CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO DE LA PTAR PROPUESTA EN LA EVALUACIÓN DEL POTANCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS
RESIDUALES DE LA AMB
JESÚS MANUEL EPALZA CONTRERAS
UNIVERSIDAD DE SANTANDER – UDES
MAEATRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS
BUCARAMANGA 2014
INTRODUCCIÓN
A continuación se describen las unidades propuestas en el sistema de
tratamiento, haciendo énfasis en los reactores anaerobios de agua y lodo y en
la laguna aerobia de alta tasa con tratamiento de microalgas.
Es importante establecer que la AMB cuenta con una altura promedio de 980
msnm, pero la población de la ciudad y su sistema de alcantarillado tiene
alturas que van desde los 1100 msnm hasta los 700 msnm, lo que posibilita un
transporte de la masa de agua residual hacia el sistema de aprovechamiento
energético, y dentro de esta planta también es posible el transporte del agua
por gravedad; caso distinto para el lodo residual, pues este debe ser
transportado por bombas de tornillo, para realizar su dosificación en el reactor,
para su intercambio de calor y su producción de biogás.
1. Tratamiento preliminar
1.1 Caudal de diseño
Los parámetros para el cálculo de los caudales de diseño es el siguiente
Población a servir 507000 habitantes
Dotación 200 l/hab *día
Coeficiente de retorno Cr 0,85 (RAS Tabla D.3.1)
Volumen diario tratado 86170 m3
QMD 997,6 lps
CAUDAL DE DISEÑO 1 m3/s
Carga de diseño
DBO5 = 360 mg/l
DQO= 650 mg/l
LD DBO5 13,17 t DBO5/DÍA
LD DQO 24,39 t DQO/DÍA
Los Tratamientos Preliminares buscan una calidad del agua apropiada a las
necesidades de los tratamientos previos, donde se busca separar sólidos
gruesos, flotantes, sedimentables y grasas y aceites; estos comprenden un
cierto número de operaciones mecánicas, físicas y/o químicas que tienen por
objeto separar del agua la mayor cantidad posible de materias que por su
naturaleza o tamaño puedan ocasionar problemas en el tratamiento posterior.
Para establecer un tratamiento el primer paso está en establecer el caudal de
diseño de la planta; para esto se toma en cuenta la población, y los consumos
actuales. Los consumos de agua están en el rango de 1 LPS, lo que es
equivalente para una población de 500 habitantes, el sistema de tratamiento
preliminar es descrito a continuación con sus unidades y cálculos.
1.2 Cribado.
Los sistemas de rejillas es el método más elemental para remover el material
contaminante grueso como basura, sólido grueso y todos los desperdicios
presente en las aguas residuales que representan peligro para el correcto
funcionamiento de los sistemas que le siguen.
Una reja de desbaste es básicamente un sistema de barras paralelas, cuya
inclinación recomendada cuando se encuentra dentro de un canal es de 45º,
pues se adapta para que la limpieza de la rejilla pueda ser manual o mecánica.
El espaciamiento entre las barras de la rejilla dependerá del tipo de residuo a
ser retenido y del material en que sea construida. El ancho de la reja
dependerá del ancho total de la captación o canal y la velocidad de flujo a
través de ella baja, con el fin de evitar el arrastre del material retenido.
Se proyecta colocar dos barreras (rejillas gruesas y finas) de limpieza manual
compuestas por barras paralelas, inclinadas, igualmente separadas, y
colocadas en la sección transversal del canal de aproximación.
1.3 Canal desarenador.
Esta unidad es el segundo componente del tratamiento preliminar de las aguas
residuales, está compuesta por dos canales, uno en operación y uno en
reserva, para lo cual se proyecta la colocación de una compuerta en madera
que controle el paso del flujo por cada uno de los canales.
El desarenado tiene por objeto extraer del agua servida la arena y partículas
más o menos finas de origen inorgánico, de forma que la arena retenida no
arrastre materias contaminadas, con el fin de evitar que se produzcan
sedimentaciones en los canales y conductos, para proteger las partes móviles
de los equipos de la planta contra la abrasión y para evitar sobrecargas de
sólidos en las unidades de tratamiento biológico.
Teoría de sedimentación Fue desarrollada por Hazen y Stokes. Su modelo de
sedimentación considera que la velocidad de sedimentación de una partícula
es directamente proporcional al cuadrado del diámetro y está dada por la
ecuación:
𝐕𝐬 =𝐠
𝟏𝟖∗
𝛒𝐬−𝛒
𝛍𝐝𝟐 = 𝟎, 𝟎𝟑𝟕𝟗 Ecuación 1
Vs = velocidad de sedimentación (cm/s)
g = Gravedad
ρs = Peso específico de la partícula de arena = 2.65
ρ = Peso específico del agua : (1.0)
μ = Viscosidad cinemática del fluido (μ = 0.00963 cm2/s, temperatura promedio
22 ºC)
d = diámetro de la partícula (0.2 mm = 0.02 cm)
En un desarenador de tipo canal, de profundidad H, una partícula en
suspensión que se encuentre en la superficie del agua en el momento de su
entrada en el canal, sedimentará con una velocidad Vs de caída constante,
alcanzando el fondo del decantador al cabo de un tiempo Ts = H/Vs, bajo el
supuesto que:
- La velocidad en el canal es horizontal y uniforme.
- La partícula se supone eliminada cuando alcanza el fondo del canal.
- Las partículas sedimentan independientemente, es decir sin interacción
mutua.
La anterior expresión indica que la sedimentación de partículas en las
condiciones expuestas, no depende de la altura del canal sino de su área
superficial. No obstante la profundidad no puede reducirse del todo, pues se
aumentaría la velocidad de paso del agua y las partículas no sedimentarán.
𝐒 = [𝐐
𝐕𝐬] = [
𝟏𝐦𝟑/𝐬
𝟎,𝟎𝟑𝟕𝟗 𝐦/𝐬] = 𝟐𝟔, 𝟑𝟖𝟓𝐦𝟐Ecuación 2
El área mínima calculada es de 26,385 m2, la cual es el área a considerar una
relación largo-ancho; por tanto se toma de la proporción Largo-Ancho de la
RAS 5:1.
Se asume un ancho del canal que permita la remoción manual del material
retenido de 1.0 m; para la profundidad del canal se toma de la misma norma
una relación Ancho-Profundo 1:1; finalmente las dimensiones del canal
desarenador son:
Largo: 20 m
Ancho: 4 m
Profundidad: 3 m
Altura de Lodos: 0.1 m
Borde Libre: 0.4 m
- Tiempo de Retención Hidráulico
TRH= 4 min
Tabla 1: Geometría de los desarenadores
Fuente: Tomado de título E RAS 2000.
1.4 Trampa de grasa
Una vez sometidas a los procesos anteriores, las aguas residuales son
conducidas a la trampa de grasas recogiendo en la superficie la mayor parte
de contaminantes que sean menos densos que el agua, para evitar en su
totalidad la formación de capas flotantes de lodos inertes y sobrenadantes.
Son tanques pequeños de flotación donde la grasa sale a la superficie, y es
retenida mientras el agua aclarada sale por una descarga inferior. No lleva
partes mecánicas y el diseño es parecido al de un tanque séptico. Recibe
nombres específicos según al tipo de material flotante que vaya a removerse.
1. Domiciliar: Normalmente recibe residuos de cocinas y está situada en la
propia instalación predial del alcantarillado.
2. En Sedimentadores: Son unidades adaptadas en los sedimentadores
(primarios en general), las cuales permiten recoger el material flotante
en dispositivos convenientemente proyectados, para encaminarlo
posteriormente a las unidades de tratamiento de lodos.
Localización
Deben localizarse lo más cerca posible de la fuente de agua residual
(generalmente la cocina) y aguas arriba del tanque séptico, sedimentador
primario o de cualquier otra unidad que requiera este dispositivo para
prevenir problemas de obstrucción, adherencia a piezas especiales,
acumulación en las unidades de tratamiento y malos olores. Debe tenerse
en cuenta, que independientemente de su localización, deben existir
condiciones favorables para la retención y remoción de las grasas.
Parámetros de diseño
El diseño debe realizarse de acuerdo con las características propias y el
caudal del agua residual a tratar, teniendo en cuenta que la capacidad de
almacenamiento mínimo expresada en kg. de grasa debe ser de por lo
menos una cuarta parte del caudal de diseño (caudal máximo horario)
expresado en litros por minuto.
Área: 1680m2.
Ancho: 14m
Largo: 120m
Alto: 0,6m
Relación Ancho : Longitud: 1 : 8.
Velocidad ascendente: 0.088m/s.
Tiempo de Retención Hidráulico
TRH= 16, 8 min
1.5 Fase de ajuste.
La fase de ajuste no se considera una operación dentro del tratamiento del
agua residual municipal, en esta fase hay 2 correcciones que son:
Filtro de carbón activado: este filtro realiza la adsorción de cloro residual
del agua, principal desinfectante usado en los hogares, comercios y
centros hospitalarios, adicionalmente puede retener otros tipos de
tóxicos asociados a la toxicidad nociva para microorganismos.
Ajuste de pH: este es un dispositivo que se mantiene con sensores en
línea, que descargan cantidades de NaOH o HCl, según sea necesario,
cuando las condiciones de pH del agua puedan salirse de los sugeridos
para la digestión anaerobia en los factores de funcionamiento de un
reactor UASB.
2. Tratamiento Primario biorreactor UASB (Tratamiento Biológico
Anaeróbico)
2.1 Biorreactor Anaeróbico de Manto de Lodos de Flujo Ascendente o
UASB (Up-Flow Anaerobic Sludge Blanket)
El reactor UASB es un sistema de tratamiento de aguas residuales compacto,
en donde el flujo se da en sentido ascendente, con un sistema de alimentación
localizado en el fondo y un separador gas-sólido-líquido en la parte superior.
El líquido que va a ser tratado se introduce en el fondo del reactor, desde
donde fluye hacia arriba a través del manto de lodos compuesto de partículas o
gránulos biológicos densamente formados, que constituyen la zona de
digestión, en la cual, los sólidos suspendidos son atrapados y la materia
orgánica biodegradable es digerida por microorganismos anaeróbicos que
tienen el mayor contacto con el sustrato orgánico en esta zona. Los gránulos
de lodo varían de tamaño desde 1/16 hasta ¼ de pulgada. En algunos casos,
el manto de lodos es floculante. Los gases que se producen bajo condiciones
anaerobias (en especial el metano y el dióxido de carbono) sirven para mezclar
los contenidos del reactor a medida que ascienden hacia la superficie.
El gas que asciende ayuda a formar y a mantener los gránulos, mientras que el
material, que se mantiene a flote, gracias a los gases, se estrella contra los
tabiques desgasificadores y se depositan de nuevo sobre la zona en reposo de
sedimentación arriba del manto de lodos. El gas es atrapado en el domo
colector de gases localizado en la parte superior del reactor.
El tratamiento de aguas residuales domésticas utilizando reactores anaerobios
de alta tasa, tipo UASB, ha sido estudiado en escala piloto y gran escala con el
fin de encontrar las posibilidades de aplicación para el tratamiento de aguas
residuales con DQO menor a 1000 mg/l (Ganbagni Roa, 2011). La tecnología
ha sido aplicada y su utilidad ha sido demostrada en el tratamiento de aguas
residuales domésticas con temperatura entre 21 y 27 °C y tiempo de retención
hidráulica (TRH) entre 5 y 9 horas.
Uno de los desafíos está relacionado con la factibilidad de su aplicación para el
tratamiento de aguas residuales domésticas con baja concentración de sustrato
y baja temperatura. En estas condiciones el crecimiento celular es limitado ya
que la velocidad de crecimiento de los organismos y la velocidad de utilización
del sustrato dependen de la concentración del mismo y la temperatura.
Adicionalmente la producción de biogás es baja con la consecuencia de la
disminución en la intensidad de la mezcla y un pobre contacto biomasa-
sustrato.
Cuando se tratan aguas residuales complejas, como las de origen doméstico,
en las que generalmente hay una gran cantidad de material orgánico
particulado, con temperatura alrededor de 15°C, la velocidad de la hidrólisis de
los sólidos suspendidos depende fuertemente de la temperatura y será el paso
limitante en el tratamiento. Se ha sugerido que en estas condiciones se deben
realizar cambios en el diseño de los reactores UASB.
Entre estas modificaciones están la de distribución homogénea del agua
residual en el fondo del reactor, más puntos de entrada por metro cuadrado,
para mejorar el contacto biomasa sustrato y el empleo de dos o tres reactores
en secuencia. En esta configuración el primer reactor sirve para remover e
hidrolizar el material particulado presente en el agua. Investigaciones
adelantadas con reactores en dos pasos o un reactor más próximo al flujo
pistón muestran que se producen eficiencias más altas que en un solo reactor
del mismo volumen.
2.1.1 Características del proceso.
En el reactor UASB, la materia orgánica contenida en las aguas residuales, se
degrada por la acción de consorcios microbianos que se adaptan a condiciones
favorables de temperatura y disponibilidad de nutrientes, en las cuales pueden
sustentar sus necesidades metabólicas a través del rompimiento enzimático de
las moléculas orgánicas mediante cuatro reacciones de degradación, siendo
las más importante la de formación de metano (biogás), principal subproducto
del proceso biológico anaerobio, que es recogido en la parte superior de los
reactores.
A medida que el proceso transcurre, la comunidad bacteriana crece y se
agrupa formando flóculos que se depositan en la parte inferior del reactor,
dando lugar al llamado “manto de lodos”, responsable del proceso de
biodegradación.
Los sistemas de tratamiento anaerobio son procesos microbiológicos que
involucran varios grupos de bacterias que conviven en un equilibrio biológico
complejo.
La clave del éxito de la operación de los sistemas anaeróbicos de tratamiento
de aguas residuales radica en ajustar las condiciones para que este equilibrio
no se rompa y las bacterias puedan fomentar un proceso de degradación
paulatino de la materia orgánica mediante reacciones biológicas.
Durante el proceso se produce un gas compuesto principalmente de metano
(CH4) y dióxido de carbono (CO2), conocido como biogás, producto de la
degradación anaeróbica de la materia orgánica.
La cantidad de gas producido y velocidad de digestión varían
fundamentalmente con la cantidad de materia orgánica alimentada al digestor y
de otros factores como la temperatura del medio, la homogeneidad del sustrato
orgánico y el pH, entre otros.
El biogás producido mediante este tipo de reacciones está contaminado por
trazas de moléculas precursoras de olores ofensivos, principalmente sulfuro de
hidrógeno H2S (0 – 0.1%) y amoniaco, provenientes de la degradación de
compuestos azufrados y nitrogenados presentes en la materia orgánica.
2.2 Factores importantes de desempeño de un biorreactor UASB
2.2.1 Factores ambientales:
pH: El valor del pH no solo determina la producción de biogás, sino también,
lo que es más importante, su composición en metano, ya que debajo de 6.2
la acidez existente en el reactor inhibe fuertemente la actividad de las
bacterias metanogénicas, entre 6,5 y 8,2 la inhibición afecta también a las
fermentativas. Efectos similares se detectan en valores de pH por encima
de 8. El rango óptimo de pH está comprendido entre 6,6 y 7,4.
Temperatura: Si el intervalo de temperatura de un reactor cambia, es
necesario iniciar nuevamente el arranque del reactor, una nueva población
microbiana tiene que ser cultivada. La actividad y el crecimiento de las
bacterias disminuye en un 50% por cada 10 ºC de descenso por debajo de
35ºC, cambios en la temperatura pueden ser tolerados, pero no es
aconsejable aumentar la temperatura de los reactores por encima de 42ºC,
ya que puede ocurrir un deterioro de las bacterias.
2.2.2 Factores de proceso:
Carga Hidráulica: Es importante porque hay interés en controlar el lavado
del lodo proveniente del reactor.
Mezclado y Contacto del Lodo y el Agua Residual: Es muy crítico porque en
el contacto del líquido con el lodo existe el peligro de que haya
canalizaciones, esta canalización será más grande si hay baja tasa de
producción de gas (menos de 1m3/m3 día).
Características de Sólidos Suspendidos: Se debe considerar un número
importante de características porque dependiendo de ellas puede tener
efectos en el manto de lodos, algunas de ellas son:
Biodegradabilidad, tamaño y área superficial de los sólidos suspendidos.
Afinidad de las bacterias para atacar el material.
Sedimentabilidad y/o flotabilidad.
Coalescencia.
Nutrientes: Por ser un proceso biológico se requiere de ciertos nutrientes
inorgánicos esenciales para su metabolismo, la escasez de estos limita el
crecimiento. La mayoría de aguas residuales domésticas no presenta una
deficiencia de nutrientes.
Actividad Metanogénicas Especifica del Lodo: Es la cantidad de sustrato
convertido a metano por unidad de lodo, por unidad de tiempo, es de
importancia crítica para la inoculación de un UASB.
2.2.3 Parámetros cinéticos y estequiométricos característicos en la digestión anaerobia.
En el proceso anaerobio, sólo una pequeña cantidad de la energía contenida
en el sustrato es utilizada en el mantenimiento y crecimiento celular, quedando
una gran parte en los productos, en forma de biogás. Esto hace que el tiempo
de crecimiento sea lento, lo que condiciona el diseño y la operación de los
digestores anaerobios.
En la Tabla 10 se presentan los parámetros cinéticos y estequiométricos
correspondientes a diferentes grupos tróficos. Los parámetros son: la velocidad
específica máxima de crecimiento (μm), que informa sobre la velocidad de
crecimiento en condiciones favorables donde no hay limitación por sustrato; el
rendimiento celular (YX/S), que indica la fracción de sustrato destinada al
crecimiento celular; la constante de afinidad (KS) o saturación, que indica la
avidez de un grupo por un determinado sustrato; y la actividad específica
máxima (rS), que indica la cantidad máxima de sustrato utilizada, por unidad de
biomasa, en la unidad de tiempo.
Se observa que las velocidades de crecimiento son pequeñas y que, dado el
bajo rendimiento celular, la conversión de sustrato en masa celular es también
pequeña, por lo que la velocidad de generación microbiana es lenta. Esto
representa una de las ventajas del proceso porque de esta manera la
producción de lodo es baja, pero por otra parte supone tiempos de puesta en
marcha más largos para conseguir la suficiente cantidad de biomasa, cuando
no se inocula el reactor.
Es necesario mantener una elevada concentración de biomasa debido a la
relativamente baja actividad específica máxima que presenta una población
anaerobia, 0,5-2,5 g DQO/g SSV.d, sobre todo si se quiere operar a elevadas
velocidades de carga orgánica.
Tabla 2: Parámetros cinéticos y estequiométricos característicos de
diferentes especies y grupos tróficos en procesos de digestión anaerobia
Especie y grupos
tróficos
µmax
(d-1)
Yxs (g SSV/ g
DQO)
Ks (g
DQO/l)
rs (g DQO/ g
SSV.d)
Acidogénicos (APOH) 2.0 0.15 0.2 13
Metanogénicos
(Acetoclastos)
Methanotrix sp.
Methanosarcina sp.
0.16
0.45
0.05
0.05
0.037
0.350
2
9
Sulfato-reductoras
(BSR)
4-6 0.10 0.007 50
Biomasa digestor 0.1- 0.18 0.1-1.4 0.5-2.5
anaerobio* 0.45
Fuente: Lema 1992
Debido a la gran cantidad de microorganismos que intervienen en el proceso
anaerobio, hay que delimitar las condiciones ambientales óptimas de cada uno
de ellos, para optimizar el proceso globalmente.
Criterios de diseño y operación.
Los criterios de diseño y operación en el reactor UASB son:
Relación de producción de biogás.
La altura del manto de lodos.
Temperatura del agua residual.
Remoción de carga orgánica.
Producción de H2S, hasta el momento no se ha considerado como tal, pero
tenderá a que se considere como una variable de diseño, ya que éste ha
sido uno de los inconvenientes por los cuales esta tecnología ha sido
rechazada por la comunidad y se requiere que su concentración y
emanación sea monitoreada y controlada.
Tabla 3: Parámetros de diseño y operación seleccionados para el dimensionamiento del biorreactor UASB
PARÁMETRO UNIDAD VALOR (ES)
Procedencia del agua residual doméstica
Alcantarillado de AMB
DBO5 en el afluente al sistema de Pre-desnitrificación Clásica
mg/l 360
NTK en el afluente al sistema de Pre-desnitrificación Clásica
mg/l 40.20
Concentración de sólidos inertes en el mg/l 30
afluente
Eficiencia de remoción de DBO5 % 70
Eficiencia de remoción de SST % 40
Eficiencia de remoción de DQO % 60
Temperatura promedia del agua °C 24.28
Altura sobre el nivel del mar Msnm 980
Caudal de operación m3/día 338.8
Tiempo de retención hidráulico del reactor
h 13
Máxima tasa de flujo recomendada en el fondo del reactor
Lodo dispersado
Lodo floculento
Lodo granular
m/h
m/h
m/h
0.25
1 - 2
5
Número recomendado de puntos de alimentación para lodo floculento de espesor medio, entre 1 y 2 puntos de alimentación por m2.
Mínimo traslape entre el separador GLS y campana de gas
M 0.6
Fuente: EMPAS
2.3 CÁLCULO DE VARIABLES DEL BIORRECTOR.
Volumen del tratamiento anaeróbico UASB.
𝐕 𝐮𝐚𝐬𝐛 = 𝐓𝐑𝐇𝐱𝐐Ecuación 3
V uasb = 8,5h ∗ 3600s/h ∗ 1m3/s = 30.600m3
Este es el volumen mínimo del tratamiento anaeróbico del Biorreactor UASB, y
se propone la construcción de 10 estructuras en paralelo, que posibiliten la
utilidad del sistema en caso de mantenimiento preventivo o correctivo.
Área del Biorreactor
𝐀𝐑 =𝐕
𝐏Ecuación 4
𝐀𝐑 =𝟑𝟎. 𝟔𝟎𝟎 𝐦𝟑
𝟑, 𝟓= 𝟖. 𝟕𝟒𝟎𝐦𝟐
Flujo Másico.
𝐅𝐌𝐑 = 𝟑𝟎. 𝟔𝟎𝟎𝐦𝟑 ∗ 𝟎, 𝟎𝟑𝟓𝐤𝐠𝐃𝐁𝐎/𝐝 = 𝟗. 𝟓𝟓𝟎𝐊𝐠 𝐃𝐁𝐎/𝐦𝟑𝐝 Ecuación 5
Carga Hidráulica
𝐂𝐇 =𝐐
𝐀Ecuación 6
CH =1m3
8.740m2= 0,000114m/s
CH = 0,000114m
s∗
3600s
h= 0,41m/h
La carga hidráulica máxima de un UASB está establecida en 1 m2/h
Velocidad de Flujo en la Campana
𝐕𝐅𝐂 = 𝟑, 𝟓 ∗ 𝐂𝐇Ecuación 7
𝐕𝐅𝐂 = 𝟑, 𝟓 ∗ 𝟎, 𝟒𝟏 = 𝟏, 𝟒𝟑𝟓𝐦/𝐡
Área de la Abertura
𝐀𝐀𝐛𝐞𝐫𝐭 =𝐐
𝐕𝐅𝐂=
𝟑.𝟔𝟎𝟎
𝟏,𝟒𝟑𝟓= 𝟐. 𝟓𝟎𝟎 𝐦𝟐Ecuación 8
Área de la Sección Transversal de la Campana
𝐀𝐒𝐓𝐂 = 𝐀𝐑 − 𝐀𝐀𝐛𝐞𝐫𝐭 = 𝟖. 𝟕𝟒𝟎𝐦𝟐 − 𝟐. 𝟓𝟎𝟎𝐦𝟐 = 𝟔. 𝟐𝟒𝟎𝐦𝟐Ecuación 9
Velocidad ascensional
𝐕𝐀𝐒𝐂 =𝐐
𝐀𝐑=
𝟏𝐦𝟑
𝟖.𝟕𝟒𝟎𝐦𝟐 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟏𝟏𝟒𝐦/𝐬Ecuación 10
Tiempo de Retención Hidráulico
𝐓𝐑𝐇 =𝐕
𝐐=
𝟑𝟎.𝟔𝟎𝟎𝐦𝟑
𝟑.𝟔𝟎𝟎𝐦𝟑/𝐡= 𝟖, 𝟓𝐡Ecuación 11
Se encuentra dentro de los parámetros establecidos por la RAS2000, en la
tabla 12.
Tabla 4: Tiempos de Retención Hidráulico para UASB
Fuente: Tomado de título E, RAS2000
Factor de Dilución de la Microbiota.
𝐅𝐃𝟏 =𝐐
𝐕=
𝟑.𝟔𝟎𝟎
𝟑𝟎.𝟔𝟎𝟎= 𝟎, 𝟏𝟏𝟕𝐡−𝟏Ecuación 12
Se manifiesta en un valor de 0.1h-1, con una característica marcada por la
velocidad específica de crecimiento de los microorganismos, y la velocidad de
consumo del DBO.
2.4 Inóculo de la microbiota.
2.4.1 Digestión de la carga orgánica.
El tratamiento de las aguas residuales se ha estudiado teniendo en cuenta las
vías aeróbica y anaeróbica, y ha demostrado ser un proceso de alto
rendimiento, dentro de las diferentes etapas que cumplen las aguas servidas se
tiene que el tratamiento con biocatalizadores (microorganismos) es el más
adecuado para llevar a cabo la mineralización de la materia orgánica que se
dispone sobre el uso del agua, para ser más específicos el agua residual
doméstica.
La descomposición de los contaminantes en el agua va a ser medida con
respecto a indicadores objetivos y medibles, como lo son, DBO5, DQO, sólidos
totales y otros parámetros de tipo físico-químico, en este proceso se
encuentran involucradas las bacterias de tres categorías como lo son:
1 Bacterias aeróbicas.
2 Bacterias anaeróbicas.
3 Bacterias facultativas.
Estos grupos de bacterias son los biocatalizadores que promueven la
mineralización de la carga orgánica presente en esta agua, los sistemas de
tratamiento se optimizan con cultivos mejorados que pueden adaptarse a estos
medios de cultivo, para generar un biogás, compuesto de metano (CH4) y
dióxido de carbono (CO2), este es el resultado del tratamiento de las aguas
servidas, logrando así reducir los indicadores de DBO5, DQO, Sólidos
Suspendidos, Sólidos Sedimentables Totales y Grasas y Aceites, en
porcentajes mayores al 80% (Epalza, 2012).
2.5 ARRANQUE DE LOS BIORREACTORES UASB.
El arranque del biorreactor UASB se realiza mediante una inoculación
controlada de un lodo activado con una microbiota definida de la siguiente
manera:
INÓCULO:
Es lodo derivado de un cultivo exógeno, con una serie de microorganismos
descritos en la microbiota a utilizar; el volumen del inóculo se calcula en 0,3
m3 para cada reactor, lo que nos indica un inóculo total de 0,6 m3, para un
inóculo de 1 % volumen a volumen. Este inóculo se dispone después de 15
días de uso del reactor, y su inyección se realiza controladamente,
ajustando el pH en valores mayores de 7.2, si el pH se acidifica, se
adicionan cantidades equivalentes de un nivelador de pH, que puede ser
soda cáustica (NaOH) diluida, para valores de pH inferiores a 5.5.
MICROBIOTA.
Se denomina de esta manera a la población microbiana presente en el
inóculo; para la inoculación del Reactor se debe tener en cuenta que los
recuentos totales de bacterias anaerobias tenga un valor de 1011Bacterias
por mililitro, este valor se logra en un cultivo controlado en condiciones de
estricta anaerobiosis (Epalza J. M., 2012).
La composición de la microbiota está definida por: Methanmobacterium sp,
Methanococcus sp, Methanosarcina sp, Methanotrix sp, Methanomicrobium
sp, Methanoplanus sp, Methanosaeta sp, Desulfovibrio sp,
Desulfotomacullum sp, Clostridium sp, Nitrococcus sp, Nitrosococcus sp,
Nocardia sp, Pseudosmonas sp, como especies principales y algunas
levaduras acompañantes.
3. Tratamiento secundario
3.1 Laguna aerobia de alta tasa.
Esta laguna aerobia; se define como un ecosistema combinado entre acuático,
en el cual interactúan tres elementos importantes; Agua substrato y microalgas;
que por interacción propia se desarrollan varios procesos fisicoquímicos y
biológicos, que permite la remoción de materia orgánica, DBO5, nitrificación,
remoción de fósforo, azufre y otros compuesto, además facilita la adsorción,
precipitación, intercambio iónico, además también las microalgas poseen la
capacidad de adaptarse a condiciones acuáticas y / o de saturación de agua.
El tratamiento terciario de láminas filtrantes por tener poca profundidad y
poseer dentro del sistema una baja velocidad del agua permite el crecimiento y
desarrollo de plántulas emergentes.
La laguna de alta tasa planteada para el cultivo microalgal es una serie de
lagunas, conectadas en serie y en paralelo, para realizar las operaciones de
cosecha y aprovechamiento de la biomasa, la cual tiene las siguientes
dimensiones.
Capacidad total: 172.800 m3
Área inundable: 11,52 hectáreas.
Profundidad de las lagunas: 1,5 m
Tamaño sugerido de cada laguna: 0,5 hectáreas
Número de lagunas: 22.5, constructiva y operativamente se construyen 24.
Disposición: 2 trenes de tratamiento de 12 lagunas, conectadas en serie y en
paralelo, para cosechar por par de lagunas.
Figura 1: Disposición de las lagunas de alta tasa.
Fuente: autor
4. Reactor de Lodos.
El reactor de lodos planteado para el aprovechamiento energético en esta
evaluación tiene un comportamiento distinto al UASB y trabaja en condiciones
reológicas distintas, pues el lodo es un fluido con mayor viscosidad y mayor
densidad, que el agua residual.
El reactor de lodo se considera con un tamaño de 800 m3 y se instalan con
redundancia y con capacidad de trabajar con desviaciones de los flujos
paralelos y en serie, cabe anotar que la construcción es de 2 reactores en
paralelo y en serie, cada uno con capacidad de 1200 m3 de capacidad total,
que se utilizan a una capacidad de trabajo máxima de 800 m3, con diferentes
sistemas de intercambio de calor, para aumentar la temperatura del lodo que
ingresa con 25ºC en promedio, y llevarlo a 52ºC o 55ºC, calor que sale del
aprovechamiento energético de la combustión del biogás producido por la
integración de caudales de biogás del UASB y el reactor de lodos.
La inyección de los lodos se realiza mediante bombas de tornillo que llevan el
lodo hasta los reactores, las cuales pueden controlar el flujo de lodo, con baja
afectación de daño mecánico a las células microbianas presentes en el lodo, se
prefieren este tipo de bombas por que las alturas de elevación para inyección
de lodos son inferiores a 20 m y poseen un menor consumo que las bombas
centrífugas utilizadas en el transporte de este tipo de fluidos, el lodo tiene un
comportamiento de fluido No Newtoniano, y la bomba de tornillo controla mejor
el transporte de estas sustancias.