración de SSV en el tanque de aireación, SSVLM (mg/L)

39

Tiempo de retención hidráulico

Es el tiempo en el que permanecerá el agua dentro del reactor y estos variarán dependiendo del

tipo de modificación utilizada y el tipo de agua a tratar (Camperos, 2015).

𝑡𝑟 =

(Ecuación 9)

Donde:

tr: Tiempo de retención hidráulico, días

V: Volumen del reactor (m3)

Q max: Caudal máximo de entrada (m3/s)

Relación alimento /microorganismo

Representa el grado de consumo de sustrato (DBO) utilizado por los organismos dentro del reactor

(Crespo Ruiz, 2018).

=∗

∗ (Ecuación 10)

Donde:

A/M: Relación alimento / mircroorganismo

Q: Caudal de entrada (m3/s)

DBOa: Demanda bioquímica del afluente (mg/L)

MLSS: Concentración en el licor mezcla de sólidos suspendidos totales

V: Volumen del reactor (m3)

Producción de lodos

La finalidad es para evitar que el reactor colapse por la muerte de los fangos, debido al exceso de

microorganismos y bajos niveles de alimentación (Crespo Ruiz, 2018).

40

𝑃𝑋 = ( )

∗= (Ecuación 11)

Donde:

Px: Tasa de producción de lodos (g SSV/d)

θC: Tiempo medio de retención celular

Y y Kd: Coeficientes biocinéticos

So: DBO del agua cruda

Se: DBO del efluente

Necesidad teórica de oxígeno

El oxígeno necesario es importante para que ejecuten los procesos de síntesis del proceso, por lo

que la materia orgánica se aísla y se transforma. En estos cálculos se consideran los coeficientes

válidos, con un valor (A) para la síntesis y (B) para la respiración endógena dentro del proceso

(Crespo Ruiz, 2018).

En la tabla siguiente se muestran las ecuaciones para la obtención del oxígeno teórica, endógena

y de síntesis

Tabla 4. Puntos de muestreo y parámetros analíticos

Parámetros Ecuaciones Explicación

Necesidad de Oxígeno

para la síntesis

𝐴 = 0.5 + (0.01 ∗ 𝑁5)

Nos = A * Kg de DBOa

(Ecuación 9)

A: Coeficiente síntesis

DBOa: DBO afluente

Necesidad de oxígeno

para respiración

endógena

𝐵 = 0.13 ∗ 𝜃

[1 + (0.16 ∗ 𝜃 )]

NOe = B * V

(Ecuación 10)

B: Coeficientes endogénesis

V: Volumen del reactor

Necesidad de oxígeno

para operación

NO = Nos + NOe

(Ecuación 11)

NOs: Necesidad de oxígeno de

sisntésis

41

NOe: Necesidad de oxígeno

para respiración endógena

Fuente: Crespo Rui (2018)

Temperatura

La actividad de las bacterias es afectada directamente por la temperatura del sistema, por lo que se

recomienda como rango óptimo de operación 25 – 32 °C. Para ajustar la variación de la actividad

biológica a diferentes temperaturas, se debe ajustar la concentración de los sólidos suspendidos

del licor mezclado (Camperos, 2015).

pH

El pH se debe mantener en un rango apropiado en el tanque de aeración para el adecuado

funcionamiento del sistema. De manera general, se debe neutralizar el agua residual en el tanque

de aeración, si se encuentra fuera del rango (Camperos, 2015). Rango óptimo 6.5 a 8.5

42

2.3. Marco Legal

Las leyes, ordenanzas, reglamentos y demás instrumentos legales ambientales que debe cumplir el

proyecto son:

Constitución del Ecuador

Art. 14.- Se reconoce el derecho de la población a vivir en un ambiente sano y ecológicamente

equilibrado, que garantice la sostenibilidad y el buen vivir, sumak kawsay.

Se declara de interés público la preservación del ambiente, la conservación de los ecosistemas, la

biodiversidad y la integridad de patrimonio genético del país, la prevención del daño ambiental y

la recuperación de espacios naturales degradados.

Art. 27.- La educación se centrará en el ser humano y garantizará su desarrollo holístico, en el

marco del respeto a los derechos humanos, al medio ambiente sustentable.

Art.-32.- La salud es un derecho que garantiza el Estado, cuya realización se vincula al ejercicio

de otros derechos, entre ellos el derecho al agua, la alimentación, la educación, la cultura física, el

trabajo, la seguridad social, los ambientes sanos y otros que sustentan el buen vivir.

Art. 66, numeral 2.- El derecho a una vida digna, que asegure la salud, alimentación y nutrición,

agua potable, vivienda, saneamiento ambiental,

Art. 66, numeral 27.- Se garantiza el derecho a vivir en un ambiente sano, ecológicamente

equilibrado, libre de contaminación y en armonía con la naturaleza.

Art. 83 numeral 6.- Respetar los derechos de la naturaleza, preservar un ambiente sano y utilizar

los recursos naturales de modo racional, sustentable y sostenible.

Art. 318.- El agua es patrimonio nacional estratégico de uso público, dominio inalienable e

imprescriptible del Estado, y constituye un elemento vital para la naturaleza y para la existencia

de los seres humanos.

43

Código Orgánico Ambiental

Artículo 5.- Derecho de la población a vivir en un ambiente sano. El derecho a vivir en un ambiente

sano y ecológicamente equilibrado comprende:

4. La conservación, preservación y recuperación de los recursos hídricos, cuencas hidrográficas y

caudales ecológicos asociados al ciclo hidrológico

5. La conservación y uso sostenible del suelo que prevenga la erosión, la degradación, la

desertificación y permita su restauración

6. La prevención, control y reparación integral de los daños ambientales;

Artículo 201.- De los mecanismos. El control y seguimiento ambiental puede efectuarse por medio

de los siguientes mecanismos:

1. Monitoreos;

2. Muestreos;

3. Inspecciones;

4. Informes ambientales de cumplimiento;

5. Auditorías Ambientales;

6. Vigilancia ciudadana o comunitaria; y,

7. Otros que establezca la Autoridad Ambiental Competente.

En las normas secundarias que emita la Autoridad Ambiental Nacional se establecerá el

mecanismo de control que aplique según el impacto generado conforme lo previsto en este Código.

Norma INEN 2169: AGUA. CALIDAD DEL AGUA. MUESTREO. MANEJO Y

CONSERVACIÓN DE MUESTRAS

2.1 Esta norma se aplica particularmente cuando una muestra (simple o compuesta) no puede ser

analizada en el sitio de muestreo y tiene que ser trasladada al laboratorio para su análisis.

44

4.1 Muestreo

4.1.1 Llenado del recipiente

4.1.1.1 En muestras que se van a utilizar para la determinación de parámetros físicos y químicos,

llenar los frascos completamente y taparlos de tal forma que no exista aire sobre la muestra. Esto

limita la interacción de la fase gaseosa y la agitación durante el transporte (así se evita la

modificación del contenido de dióxido de carbono y la variación en el valor del pH, los

bicarbonatos no se conviertan a la forma de carbonatos precipitables; el hierro tienda a oxidarse

menos, limitando las variaciones de color, etc.).

4.1.1.2 Los recipientes cuyas muestras se van a congelar como método de conservación, no se

deben llenar completamente.

4.1.2 Refrigeración y congelación de las muestras

4.1.2.1 Las muestras se deben guardar a temperaturas más bajas que la temperatura a la cual se

recolectó. Los recipientes se deben llenar casi pero no completamente.

4.1.2.2 La refrigeración o congelación de las muestras es efectiva si se la realiza inmediatamente

luego de la recolección de la muestra. Se debe usar, cajas térmicas o refrigeradores de campo desde

el lugar del muestreo.

4.1.2.3 El simple enfriamiento (en baño de hielo o en refrigerador a temperaturas entre 2°C y 5°C)

y el almacenamiento en un lugar obscuro, en muchos casos, es suficiente para conservar la muestra

durante su traslado al laboratorio y por un corto período de tiempo antes del análisis. El

enfriamiento no se debe considerar como un método de almacenamiento para largo tiempo,

especialmente en el caso de las aguas residuales domésticas y de las aguas residuales industriales

(ver tabla 1).

4.1.2.4 El congelamiento a temperaturas de -20 °C permite un incremento en el período de

almacenamiento, sin embargo, es necesario un control del proceso de congelación y

descongelación a fin de retornar a la muestra a su estado de equilibrio inicial luego del

45

descongelamiento. En este caso, se recomienda el uso de recipientes de plástico (policloruro de

vinilo o polietileno). Los recipientes de vidrio no son adecuados para el congelamiento.

4.1.5 Transporte de las muestras

4.1.5.1 Los recipientes que contienen las muestras deben ser protegidos y sellados de manera que

no se deterioren o se pierda cualquier parte de ellos durante el transporte.

4.1.5.2 El empaque debe proteger los recipientes de la posible contaminación externa y de la rotura,

especialmente de la cercana al cuello y no deben ser causa de contaminación. (Continúa) NTE

INEN 2169 2013-06 -7- 2013-1323 4.1.5.3 Durante la transportación, las muestras deben

guardarse en ambiente fresco y protegidas de la luz; de ser posible cada muestra debe colocarse en

un recipiente individual impermeable.

4.1.5.4 Si el tiempo de viaje excede al tiempo máximo de conservación recomendado antes del

análisis, estas muestras deben reportar el tiempo transcurrido entre el muestreo y el análisis; y su

resultado analítico debe ser interpretado por un especialista.

5. ROTULADO

5.1 Los recipientes que contienen las muestras deben estar marcados de una manera clara y

permanente, que en el laboratorio permita la identificación sin error.

5.2 Anotar, en el momento del muestreo todos los detalles que ayuden a una correcta interpretación

de los resultados (fecha y hora del muestreo, nombre de la persona que muestreó, naturaleza y

cantidad de los conservantes adicionados, tipo de análisis a realizarse, etc.).

5.3 Las muestras especiales con material anómalo, deben ser marcadas claramente y acompañadas

de la descripción de la anomalía observada. Las muestras que contienen material peligroso o

potencialmente peligroso, por ejemplo, ácidos, deben identificarse claramente como tales. Tablas

de técnicas generales para la conservación de muestras – análisis físicos- químicos.

46

Figura 9.Técnicas generales para conservación de muestras

Fuente: NORMA INEN 2169

Ley Orgánica de la Salud

Art. 103.- Se prohíbe a toda persona, natural o jurídica, descargar o depositar aguas servidas y

residuales, sin el tratamiento apropiado, conforme lo disponga en el reglamento correspondiente,

en ríos, mares, canales, quebradas, lagunas, lagos y otros sitios similares.

47

Art. 111.- La autoridad sanitaria nacional, en coordinación con la autoridad ambiental nacional y

otros organismos competentes, dictará las normas técnicas para prevenir y controlar todo tipo de

emanaciones que afecten a los sistemas respiratorio, auditivo y visual.

Norma INEN de calidad ambiental y descargas de efluentes: Recurso agua

4.2 Criterios generales para la descarga de efluentes

4.2.1 Normas generales para descarga de efluentes, tanto al sistema de alcantarillado, como a los

cuerpos de agua

4.2.1.6 Las aguas residuales que no cumplan previamente a su descarga, con los parámetros

establecidos de descarga en esta Norma, deberán ser tratadas mediante tratamiento convencional,

sea cual fuere su origen: público o privado. Por lo tanto, los sistemas de tratamiento deben ser

modulares para evitar la falta absoluta de tratamiento de las aguas residuales en caso de

paralización de una de las unidades, por falla o mantenimiento.

4.2.3.7 Toda descarga a un cuerpo de agua dulce, deberá cumplir con los valores

48

Nota: La aparición del color se estima sobre 10 cm de muestra diluida

Figura 10.Límites de descarga a un cuerpo de agua dulce

Fuente: NORMA INEN 2169

4.2.3.9 Se prohíbe la descarga de efluentes hacia cuerpos de agua severamente contaminados, es

decir aquellos cuerpos de agua que presentan una capacidad de dilución o capacidad de carga nula

o cercana a cero. La Entidad Ambiental de Control decidirá la aplicación de uno de los siguientes

criterios:

Parámetros Expresado como Unidad Límite máximo

permisible Nitrógeno Total

Kjedahi Organosclorados

Totales

Organofosfados totales

Plata Plomo

Potencial de hidrógeno Selenio

Sólidos Sedimentarios Sólidos Suspendidos

Totales Sólidos Totales

Sulfatos Sulfuros

Temperatura Tensoactivos

Tetracloruro de

carbono

Tricloroetileno

Vanadio Zinc

N Concentraciones de

organoclorados totales

Concentraciones de organofosfados

totales Ag Pb pH Se

SO4-

SO3

°C Sustancias activas al

azul de metileno Tetracloruro de

carbono Tricloetileno

Zn

mg/l mg/l

mg/l

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l

mg/l mg/l mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l mg/l

15 0,05

0,1

0,1 0,2 5-9 0,1 1,0 100

1600 1000 2,0 <35 0,5

1,0

1,0

5,0 5,0

49

a) Se descarga en otro cuerpo de agua

b) Se exigirá tratamiento hasta que la carga contaminante se a menor o igual a 1,5 del factor de

contaminación de la tabla 14 (Factores Indicativos de Contaminación)

Norma INEN 2176 CALIDAD DE AGUA. MUESTREO. TECNICAS DE

MUESTREO

4.2 Muestras puntuales

4.2.1 Las muestras puntuales son muestras individuales, recogidas de forma manual o automática,

para aguas en la superficie, a una profundidad específica y en el fondo.

4.2.2 Cada muestra, normalmente, representará la calidad del agua solamente en el tiempo y en el

lugar en que fue tomada. El muestreo automático equivale a una serie de muestras tomadas en un

tiempo preestablecido o en base a los intervalos de flujo.

4.2.3 Se recomienda tomar muestras puntuales si: el flujo del agua a muestrear no es uniforme, si

los valores de los parámetros de interés no son constantes o si el uso de la muestra compuesta

presenta diferencias con la muestra individual debido a la reacción entre las muestras.

4.2.4 La muestra puntual es adecuada para la investigación de una posible polución y en estudios

para determinar su extensión o en el caso de recolección automática de muestra individual para

determinar el momento del día cuando los contaminantes están presentes. También se puede tomar

muestras puntuales para establecer un programa de muestreo más extensivo. Las muestras

puntuales son esenciales cuando el objetivo del programa de muestreo es estimar si la calidad del

agua cumple con los límites o se aparta del promedio de calidad.

4.2.5 La toma de muestras puntuales se recomienda para la determinación de parámetros inestables

como: la concentración de gases disueltos, cloro residual y sulfitos solubles.

5.1.3 Equipo de muestreo para el análisis de características físicas o químicas 5.1.3.1 El volumen

de muestra recogida debe ser suficiente para los análisis requeridos, y para cualquier repetición del

análisis. El uso de volúmenes muy pequeños de muestra puede ser causa de que no sean

representativos, y del incremento de los problemas de adsorción debido a la relación de volúmenes

50

relativamente pequeños al área. El muestreo para la determinación de gases disueltos, se debe

realizar según

5.1.7. a) Las personas que realizan el muestreo deben:

a.1) Reducir el tiempo de contacto entre la muestra y la persona.

a.2) Usar materiales que no permitan la contaminación en la muestra;

a.3) Ser de diseño simple para facilitar la limpieza, ser de superficies lisas y que eviten la

modificación del flujo como los recodos y con tan pocas tapas y válvulas como sea posible (todas

las personas que realizan el muestreo deben ser chequeados para asegurar que no introduzcan

errores);

a.4) Ser diseñados luego de considerar que el sistema es apropiado con relación al análisis de la

muestra de agua (por ejemplo: físico, químico, biológico o microbiológico).

5.1.3.2 Equipo para el muestreo puntual, las muestras puntuales son usualmente tomadas

manualmente de acuerdo a las condiciones descritas en 4.2.

a) Equipo para el muestreo puntual en superficie, el equipo elemental para tomar muestras en

superficie es una cubeta o botella de boca ancha que se sumerge dentro del cuerpo de agua y se

retira luego de haberse llenado.

6. ROTULADO

6.1 El origen de las muestras, las condiciones bajo las cuales han sido recogidas deben ser anotadas

y esta información ser adherida a la botella inmediatamente luego de ser llenada. Un análisis de

agua es de valor limitado si no está acompañado por la identificación detallada de la muestra.

6.2 Los resultados de cualquier análisis realizado en el sitio, también se deben incluir en un informe

anexo a la muestra. Las etiquetas y los formatos deben llenarse al momento de la recolección de

la muestra.

51

6.3 Debe incluirse al menos los siguientes datos en el informe de muestreo: a) localización (y

nombre) del sitio del muestreo, con coordenadas (lagos y ríos) y cualquier información relevante

de la localización;

b) detalles del punto de muestreo;

c) fecha de la recolección;

d) método de recolección;

e) hora de la recolección; NTE INEN 2176 2013-06 -10- 2013-1324

f) nombre del recolector;

g) condiciones atmosféricas;

h) naturaleza del pretratamiento;

i) conservante o estabilizador adicionado;

j) datos recogidos en el campo.

52

CAPÍTULO III

METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN

3.1. Metodología

En el presente trabajo se utilizará de manera continua métodos y técnicas de observación,

exploración y experimentación. Ya que se busca describir, comprender e interpretar los eventos

acontecidos durante la investigación.

Lugar de estudio

La PTAR se encuentra ubicada en la ciudadela Puerto Seymour, en las coordenadas geográficas

Latitud: 2°11’10.6” S y Longitud: 80°00´14.9” O (Fig. 4). La ciudadela Puerto Seymour brinda un

el servicio habitacional, con espacio de recreación y seguridad privada, por lo que sus aguas

principalmente son aguas domiciliarias.

Figura 11. Imagen satelital de la urbanización Puerto Seymour

Fuente: Google maps (2020)

La PTAR recibe las aguas residuales provenientes de las residencias.

53

Descripción del sistema de tratamiento

La ciudadela Puerto Seymour cuenta con una Planta de tratamientos de agua residuales de lodos

activados de aireación extendida, el proceso se compone de las siguientes unidades: una unidad de

separación, un sedimentador primario o ecualizador, 2 reactores, un clarificador, un digestor y una

unidad de cloración.

El proceso se basa en la recepción de las aguas domésticas de la ciudadela, la cual es transportada

por una tubería a gravedad hacia la PTAR, luego estas aguas son llevadas a las cribas del proceso

por medio de bombas donde se retienen los sólidos de mayor tamaño, para luego entrar al

ecualizador donde los sólidos más pequeños se sedimentan, de esta unidad las aguas se dividen

para dos reactores donde se mantiene con una inyección de aire 40/15 por medio de blowers,

después de los reactores las aguas tratadas pasan al clarificador donde se recirculan los lodos de

nuevo a los reactores, los lodos saturados se dirigen hacia el digestor donde se mantiene la

inyección del aire para luego llevarlos a los lechos de secados, luego del clarificador las aguas son

transportadas a la unidad de cloración donde por medio de pastillas se la desinfecta para poder

cumplir con la normativa ambiental y finalmente estas aguas tratadas son depositadas al cuerpo

receptor.

Impacto odorífero en la comunidad

Se analizó el área de impacto de la PTAR en la ciudadela, mediante la primera inspección, donde

se pudo constatar que no existe una distancia adecuada entre la PTAR y las viviendas, las cuales

se encuentran a menos de un metro de distancia de la misma, además que la contaminación no solo

afecta a la ciudadela en estudio, sino que también a la ciudadela aledaña que por medio de

fotografías se puede observar (ANEXO I).

Diseño del prototipo a escala laboratorio

El diseño del prototipo del reactor biológico se basó en la caracterización previa del agua, a partir

del cual se diseñó por medio de la información facilitada por el Ing. Michael Ponce empleado de

la empresa INTERAGUA S.A el cual proporcionó los datos de consumo desde lo meses de enero,

54

febrero, marzo, abril, mayo y Junio del año 2020, donde se obtuvo una dotación de 279 m3/d,

conforme al consumo de agua potable de la ciudadela PUERTO SEYMOUR.

Para el tiempo de retención utilizamos una pelota plástica, la cual la dejamos pasar desde la entrada

del reactor biológico hasta la salida al clarificador, luego sacamos un tiempo promedio, debido a

que la PTAR al no haber sido construida por la empresa INTERAGUA S.A, ellos no poseen los

planos de diseño, por lo que se procedió a medir el reactor biológico para proyectar las dimensiones

(ANEXO III).

Materiales para la construcción del Bio-reactor

Vidrio transparente espesor 6mm.

Silicón.

Tubería de 1/2” pvc

Tapon de ½” pvc

Codo de ½” pvc

Manguera de presión para compresor.

Compresor de 2hp.

Construcción del reactor biológico a escala laboratorio

Para la construcción del tanque de aireación de aguas residuales domésticas se elaboró un tanque

con vidrio transparente de 6mm de espesor con medidas en la base de (70 cm x 40 cm) y con una

altura de 40 cm, en una de las caras del prototipo se realizó un agujero de ½” para la colocación

de una llave de media con la finalidad de allí tomar las muestras una vez ya cumpliendo el TR a

analizar.

Luego se procedió a la instalación del sistema de inyección de oxígeno, la cual se utilizó tubería

de pvc de ½” 60cm de largo, seguido se colocó un tapón de pvc ½” al final de la tubería, luego se

55

instaló un codo de pvc 90° ½” un tramo de tubería para la adaptación con la manguera

suministradora de oxígeno directo del compresor de 2HP.

El sistema de inyección de oxígeno quedó a 15 cm de alto tomando de referencia la base del tanque

prototipo con el objetivo de que al momento de la inyección de oxígeno no perturbar el fondo del

tanque ya que en el mismo se albergara la materia orgánica decantada. El sistema se lo puede

observar en la Figura 12. siguiente (Anexo III).

Figura 12. Diseño del bio-reactor a escala Autores: Alejandra M. y Jordy P.

3.2. Tipo de investigación

La investigación experimental es un tipo de investigación “donde se basa en diseñar o replicar un

fenómeno cuyas variables son manipuladas en condiciones controladas. El fenómeno a estudiar es

medido a través de grupos de estudio y control, y según los lineamientos del método científico”

(Raffino, 2019)

Para el presente proyecto el tipo de investigación es experimental, debido a que el objetivo del

mismo es determinar si el tiempo de retención hidráulico es el causante de la emisión de malos

olores dentro de la ciudadela de estudio por medio de pruebas físicas y químicas del agua residual

proveniente de la PTAR a las cuales se les vario el tiempo de retención en un prototipo a escala

del sistema de tratamiento.

56

3.3. Enfoque

El enfoque mixto es una combinación del enfoque cuantitativo y del enfoque cualitativo. El

enfoque cuantitativo permite llegar y consolidar un análisis sistemático de la información mediante

la recolección de datos con el fin de probar hipótesis basados en mediciones numéricas y análisis

estadísticos, estableciendo así patrones de comportamiento y probar teorías; y, el enfoque

cualitativo, permite los planteamientos hipotéticos con mayor amplitud sin fundamentar los

resultados en los análisis estadísticos (Yanez, 2020).

En este proyecto se aplica el enfoque mixto debido que se realizan análisis físicos y químicos a las

muestras de aguas residuales tomadas del sistema de tratamiento, las cuales entregan mediciones

numéricas para la comparación de los principales compuestos causantes de la emisión de malos

olores; mientras se realizan encuestas para analizar el grado de percepción de los contaminantes

de los habitantes cercanos a la PTAR y así comprobar las hipótesis planteadas al inicio de la

investigación.

3.4. Técnica e instrumentos

La técnica utilizada para la recolección y análisis de los datos fue el modelado a escala y la encuesta

(ANEXO I), donde primero se realizó una encuesta a un área delimitada para poder establecer los

compuestos a ser evaluados por medio de las percepción olfativa de los habitantes, luego por medio

de un dron se sobrevoló la planta de tratamiento de aguas residuales para obtener las medidas

reales de la etapa de estudio de los bio- reactores y a cinta métrica para medir la profundidad de la

misma, luego con la escala de 1/0.05 y se realizó el modelo prototipo donde se hicieron las

variaciones de tiempo de retención.

Mientras que los instrumentos del proyecto fueron los análisis del laboratorio de DBO, DQO5,

SULFUROS, NITRATOS, OD, SOLIDOS TOTALES, pH y TURBIDEZ realizados en el

laboratorio acreditado INGEESTUDIOS S.A., con las muestras tomadas del biorreactor modelo y

las preguntas realizadas en las encuestas.

57

3.5. Población

Área de encuesta

Para poder determinar el área de impacto y la percepción comunal de las emisiones de la PTAR se

diseñó y realizó una encuesta (ANEXO I), a una población de 1200 usuarios de la PTAR,

aproximadamente un total de 240 hogares, utilizando como medio la percepción del olor un radio

de 150 m de distancia de la PTAR, para determinar el alcance potencial del contaminante, mediante

un análisis cuantitativo.

Aplicación de encuesta

La encuesta fue realizada basándonos en el método de muestreo representativo, el cual usa la

siguiente fórmula

𝑛 =∗ ∗ ∗

[ ( )] [ ∗ ∗ ] (Ecuación 12)

Donde se utilizó un nivel de confianza del 95%, lo cual entrega una K= 1.96, sabiendo que la

población de estudio son aquellas viviendas cercanas a la PTAR, se tomó una N= 40 viviendas con

un error del 5% y asumiendo que los valores de p y q eran 0.5 respectivamente.

De la población de 240 viviendas de la ciudadela se tomó el 20% de la población de los usuarios

teniendo un total de 40 viviendas encuestadas en un radio de 150 m alrededor de la PTAR de

estudio, donde se encuestó en base de la percepción de olores, se puede observar las preguntas

realizadas en el ANEXO I.

Muestreo del agua residual

Consistió en recoger un valor representativo de las aguas residuales con el propósito de

caracterizarlo en el Laboratorio “Ingeestudios S.A.”, que se encargó de la realización de las

respectivas pruebas físicas y químicas. Se tomó en cuenta 2 normas del Instituto Ecuatoriano de

Normalización (INEN) para la conservación y toma de muestra.

58

Norma Técnica Ecuatoriana NTE INEN2169:98, Aguas: Calidad de Agua,

muestreo, manejo y conservación de las muestras.

Norma Técnica Ecuatoriana NTE INEN2176:98, Aguas: Calidad de Agua,

muestreo y técnicas de muestreo.

3.6. Plan de muestreo

Para obtener información de las características y datos para el prototipo se requirió tomar muestras

puntuales en la entrada del bio-reactor (P1) y la entrada de clarificador o sedimentador secundario

(P2), haciendo referencia a la Figura 13.

Figura 13. Puntos de muestreo en la PTAR

Autores: Alejandra M. y Jordy P.

Procedimiento de muestreo

El encargado del laboratorio Ingeestudios, fue quien tomó las muestras de la entrada del reactor

aeróbico y salida del mismo, por lo que utilizando una botella de boca ancha atada a una cuerda

tomó la muestra del agua y se las dispuso en envases etiquetados por el laboratorio, para

posteriormente guardarlo en una hielera con hielo para mantenerla a la temperatura estipulada por

las normas INEN. A una de las muestras de agua se le toma la temperatura utilizando una pistola

infrarroja y el pH.

P1 P2

59

CAPÍTULO IV

INFORME FINAL

4.1. Determinación de la percepción de olores

Se realizó una encuesta de 4 preguntas para poder delimitar, los compuestos químicos a evaluarse,

así como la hora de la toma de las muestras en la PTAR, donde se entregaron los siguientes

resultados:

En la primera pregunta, donde se indagó si los habitantes perciben malos olores en la PTAR, donde

se obtuvo que el 78% de las 40 viviendas si perciben olores, el 13% dijo que no y un 9% indicó

que rara vez los percibe.

Figura 14. Resultados de la encuesta de la primera pregunta

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Mientras que, en la segunda pregunta, la cual indicaba que olor percibían los habitantes de la

ciudadela en la PTAR, ellos indicaron que el 51% era un olor muy fuerte, el 44% dijo que era un

olor fuerte y el 5% expresó que era un olor débil.

78%

13%

9%Si

No

Rara vez

60

Figura 15. Resultados de la encuesta de la segunda pregunta

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Por otra parte, en la tercera pregunta, la cual menciona a que el olor se asemejaba los olores

percibidos en la PTAR, los habitantes indicaron que el 80% era a un olor a huevo podrido, el 11%

dijo que era un olor irritante y el 9% expresó que era un olor de ajo.

Figura 16. Resultados de la encuesta de la tercera pregunta

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Finalmente, en la cuarta pregunta, donde se preguntó la hora en que se percibe los olores en la

PTAR, los resultados indicaron que el 78% lo perciben en el rango del 9:00 am – 12:00 pm, el

18% lo percibe en el rango de las 12:00 pm – 15:00pm y un 2% lo perciben a las 0:00 – 3:00 am

y 6:00 am – 9:00 am.

44%

51%

5%

Muy fuerte

Fuerte

Débil

80%

11%

9%

HuevopodridoIrritante

Ajo

61

Figura 17. Resultados de la encuesta de la cuarta pregunta

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Con la información obtenida en la encuesta, se pudo delimitar los aspectos principales del

proyecto, indicando que, si se percibe olores provenientes de la PTAR, y que estos olores son

fuertemente asociados a huevos podridos, lo cuales son característicos de los sulfuros, compuesto

que se evaluó, así mismo, se limitó la hora de toma de muestras la cual fue a las 10:00 am.

4.2. Concentraciones del agua residual en la PTAR

Se realizó la caracterización del agua residual que ingresa al bio-reactor luego del sedimentador

primario, obteniéndose los siguientes resultados:

Tabla 5. Resultados de los parámetros físicos – químicos del agua residual a la entrada al bio-reactor de PTAR

Compuestos removidos

Resultados Unidad Límites de referencia

pH 7.5 u pH 6 - 9

DBO5 443.7 mg/l 100

DQO 2984 mg/l 200

OD 0.13 mg/l -

Sulfuros 130 mg/l 0.5

Nitratos 17.8 mg/l -

Sólidos totales 1023 mg/l 1.6 Turbidez 950 UNT -

Fuente: INGEESTUDIOS S.A.

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

2% 2%

78%

18%

00:00 – 3:00 am

6:00 am – 9:00 am

9:00 am – 12:00 am

12:00 am – 15:00 pm

62

También se realizó la caracterización del agua residual que ingresa al bio-reactor de la PTAR luego

del sedimentador primario, obteniéndose los siguientes resultados.

Tabla 6. Resultados de los parámetros físicos – químicos del agua residual a la salida del biorreactor

SALIDA DEL BIO-REACTOR

Compuestos removidos

Resultados Unidad Límites de referencia

pH 7.6 u pH 6 - 9

DBO5 13.8 mg/l 100

DQO 70 mg/l 200

OD 5.82* mg/l -

Sulfuros 0.46 mg/l 0.5

Nitratos 12.71 mg/l - Sólidos totales

290 mg/l 1.6

Turbidez 229 UNT - * Parámetro con incremento por adición de oxígeno

Fuente: INGEESTUDIOS S.A.

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Eficiencia de remoción de la PTAR

La eficiencia de remoción de los compuestos evaluados por el bio-reactor de la PTAR se observa

en la Figura 14, y en la tabla 6.

Tabla 7. Valores de eficiencia de remoción en porcentaje por cada tiempo de retención en la PTAR

Compuestos removidos

Eficiencia de remoción %

DBO5 96,89

DQO 97,65

OD 97,77* SOLIDOS TOTALES

71,65

SULFUROS 99,65

NITRATOS 28,60

TURBIDEZ 75,89 Fuente: INGEESTUDIOS S.A.

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

63

En un sistema aerobio, se requiere del ingreso de oxígeno por medio de blowers, por lo tal, el

parámetro Oxígeno Disuelto es el único que se incrementa

Figura 18.Eficiencia de remoción de los compuestos.

Autores: Alejandra M. y Jordy P.

Los resultados por compuestos indican: el DBO5 se redujo en un 96,89%, el DQO se disminuyó

en un 97,65%, el OD incrementó en un 97,77%, los sólidos totales se redujeron en un 71,65%, los

sulfuros disminuyeron en un 99,65%, los nitratos se redujeron en un 28,60%, la turbidez de las

aguas se redujo en un 75,89%. El pH medido se mantuvo entre 7,50 y 7,60.

Energía consumida por gramo de compuesto (EC)

Se determinó la energía empleada para remover la carga contaminante de cada parámetro. Para

esto se calculó la energía consumida por los blowers en la remoción de los compuestos evaluados

en el laboratorio utilizando la potencia del blower (kw) y la masa removida en el sistema (m). La

potencia se la obtuvo de un blower de 10 HP (7,46 Kw) en 29,5 horas de trabajo. La masa removida

se la obtuvo de la concentración multiplicada por el volumen de 252 m3 de agua tratada en el

tiempo de trabajo.

64

𝐸𝐶 = ( )

( ) (Ecuación 13)

Figura 19. EC para cada compuesto removido

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Costo de operación

El costo de operación fue estimado como el costo del Kwh según la empresa pública CNEL para

el área industrial de $0,99 por la energía consumida.

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 ó$

= 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝ú𝑏𝑙𝑖𝑐𝑎 $

× 𝐸𝐶 (Ecuación 14)

Tabla 8. Costo de operación de acuerdo al tiempo de retención de la PTAR.

Tiempo de retención (h)

Costo de energía CNEL ($) Costo

29,5 0,99 217,9 Fuente: INGEESTUDIOS S.A.

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

65

4.3. Concentraciones del agua residual en el prototipo Bio-Reactor

Antes de la realización de las pruebas en el prototipo se caracterizó el agua residual que ingresa al

bio-reactor luego del sedimentador primario, obteniéndose los siguientes resultados:

Tabla 9. Resultados de los parámetros físicos – químicos del agua residual a la entrada al biorreactor

ENTRADA AL BIO-REACTOR

Compuestos removidos

Resultados Unidad Límites de referencia

pH 7,5 u pH 6 - 9

DBO5 443,7 mg/l 100

DQO 2984 mg/l 200

OD 0,13 mg/l -

Sulfuros 130 mg/l 0.5

Nitratos 17,8 mg/l -

Sólidos totales 1023 mg/l 1,6 Turbidez 950 UNT -

Fuente: INGEESTUDIOS S.A.

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Una vez realizada las pruebas en el prototipo, se procedió a analizar los datos entregados por el

laboratorio “INGEESTUDIOS S.A.”, se tomaron muestras a la salida del bio-reactor en 5

diferentes tiempos de retención, con el fin de cuantificar los compuestos odorantes tomando en

cuenta el primer objetivo específico. A continuación, se muestra la tabla con los resultados para

diferentes tiempos de retención.

Tabla 10. Resultados de componentes odorantes en del agua residual tomados en la salida del biorreactor.

Tiempo de retención (h) Sulfuros

(mg/l) Nitratos (mg/l)

DBO5 (mg/l)

DQO (mg/l)

OD (mg/l)

SÓLIDOS TOTALES

(mg/l)

TURBIDEZ (UNT)

pH (u

pH) 24 0,45 0,00 9,20 42 6,87 105 130 8,10

28 0,20 0,00 8,70 44 8,41 96 170 8,20

30 0,46 17,80 13,80 70 5,82 290 229 7,60

35 0,39 8,90 18,90 74 10,22 285 234 8,10

40 0,35 6,20 14,90 74 9,92 260 227 8,30

Fuente: INGEESTUDIOS S.A.

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

66

Eficiencia de remoción

La eficiencia de remoción de los compuestos evaluados, entrego como resultados diferentes

porcentajes de remoción como se observa a continuación.

Figura 20. Eficiencia de remoción de los parámetros a diferentes tiempos de retención

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Los resultados por compuestos indican: el DBO5 se redujo en un 98% ,donde el tiempo que

presenta la menor cantidad es el tiempo de 28 h; el DQO se disminuyó en un 98%, siendo el tiempo

de retención de 24 h; el OD incrementó en un 98% obteniendo como mejor tiempo el de 35 h ; los

sólidos totales se redujeron en un 91% en el cual es el tiempo de 28 h; los sulfuros disminuyeron

en un 99% desde el ingreso al biorreactor, siendo el tiempo de retención a las 28 h; los nitratos se

redujeron en un 52%, donde los tiempos de retención de 24 y 28 horas son los que indicaron que

no existe presencia de nitratos en el efluente del sistema; la turbidez de las aguas se redujo en un

86% ,donde el tiempo de 24 h y por último el pH se mantuvo en un rango de 7.60 – 8.3.

Tabla 11. Valores de eficiencia de remoción en porcentaje por cada tiempo de retención en horas

%/h Eficiencia de remoción

24 28 30 35 40

67

DBO5 97,90 98,04 96,89 95,74 96,64

DQO 98,60 98,53 97,65 97,52 97,52

OD 98,70 98,73 98,73 98,72 98,69

SÓLIDOS TOTALES

89,70 90,62 71,65 77,13 74,58

SULFUROS 99,65 99,85 99,65 99,70 99,73

NITRATOS 100,00 100,00 38,63 29,98 51,22

TURBIDEZ 86,30 82,11 75,89 75,37 76,11 Fuente: INGEESTUDIOS S.A.

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

El cálculo de la cantidad de energía y el costo en dólares consumida por el compresor en el modelo

escala se lo realizó por medio del cálculo del EC del compresor utilizado y del costo de operación

del mismo.

Energía consumida por parámetro (EC)

La energía consumida por el compresor para la remoción de los compuestos evaluados en el

laboratorio se lo calculó utilizando la Ecuación 13. Se utilizó un compresor de 2 HP (1.492 KW)

de potencia, y como masa removida se calculó multiplicando la concentración removida por el

volumen del prototipo de 112 litros.

Figura 21. EC para cada tiempo de retención

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

68

Costo de operación

El costo de operación fue estimado como el costo del Kwh según la empresa pública CNEL por la

energía utilizada en los diferentes tiempos de retención evaluados en el prototipo.

𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 ó = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝ú𝑏𝑙𝑖𝑐𝑎 $

∗ 𝐸𝐶 [𝐾𝑤ℎ] (Ecuación 15)

Figura 22.. EC para cada tiempo de retención

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Tabla 12. Valores de costo de operación de acuerdo al tiempo de retención

Costo de energía CNEL

($$) Costo de operación

$$ 24

0,99

177,25 28 206,81 30 221,56 35 258,49 40 295,42

Fuente: INGEESTUDIOS S.A.

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

69

Comparación entre la eficiencia de remoción, energía consumida y el costo de

operación del bio-reactor de la PTAR y el prototipo

En las tablas siguientes se muestran las comparaciones entre la eficiencia de remoción, energía

consumida y el costo de operación entre el bio-reactor de la PTAR y el bio-reactor a escala.

Tabla 13. Valores comparativos de eficiencia de remoción de los compuestos evaluados a los diferentes tiempos de

retención.

%/h Eficiencia de remoción

PTAR (29.5 h)

24 h 28 h 30 h 35 h 40 h

DBO5 96,89 97,90 98,04 96,89 95,74 96,64

DQO 97,65 98,60 98,53 97,65 97,52 97,52

SÓLIDOS TOTALES

71,65 89,70 90,62 71,65 77,13 74,58

SULFUROS 99,65 99,65 99,85 99,65 99,70 99,73

NITRATOS 28,60 100,00 100,00 38,63 29,98 51,22

TURBIDEZ 75,89 86,30 82,11 75,89 75,37 76,11 Fuente: INGEESTUDIOS S.A.

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Figura 23. Eficiencia de remoción para cada tiempo de retención incluyendo la PTAR

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

70

Tabla 14. Valores comparativos de energía consumida por compuesto removido.

Compuestos Energía consumida (KWh/Kg)

24 H 28 H 30 H 35 H 40 H 29,5 H (PTAR)

DBO5 735,82 857,47 929,62 1097,58 1242,67 6,56

DQO 108,67 126,87 137,15 160,22 183,11 0,97

SÓLIDOS TOTALES 348,27 402,37 545,22 590,94 698,37 3,85

SULFUROS 2467,88 2873,65 3085,09 3597,33 4109,97 21,78

NITRATOS 25154,55 29346,97 81393,66 122375,33 81852,10 554,30

TURBIDEZ 389,90 478,21 554,29 651,19 737,01 3,91

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Tabla 15. Valores comparativos de energía consumida a los diferentes tiempos de retención.

Energía consumida (Kwh)

PTAR (29.5 h)

220,07

24 h 179,04 28 h 208,88 30 h 223,80 35 h 261,10 40 h 298,40

Fuente: INGEESTUDIOS S.A.

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Figura 24. Energía consumida para cada tiempo de retención incluyendo la PTAR

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

71

Tabla 16. Valores comparativos de energía consumida a los diferentes tiempos de retención.

Costo de energía CNEL ($$) PTAR

0,99

217,90

24 177,25

28 206,81

30 221,56

35 258,49

40 295,42 Fuente: INGEESTUDIOS S.A.

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

Figura 25. Eficiencia de remoción para cada tiempo de retención incluyendo la PTAR

Elaborado por: Alejandra M. y Jordy P. (2020)

El tiempo de retención que presenta una eficiencia en remoción es el de 28 horas donde se

obtuvieron resultados de DBO en 97,90%, DQO del 98,60%, SÓLIDOS TOTALES del 89,70%,

SULFUROS del 99,65%, TURBIDEZ del 86,30%; mientras que la energía utilizada para la

remoción de los compuestos evaluados es de 208 ,88 Kwh y finalmente un costo de operación de

$206,81.

72

CONCLUSIONES

Se determinó la cuantificación de olores por el método indirecto de evaluación de parámetros físico

y químicos mediante la elaboración de un prototipo a escala donde se demostró que el tiempo de

retención de 28 h presenta el más óptimo porcentaje de remoción de los compuestos evaluados,

teniendo como resultado remociones mayores al 98% en DBO5, DQO, Sulfuros, Nitratos, y

remociones mayores al 80% en Sólidos totales y la Turbidez.

El consumo de energía por unidad de masa removida (EC) varió linealmente con el incremento del

tiempo de retención, a mayores tiempos de retención se asocian mayores EC. Los compuestos que

tuvieron el mayor EC fueron Nitratos con 29,347 Kwh/g a las 28 horas de tiempo de retención.

El costo de operación del sistema sólo en la unidad estudiada (bio-reactor), variará con la energía

consumida de manera lineal, donde se tendría la oportunidad de reducir el tiempo de trabajo y de

mantenimiento de los blowers y así disminuir el costo de operación en aproximadamente un 6%.

73

RECOMENDACIONES

Se recomienda:

Seguir con el estudio de los contaminantes odoríferos en la ciudadela, variando la dosificación de

oxígeno inyectada al sistema por medio de los blowers, para comprobar si hay una sobre saturación

en el sistema.

Realizar un análisis microbiológico para identificar si existen otras bacterias o tipos de cepas de

bacterias tanto en época seca como en época de lluvia.

Estudiar las ecuaciones de diseño para optimizar el funcionamiento de las PTAR con

características de cada país.

Analizar a fondo la gestión de los lodos de la PTAR de la ciudadela; tiempo de estadía en el tanque

de lodos, lugar de deposición, aunque este no sea parte de la investigación.

Analizar los costos de mantenimiento de los blowers con el fin de extender el tiempo de vida útil

de los mismos y así reducir los costos de operación de la PTAR estudiada.

74

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79

ANEXOS

ANEXO I

Encuesta

Encuesta de percepción de malos olores en la planta de tratamiento de la ciudadela

Fecha de aplicación de la encuesta: ___________________

Sexo:

Edad:_____

Tiempo de vivir en la ciudadela: _______________

Descripción: La siguiente encuesta tiene como objetivo la percepción de los habitantes de la ciudadela “Puerto Seymour” sobre la temática de los olores provenientes de la planta tratamientos de aguas residuales.

1. ¿Usted percibe olores provenientes de la planta de tratamientos de aguas residuales?

a. Si b. No c. No se Si su respuesta es si, prosiga con la siguiente pregunta

2. Los olores que usted percibe de la planta de tratamientos son:

a. Muy fuerte b. Fuerte c. Débiles

3. ¿A qué olor se asemeja los olores percibidos: a. Huevo podrido b. Irritante c. Ajo d. Pescado podrido e. Vegetales f. Fecal g. Ninguno de los anteriores Otros____________

4. ¿A qué hora se percibe los malos olores?

a. 00:00 – 3:00 am b. 3:00 am – 6:00 am c. 6:00 am – 9:00 am d. 9:00 am – 12:00 am e. 12:00 am – 15:00 pm f. 15:00 pm – 18:00 pm g. 18:00 pm -21:00 pm h. 21:00 pm – 24:00 pm

F M

80

ANEXO II

Visita e identificación del proceso de tratamiento

Figura 26. Entrevista al Ing. Michael Ponce

Figura 27. Bio-reactor con ciclo de aireación

81

Figura 28. Etapa de la cloración

Figura 29. Etapa del digestor

82

Figura 30. Etapa de clarificación

Figura 31. Cuerpo receptor

83

Toma de muestras para caracterización del agua

Figura 32. Encargado del laboratorio tomando la muestra del bio-reactor

Figura 33. Encargado del laboratorio guardando la muestra en envases plásticos

84

Figura 34. Muestras almacenadas según norma INEN

Figura 35. Srta. Alejandra Macias tomando prueba de pH a la muestra

85

Figura 36. Prueba de pH con resultado básico

86

ANEXO III

Plano del Bio-reactor a escala

Figura 37. Diseño del Bio-reactor a escala

87

ANEXO IV

Informes

88

89

90

91

92

93

ANEXO V

Figura 38. Vista de planta de la PTAR en situ