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Gasa A%\ abierta al tiempo
Universidad Autónoma Metropolitana - Iztapalapa
DIVIYIÓN DE: CENCIAY BÁYICAY € ING€NI€RíA CBI D€PARTAM€NTO D€ ING€NI€RíA D€ PROC€YOY € HIDRÁULICA
LIC€NCIATURA D€ ING€NI€RiA QUíMICA ÁR€A D€ CONC€NTRACIÓN D€YARROLLO V DIEÑO DE: PROC€YOY
PROYECTO TERMINAL
ERNESTINA C A S T R O MEDRAN0 9331 8786 PATRICIA LOPEZ CUEVAS 92321 41 6
ASESOR DR. RICHARD S. RUiZ MARTiNEZ
'Tratamiento de Agua Residual Industrial
1. INDICE
I .JUSTIFICACI~N 1
2.OBJETlVOS 3
3.1NTRODUCCIÓN 4
4.GENERALlDADES
4.1 Clasificación de los métodos de tratamiento
4.2 Plantas de tratamiento
4.3 Tratamiento biológico
4.3.1 Tipos de tratamiento
4.3.2 Ventajas y desventajas de tratamiento aerobio y anaerobio
4.4 Reactores biológicos
4.5 Digestión anaerobia
4.5.1 Digestión anaerobia en aguas residuales
4.6 Reactores de lecho fluidizado
4.6.1 Antecedentes
4.6.2 Hidrodinámica de reactores de lecho fluidizado
4.6.3 Arranque y operación de lechos fluidizados
4.6.4 Ventajas y desventajas de lechos fluidizados
4.7 Generación y tratamiento de los Iodos
4.7.1 Clasificación y composición
4.7.2 Origen y cantidad de Iodos generados
4.7.3 Características fisicoquímicas de los Iodos
4.7.4 Tratamiento de Iodos
4.8 Generación y tratamiento de biogas
4.8.1 Características del biogas
4.8.2 Purificación de gas
6
6
6
8
10
11
11
14
14
17
17
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19
21
23
23
23
24
25
31
32
32
I'ratanliento de Agua Residual Industrial
5.ESTUDIO DE MERCADO
5.1. Balance nacional de agua
5.2. Balance en el sector industrial.
34 34
34
6. ANTECEDENTES DE LA COOPERATIVA PASCUAL 36
7. LOCALIZACIóN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES
8. CAPACIDAD DE LA PLANTA
9. DETERMINACIóN DE PARÁMETROS DE CALIDAD
9.1 Principales parámetros para caracterizar un efluente.
I O . PUNTO DE CONSUMO
11. DIAGRAMA DE TRATAMIENTO
11. I Análisis funcional
12. MATERIALES Y MÉTODOS
12.1 Inóculos.
12.2 Soporte
12.3 Reactor tubular
12.4 Análisis hidrodinámico
12.5 Arranque y estabilidad.
12.6 Análisis fisicoquímico y biológico
13. RESULTADOS EXPERIMENTALES
13.1. Hidrodinámica
13.2 pH
13.3 DBO, DQO, Biomasa y Biogas producido.
38
40
42
43
44
48
49
50
50
50
51
52
52
53
54
54 55
56
Tratamiento de Agua Residual Industrial
13.4 Cinética de degradación de materia orgánica
13.5. Resultados Generales
14. DIMESIONES DE EQUIPO Y ACCESORIOS
I 5. EVALUACI~N ECON~MICA
15.1 Inversión
15.2 Producción
15.3 Recuperación
11. CONCLUSIONES
Ill BIBLIOGRAFíA
VI. APÉNDICES
APÉNDICE A
A. 1. Determinación de parámetros fisicoquímicos.
A. 1. I .Sólidos totales, fijos y volátiles.
A. 1.2. Ph
A.1.3.Demanda Química de Oxígeno.
A. 1.4. Demanda Bioquímica de Oxígeno
A. 1.4. Tiempo de retención hidráulico (TRH)
A. 1 S . Cuantificación de biogas
APENDICE B
B. 1 Diámetro para tuberías
B.2 Calculo del área del reactor
B.3 Calculo de la razón de recirculación
B4 Calculo del volumen del reactor
B5 Dimensiones de tanques atmosféricos
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57
58
59
59
59
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71
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72
73
73
APÉNDICE c 74
_.
Tratamiento de A s ~ a Residual Industti&
I. JUSTIFIICACI~N
El aumento en el conocimiento de los efectos acumulativos de la contaminación ha
llevado a una considerable preocupación general y a una legislación cada vez más
estricta en lo que concierne a la descarga de residuos industriales, líquidos y
gaseosos.
Se debe pagar por el tratamiento residual, y parece presentar, a corto plazo, un
costo adicional importuno e improductivo que hace pensar que el tratamiento de
aguas residuales es -literalmente- dinero que se tira por el desagüe.
Ciertamente, la industria química es fundamental para la economía de cualquier
país y un costo adicional se refleja en el precio de, virtualmente, todo producto
manufacturado.
Finalmente el consumidor es quien paga. Además, la industria química es
altamente competitiva, nacional e internacionalmente, y los costos adicionales
impuestos por la legislación o la opinión pública, realmente afectan la viabilidad de
una planta industrial o la capacidad de atraer nuevas industrias a un área donde
se necesita urgentemente el desarrollo industrial.
Los productos residuales tienen que ser descargados, y disponer de los residuos
acuosos significa por lo general descargarlos en algún tipo de corriente de agua,
como un río, canal, estuario o en el mar. Cuando las aguas residuales
descargadas no han sido del todo tratadas, 6 sino, de forma insuficiente, el
resultado será la contaminación de la corriente de agua.
La prevención de la contaminación de las corrientes de agua tiene obviamente un
valor estético, pero tiene también sólidas razones económicas.
El agua es una materia prima esencial para numerosos procesos industriales y
constituye por consiguiente un vital recurso natural.
1
Tratamiento de ,491a Residual Industrial
En la industria química se usa el agua como solvente, reactivo, medio de reacción,
medio de transporte y medio de transferencia de calor; en las industrias
alimentarias y de la cerveza constituye un elemento importante de muchos
productos. El dimensionamiento y expansión futuros de las operaciones
industriales, y por tanto de nuestro nivel de vida, depende en una gran parte de
que se mantengan los suministro existentes en una condición libre de
contaminación.
La enorme cantidad de agua que demanda la industria está demostrada por los
requerimientos de agua de algunos procesos químicos clave.
El lavado de la planta y de los recipientes utiliza cantidades considerables de agua
de alta pureza, especialmente en el procesamiento de los alimentos y en las
industrias biológicas. El uso excesivo y descuidado del agua de lavado no solo representa un innecesario costo material, sino también un volumen adicional que
pasa al sistema de tratamiento residual.
2
Tratamiento de Arrua Residual Industrial
2.0BJETIVOS
Objetivo general
+% Análisis, evaluación y diseño de una planta de tratamiento para efluentes de
la industria refresquera
Objetivos particulares
Determinación de la capacidad cautiva de la planta de tratamiento.
Localización geográfica de la planta de tratamiento.
Diseño del proceso de tratamiento.
Experimentación relacionada con la operación de un reactor biológico a nivel
planta piloto.
Descripción de la cinética empleada.
Dimensionamiento de equipo.
Evaluación económica del proyecto.
3
3. INTRODUCCI~N
El agua en nuestro país al igual que en todo el mundo, tiene un gran valor debido a
la estrecha relación que guarda con los procesos y con el desarrollo de cualquier
actividad humana. Su adecuado aprovechamiento es condición básica para
superar los desafíos del presente y preservar las posibilidades del futuro.
Debido a su capacidad de disolver numerosas sustancias en grandes cantidades,
el agua pura casi no existe en la naturaleza. Pero además, cuando se le incorpora
al agua materias extrañas, como microorganismos, productos químicos, residuos
industriales y de otros tipos, recibe el nombre de aguas residuales y tienen un
origen doméstico, industrial, subterráneo y meteorológico. El origen, composición y
cantidad de los desechos están relacionados con los hábitos de vida vigentes.
El desarrollo industrial que surgió después de la segunda guerra mundial, generó
una diversidad de residuos industriales que era necesario tratar para recuperar
subproductos y disminuir la contaminación del agua, esto propicio el desarrollo de
los procesos fisicoquímicos y biológicos.
Cualquier sistema de tratamiento de aguas residuales (STAR), requiere de un
tratamiento preliminar, y a veces, de tratamiento primario.
En el tratamiento preliminar o también llamado proceso fisicoquímico, se lleva
acabo la remoción de sólidos gruesos flotantes, arenas y la preparación del agua
residual (AR), para el tratamiento secundario.
Estos sistemas preparatorios tienen poca eficiencia en términos de remoción de
sólidos suspendidos (SS), demanda bioquímica de oxígeno (DBO), y demanda
química de oxigeno (DQO), pero son absolutamente necesarios para la correcta
operación del tratamiento secundario.
4
Tratamiento de .Agua Residual Industrial
Una de las etapas más importantes de una planta de tratamiento es el proceso
biológico o tratamiento secundario, el cual es un proceso complementario de la
depuración de las aguas residuales que agrupa los procesos y operaciones
unitarias, capaces de eliminar los sólidos y materia orgánica en estado coloidal o
disuelta hasta de un 80 y 95 por ciento.
Cuando se requiere una calidad superior, como Io es el agua potable se considera
el proceso terciario o avanzado, es decir se somete la corriente de agua a un proceso químico específico.
5
Iratamiento de Azua Residual lndustrial
4.GENERALIDADES
4.1 Clasificación de los métodos de tratamiento.
Tratamiento previo. Se emplea para la remoción de aquellos desechos que
impedirían la actuación de procesos y mecanismos mayores. En este están
comprendidas las rejillas de separación anchas, las cuales retienen materiales
voluminosos.
Tratamiento primario. Se efectúa con dispositivos diseñados para la remoción
de material sobrenadante o sedimentable por medios físicos y mecánicos.
Tratamiento parcial. Se utilizan coagulantes químicos, tales como las sales de
Aluminio o Hierro y Cal, con los cuales se mejoran los resultados del tratamiento
primario.
Tratamiento secundario y completo. Consta de unidades de tratamiento en las
cuales se efectúa la acción bioquímica, de modo que se ha satisfecho en alto
grado, la demanda bioquímica de oxígeno, DBO, de la materia orgánica
resultante después de haber clarificado el líquido en los procesos primarios. Las
unidades más convenientes para el tratamiento secundario son los filtros
percoladores y los Iodos activados.
Desinfección y potabilización. Del tratamiento completo salen efluentes bastante
clarificados y estabilizados, pero aún tienen algunas bacterias que son
eliminadas con pequeñas cantidades de cloro.
4.2 Plantas de tratamiento.
Actualmente, el sistema de tratamiento de aguas residuales municipales cuenta
con la siguiente infraestructura: 21 plantas de tratamiento, 17 de ellas son a nivel
secundario y 4 a nivel terciario, con una capacidad conjunta de 6250 I/s,
equivalente al 20% de las aguas residuales generadas en la ciudad de México. Con
este caudal se riegan 6500 ha de áreas verdes y 6000 agrícolas; se renuevan 3500
millones de litros de agua en los lagos, lagunas y canales, que ocupan una
superficie de 230 ha. También se abastecen 691 establecimientos comerciales y
120 industriales a través de 783 mil m de tubería.
6
Iratamiento de Agua Residual lndusrrial
En cuanto a las industrias, cada vez son más las que cuentan con un sistema de
tratamiento dentro de sus instalaciones, el número de plantas a 1997 era de 1255
(Tabla 1) con un volumen de tratamiento de 21,439 I/s, equivalente al 94.32 YO de la
capacidad de diseño.
Tabla 1 Estado I Total
Núm. de Gasto de Gasto de No. plantas Diseño operación Plantas
Chihuahua 24 733.4 476.2 3 Cd. de México 20 529.0 529.0 O
- "
Guanajuato - 61 2,123.6 2,123.6 3 Hidalgo 33 103.6 103.6 Edo. De México 102 943.9 943.9 37
-
17
Puebla "
115 Querétaro 64 209.6 209.6 6 - Reglón Lagunera 11 128 97.9 1 Tamaulipas 31 1.806.1 1.806.1 9 Veracruz I 145 15,558.9 1 5,611.0 87 Fuente: Comisión Nacional del Agua
Trat. Secundario No. plantas 20 20 57 11 47 12 19 83 56
"
_______I
-___
-
lo I_
21 43 "
Trat. Terciario No. Plantas 1 O 1 5 18 O 9
-
"_
El nivel de tratamiento más utilizado en las plantas de agua residual industrial es el
secundario (remoción de sólidos sedimentables gruesos y remoción de materia
orgánica en suspensión de naturaleza coloidal y disuelta), con 735 plantas y un
gasto de operación de 12 741.7 I/s. Los estados con mayor tratamiento secundario
son, en orden de importancia, Veracruz, Nuevo León y Guanajuato, con 2 71 1.4; 2 086.3 y 1 505.1 I/s, respectivamente.
En segundo lugar se encuentra el tratamiento de aguas residuales primario
(remoción de sólidos sedimentables gruesos) con 449 plantas y trata un volumen
de 6 931.6 11s. Los estados cuya industria utiliza más este tipo de tratamiento son
Veracruz, Tamaulipas y Morelos, con 2,774.7, 1,414.2 y 575.8 I/s,
respectivamente.
7
Tratamiento de A w a Residual Industrial
Finalmente con 53 plantas y con un volumen de agua tratada de 942.9 I/s está el
nivel de tratamiento terciario (remoción de sólidos sedimentables gruesos,
remoción de materia orgánica en suspensión de naturaleza coloidal disuelta y
remoción de materiales disueltos orgánicos e inorgánicos). La industria que usa
más este tipo de tratamiento se encuentra localizada en los estados de México,
Guanajuato y Veracruz con 570.4, 231.5 y 52.1 I/s tratados, respectivamente.
Cabe destacar que en estos estados se practican los tres tipos de tratamiento y su
capacidad aprovechada es del 100%. En el ámbito nacional se reporta un
promedio de aprovechamiento de la capacidad instalada (gasto de diseño) del
94%.
El tratamiento más practicado es el secundario o biológico, por ser el esencial en
una planta de tratamiento.
4.3 Tratamiento biológico
El tratamiento biológico se lleva a cabo por la transferencia de la materia orgánica
del agua residual hacia la película o floculo (biomasa), por contacto interfacial,
adsorción y absorciones asociadas. La materia orgánica es utilizada por los
microorganismos para su metabolismo y generación de células nuevas, las células
viejas mueren deslavándose y precipitándose al fondo.
En los sistemas biológicos, se tienen complejas poblaciones de microorganismos
mezcladas e interrelacionadas, en las que cada uno de ellos tiene su propia curva
de crecimiento, lo cual depende de las condiciones del sistema, pH temperatura,
aireación o anaerobiosis y disposición de nutrientes.
8
Tratamiento de Agua Kesidual Industrial I-
Figura 1. Curva de crecimiento de microorganismos.
I
Tiempo
Bacterias Zooflagelados m Cihadoslibres
En la figura I se ilustra la variación con respecto al tiempo de algunos
microorganismos predominantes en un agua residual en un sistema de tratamiento
biológico.
La eficiencia de los procesos biológicos depende de las características de las
aguas residuales, condiciones ambientales del sistema y tipo de microorganismos.
Es importante conocer si el agua residual a tratar por medios biológicos contiene
compuestos químicos tóxicos que pueden ser inhibitorios para el crecimiento de
los microorganismos, en tal caso, se podría hacer un pretratamiento para su
eliminación o mejor cambiar a un tratamiento fisicoquímico.
9
Tratamiento de Agua Residual Indust rial
4.3.1. Tipos de tratamiento.
Estos procesos se clasifican de acuerdo a la dependencia del oxígeno por los microorganismos utilizados en la biodegradación de la materia orgánica en:
a)Tratamientos aerobios. Se lleva a cabo por microorganismos aerobios ylo
facultativos es decir, que se desarrollan en presencia de oxígeno, degradando la
materia orgánica en compuestos más estables. Este proceso se puede expresar
de la siguiente forma:
Materia + Microorganismos biomasa + COZ + Energía Orgánica aerobios ylo
facultativos
b)Tratamientos anaerobios. El tratamiento anaerobio de las aguas residuales, es
un proceso mediante el cual es degradada la materia orgánica ylo inorgánica por
medio de microorganismos, principalmente bacterias en ausencia de oxígeno
(anaerobiosis).
Este sistema degrada con mayor eficiencia la materia orgánica, produciendo una
mezcla de gas, llamada biogas, compuesta de metano (60-70 %), bióxido de
carbono (30-40 %) y trazas de ácido sulfhídrico e hidrógeno. Este proceso ocurre
en forma natural en los pantanos y en el fondo de las lagunas y lagos, donde no
hay oxigenación.
La biodegradación de la materia orgánica en forma anaerobia se puede resumir de
la siguiente manera:
Materia orgánica Microorganismos _________+ biomasa + C02 + CH4 + H20
10
‘Tratamiento de Azua Residual 111dustrial
4.3.2. Ventajas y desventajas de los tratamientos aerobios y anaerobios.
Es necesario realizar un análisis, con el cual se pretende obtener por simple
comparación, el tratamiento más adecuado para implementarlo junto con el reactor
seleccionado.
En la tabla 2, se puede ver que el tratamiento anaerobio ofrece mayores ventajas
sobre el aerobio, debido, no sólo a la baja inversión en cuanto a recursos
monetarios, sino también en materia ambiental, ya que se puede controlar con
mayor facilidad la producción tanto de biomasa como de biogas, reduciendo de
esta forma el esfuerzo de estabilización dentro y fuera del reactor.
4.4. Reactores biológicos
Los distintos tipos de reactores (Figura 2) se discuten mejor tomando como base,
la terminología establecida en el diseño de reactores químicos, dando
configuraciones como’:
1. El reactor intermitente (RI);
2. El reactor continuo de tanque agitado (RCTA);
3. El reactor tubular (RT);’
4. El reactor de lecho fluidizado (RLF)
La necesidad de mantener un cultivo estable causa un efecto importante en el
desarrollo de estas configuraciones para sistemas microbiológicos.
La principal influencia en el modo de operar de los reactores microbiológicos deriva
de las propiedades físicas de los propios microorganismos. En condiciones
normales los microorganismos contienen una cantidad de agua considerable (60-
95%) y, en consecuencia, tienen una densidad sólo ligeramente diferente de la del
agua. Se requiere pues un empuje hidrodinámico muy pequeño para mantenerlos
en suspensión, con el resultado de que si un fluido circundante está en un estado
de suave agitación los microorganismos estarán en suspensión.
Tratamiento de A w a Residual Industrial
Tabla 2. Análisis de ventajas y desventajas de los tratamientos aerobios y anaerobios.
Aerobio
Anaerobio
Tiempos de residencia muy
pequeños.
Arranque y estabilidad en
poco tiempo.
Baja producción de Iodos
residuales.
Producción de biogas, el
cual puede ser utilizado
como com busti ble.
Baja demanda de
nutrientes (fósforo y
nitrógeno).
Lodos residuales estables.
Gran producción de
biomasa.
Deterioro de la actividad de
la biomasa a lo largo del
tiempo.
Requiere grandes
cantidades de energía para
la aireación.
Necesita una cantidad mayor
de nutrientes.
No produce metano.
Menor % de remoción
Períodos relativamente
largos para estabilizar el
sistema al principio.
Largos períodos de tiempo
de retención (3-10 días).
Una disposición lógica es un reactor de mezcla total, en el que el movimiento del
líquido es inducido por agitación mecánica, por la evolución de un gas como
producto bioquímico, o por aire burbujeando por todo el medio.
I Denbigh y Turner, 1971 12
Tratamiento de Agua Residual Industrial
Puesto que las conversiones bioquímicas no se alcanzan en ausencia de
microorganismos se comprende que al utilizar los microorganismos suspendidos
en un reactor continuo habrá que evitar el que éstos sean arrastrados con la
corriente de salida. Los caudales a utilizar en un reactor continuo de tanque agitado
están limitados como resultados de este fenómeno y los reactores tubulares, con
flóculos suspendidos, no pueden funcionar sin un aporte constante de
microorganismos en la corriente de entrada. Una respuesta alternativa al último
problema es el reactor de lecho fluidizado, que es un híbrido entre el reactor de
tanque agitado y el reactor tubular, en el que las partículas son suspendidas por la
corriente líquida que circula en dirección ascendente y las fuerzas gravitacionales
evitan que sean arrastradas*.
igura 2. Principales configuraciones de bioreactores.
Sustrato
Fermentador discontinuo (FD)
Sustrato Sustrato Sustrato
Serie de fermentadores continuos de tanque agitado [FCTA)
7 Producto
Sustrato
Fermentador tubular (FT)
Fermentador de lecho fluidizado (FLF)
Tiempo -+
I
Distancia desde el -+
punto de entrada
Distancia desde el ~
punto de entrada
Shore y Royston, 1968 13
Tratamiento de A Z ~ J ~ Residual Ind~~strial
4.5. Digestión anaerobia.
El tratamiento biológico de aguas residuales por vía anaerobia se ha extendido en
México desde 1987 debido a la Legislación Ambiental promulgada por el Gobierno
Federal para el tratamiento de desechos. En 1997 se trataban del 30 al 35% de
las aguas municipales, lo cual, muestra una falta de capacidad para el tratamiento,
este aspecto abre la posibilidad para la introducción de sistemas de bajo costo, con
tecnologías avanzadas y capaces de tratar varios tipos de efluentes, como son los
digestores anaerobios. De estos, actualmente se tienen 75 reactores de lecho de
Iodos de flujo ascendente (UASB) tratando el 0.57% de las aguas residuales
totales generadas y 3.4% de las aguas tratadas. En México el 43.5% de los
reactores anaerobios se utiliza para el tratamiento de aguas negras3
A pesar de la complejidad microbiológica de este proceso, es ampliamente
conocido el hecho de que los microorganismos involucrados en la digestión
anaerobia son capaces de agruparse en consorcios bacterianos complejos y
degradar sintrófcamente los contaminantes disponibles en las aguas.
4.5.1. La digestión anaerobia en aguas residuales
La degradación anaerobia de materia orgánica es un proceso que involucra varias
vías metabólicas y que se llevan cabo en la ausencia de oxígeno, nitrato y sulfato
como aceptores de electrones.
Se realiza a través de tres pasos en serie que incluyen la hidrólisis de compuestos
orgánicos complejos y de alto peso molecular disueltos en el agua residual como
proteínas, carbohidratos, lípidos y compuestos aromáticos o amídicos, por medio
de enzimas extracelulares.
Como consecuencia de la fermentación de las moléculas pequeñas formadas en el
paso anterior, se obtendrá piruvato, succinato, lactato y etanol así como ácidos
Monroy et al 14
'Tratamiento de Agua Residual Industrial
grasos volátiles como el formato, acetato, propionato, n- e ¡so-butirato y en algunas
ocasiones n e ¡so-valerato y caproato. Los ácidos grasos y alcoholes se degradan a
acetato p-oxidación.
Los ácidos como el propionato y el butirato serán transformados a acetato, Hz y
C02, por oxidación anaerobia de acuerdo a las reacciones 1 y 2.
CH3CH2COO- + 6H2O - CH3COO- + 2HC03 + 2H' + 6H2 (1 1
CH3CH2 CH2COO- + 2H20 - 2CH3COO- + H' + 2H2 (2)
El acetato, se transforma en la tercera y última etapa a metano, la reacción se
detalla en la ecuación 3. El metano es el producto final de este proceso.
A partir de este sustrato se formará aproximadamente dos terceras partes del
metano total, ya que es el principal precursor de la metanogenésis en reactores
anaersbios. 4, 5
El Hz y COZ en una reacción de oxido-reducción, formaran la tercera parte restante
del metano, como se muestra en la siguiente ecuación.
4Jeris y McCarty, 1965
Srnit y Mah, 1966 y 1980 15
Tratamiento de Agua Residual Industrial
Fi r I I Bacterias hdmlihcas
I HIDROLISIS Y ACIDOGENSIS
BHA
I , BMH METANOGÉNESIS I
obia.
En este esquema de metabolismo anaerobio intervienen grupos tróficos de
bacterias que viven en interdependencia mutua formando consorcios bacterianos.
Este proceso, descrito en la Figura 3, es en general lento y depende de varios
factores, tales como pH, temperatura y concentración de materia orgánica.
Adicionalmente, los tiempos de retención celular en digestores anaerobios son
prolongados, debido a la baja tasa de crecimiento de los microorganismos
metanogénicos.
Los microorganismos que forman un consorcio metanogénico comprenden tres
grupos de bacterias, las primeras son bacterias hidrolíticas fermentadoras de
carbohidratos simples y poliméricos, así como bacterias proteolíticas y lipolíticas,
facultativas y bacterias acidogénicas que utilizan los sustratos provenientes de la
primera etapa para producir ácidos grasos volátiles.
16
Tratamiento de A w a Residual Ind~~strial
Las bacterias homoacetogénicas y las acetogénicas productoras obligadas de
hidrógeno, que al oxidar los ácidos de más de dos carbonos producen además de
ácido acético, hidrógeno, que será removido en la siguiente etapa por las bacterias
metanogénicas hidrogenótrofas que lo utilizan para reducir el COZ y producir una
tercera parte del CH4. Esta relación se conoce como “transferencia de hidrógeno
entre especiesJJ6.
4.6. Reactores de lecho fluidizado
4.6.1. Antecedentes
El reactor de lecho fluidizado (RLF) para el tratamiento de aguas residuales, es un
prototipo que se ha utilizado recientemente debido a las ventajas que presenta
sobre otros sistemas. Hasta 1990 se tenían 65 reactores comerciales con soporte
en Estados Unidos y Europa.
Una de las compañías más interesadas en los lechos fluidificados para el
tratamiento de desechos ha sido General Motor Corporation, particularmente para
la remoción de compuestos orgánicos volátiles provenientes de la pintura
automotriz de las plantas de ensamblado, así como de las aguas residuales de las
plantas metalúrgicas. Finalmente se ha extendido a plantas de alimentos,
cervecerías, químicas y petr~quimicas~.
Los soportes utilizados han sido arena, arcillas, perlas de vidrio poroso, tierra de
diatomeas, además de soportes más ligeros como el poliuretano y el PVC (la
densidad aparente de &tos se encuentra entre 1 .I y l . 2 kg/m3), que se han
diseñado específicamente para estos sistemas con el objeto de reducir los gastos
de fluidiración.
6 Bryant et al. , 7967 ’ Sutton y Mishra, 1991
17
Tratamiento de Agwa Residual Industrial
4.6.2. Hidrodinámica de los reactores de lecho fluidizado.
Estos sistemas consisten de reactores de dos o tres fases (sólido - líquido, sólido -
gas y líquido - sólido - gas), en las que el lecho de partículas de soporte se
expanden con una corriente de líquido y10 de gas, de tal forma que las partículas
siempre se encuentran suspendidas y no tienen una posición fija en el lecho, pero
se mueven fácilmente en los alrededores y cada una tiende a permanecer
localizada dentro de un pequeño volumen de la cama.
En el sistema sólido - líquido de flujo ascendente (es la fluidificación tradicional) se
usan soportes más pesados que el agua, por lo que se requieren altas velocidades
de líquido para alcanzar la fluidificación.
Cuando las velocidades de líquido aplicadas son bajas, se obtiene un lecho fijo, si
estas aumentan se obtendrá un lecho expandido y posteriormente un lecho
fluidificado, como se muestra en la figura 4.
En este caso se alcanzan las condiciones de fluidificación partículada y el lecho se
expande suavemente sin la turbulencia conocida como fluidificación agregativa o
de arrastre, que se presenta cuando el flujo arrastra una estela de partículas de
tamaño pequeño que salen del lecho.''
8 Henze y Harremoes, 1983 Kunii y Levenspiel, 1991
'" Muroyama y Fan, 1985 18
Tratamiento de Agua Residual Industrial
Figura 4. Estado de transición de lechos.
Lecho fluídifieado i n - * I
Lecho expandido I I
Lecho fijo
Velocidad superficial del líquido
4.6.3 Arranque y operación de lechos fluidizados
En general, durante el arranque de RLF se inoculan con Iodos de alta actividad
metanogénica y contenido de sólidos volátiles. La inoculación se hace adicionando
30 a 60% en volumen y el reactor se cierra durante varios días o semanas, para
. permitir que las bacterias inoculadas estén en contacto con el soporte el mayor
tiempo posible.
Otra estrategia es inocular el reactor continuamente con sobrenadante de
digestores anaerobios junto con el agua residual a tratar y aparentemente el tiempo
de arranque disminuyen, pero para reactores de gran escala no es práctico por los
grandes volúmenes de sobrenadante requeridos".
Las dimensiones clásicas de los RLF o la relación UD, varía de 20 a 30 veces, para
evitar el arrastre de partículas fuera de la zona de fluidización, es decir, la longitud
del reactor contempla una zona de "desenganche" de partículas. Esta se
caracteriza actualmente por el ensanchamiento en el diámetro de la columna, que
permite que las partículas disminuyan su velocidad terminal y regresan al lecho, lo
que ha permitido reducir esta relación, economizando en la inversión de la
construcción, así como el uso de soportes menos pesados.
Heijnen et al. , 1989 19
Tratamiento de PIgua Residual Industrial
La expansión del lecho esta controlada por la velocidad vertical del fluido y para
lechos fluidizados se considera que debe de estar entre 20 a 50%, pero puede
alcanzar hasta un 100%. Ya que en los lechos fluidizados se utilizan tiempos de
retención cortos, la expansión del lecho se obtendrá con una alta tasa de
recirculación, que permitirá el uso de velocidades superficiales de líquido de 10 a
30 m/h en lechos ascendentes. La velocidad de sedimentación de las partículas
utilizadas como soportes en este caso, que puede ser de 150 a 300 m/h, influye
también en la magnitud de las velocidades necesarias para la expansión.
En el caso de lechos ascendentes, las velocidades pueden variar de 2 a 12 m/h y
en la literatura no está reportado el valor de la fuerza de flotación de muchos de los
soportes utilizados.
De acuerdo a las relaciones UD que se usan, se pueden alcanzar capacidades de
tratamiento más altas que en otros reactores, desde 20 a 100 Kg DQO/ m3-d en
equipos muy compactos 12 13 1415
Los perfiles de aplicación de carga que se han utilizado durante el arranque de
estos reactores son:
3% El perfil de máxima eficiencia en el que se aplica una carga orgánica baja de 1
kg/m3.d y una carga de 0.1 Kg de DQO/ Kg S.S.V. diarios con un tiempo de
residencia de 1 día. La carga se duplica cuando se ha alcanzado la máxima
eficiencia.
3% El máximo perfil de carga en el que se aplican altas cargas orgánicas,
considerando la carga másica que el reactor puede tolerar, con un tiempo de
retención de 1 día. La carga se aumenta nuevamente aún cuando el nivel de
remoción sea bajo (de 1500 a 200 mg/L de ácidos grasos en el efluente). En este
l 2 Henze y Harremoes, 1983 l 3 Heijnen et al., 1989 l 4 Ehlinher, 1994 l 5 Holst et al. , 1997
20
'Tratamiento de Agua Kesidual Industrial
caso se adiciona álcali para controlar la acidificación del reactor por sobrecarga,
por lo que este tipo de arranque es más costoso.
4.6.4 Ventajas y desventajas de los lechos fluidizados.
La principal ventaja que presenta es la reducción en el tamaño del reactor debido a
la alta eficiencia volumétrica asociada con el desarrollo de una alta concentración
de biomasa en el soporte'6. También presenta algunas ventajas con respecto a los reactores convencionales de biomasa suspendidos tales como:
a) Los esfuerzos altos debido a la fluidización por fricción con el líquido o
fricción dinámica entre partículas, seleccionan biopelículas compactas y
delgadas. En el caso de reactores anaerobios las biopelículas estarán
dominadas por bacteria metanogénicas debido a la acidogénia preferencia en
las capas periféricas.
b) Tienen alta capacidad de depuración
c) Mejoran el mezclado de líquidos y la turbulencia alrededor de las partículas
facilita la difusión del sustrato en la biopelícula.
d) Altas concentraciones instantáneas de tóxicos en el influente no causan
efectos tan fuertes sobre la biopelícula debido al régimen de mezclado.
e) La fluidificación lava fácilmente todas las partículas sólidas inertes finas.
9 No hay retención de sólidos suspendidos y por consiguiente no existen
problemas de taponamiento 17 18 19
La falta de retención de sólidos tiene como consecuencia también la falta de
remoción de sólidos suspendidos, debido a los cortos tiempos de retención
l6 Sutton y Mishra, 1991 17
18 Henze y Harremoes, 1983 Heijnen et al., 1989
21
Tratamiento de Agua Residual Industrial
utilizados, que impiden que la materia partículada del agua se absorba a la
superficie de la biopelícula para ser degradada en moléculas lo suficientemente
pequeñas como para difundirse en ella. Por lo que es necesario la eliminación de
sólidos del efluente para obtener agua de mejor calidad. 20, 21
Algunos problemas que presentan los lechos fluidizados están relacionados al
arranque de los reactores, debido a que la formación de la biopelícula es un
proceso lento, como se mencionó anteriormente. También influye el alto consumo
de energía debido a las altas tasas de recirculación utilizadas para expandir el
lecho.
Con respecto a los aditamentos mecánicos críticos que aumentan el valor de la
inversión en estos sistemas se tienen los distribuidores de liquido para obtener una
fluidización uniforme en reactores a escala industrial, los cuales son costosos y no
funcionan totalmente, ya que presentan problemas de taponamiento con partículas
presentes en la corriente de entrada y por el asentamiento de partículas de soporte
en el difusor, en el caso de soportes más densos que el agua.
Los distribuidores deben tener tres características importantes: mantener una
distribución uniforme de flujo en el sistema, prevenir el taponamiento de los orificios
debido a cuerpos extraños del influente o por el soporte y mantener condiciones de
distribución del influente sin turbulencias, de tal forma de favorecer la acumulación
uniforme de biomasa en el soporte del reacto? 23.
'' Guiot, 1992 2o Ehlinger, 1994 21 Holst et al. , 1997
Sutton y Mishra, 1991 23 Holst et al. , 1997
22
Tratamiento de Azua Residual Jndustrial
4.7. Generación y tratamiento de los Iodos
En las plantas de tratamiento de agua potable o aguas residuales, los procesos de
remoción de Iodos (floculación, sedimentación, biológicos, etc.) originan Iodos, los
cuales constituyen un desecho bastante importante, debido a sus volúmenes,
características, composición y problemas de disposición final.
4.7.1 Clasificación y composición.
Los Iodos residuales de acuerdo a su origen pueden ser clasificados en: Iodos
primarios, cuando provienen de los procesos de separación sólido - líquido
(sedimentación, flotación, etc.) y Iodos secundarios cuando son de procesos
biológicos.
Según sean sus características fisicoquímicas, los Iodos residuales pueden
clasificarse en los siguientes grupos:
D Orgánico hidrófilo
D Aceitosos
3% Mineral hidrófobo
D Mineral hidrófilo
O Fibroso
La composición de los Iodos residuales varía según sea su origen, dependiendo del
tipo de efluente industrial o urbano tratado
4.7.2.0rigen y cantidad de Iodos generados
El origen de los Iodos de una planta de tratamiento varía de acuerdo al tipo de
planta y a su método de operación.
En el diseño de un tratamiento de Iodos es importante conocer todas las fuentes
posibles de Iodos en la planta de tratamiento que los genera, con el fin de poder
identificar sus características y decidir que tipo de tratamiento sería el más
adecuado.
23
Tratamiento de Agua Residual Industrial
Además, para el calculo de la capacidad de las unidades de tratamiento de los Iodos, se debe conocer las cantidades que se generan, su fluctuación respecto al
tiempo y la capacidad potencial de las unidades de sedimentación y tanques de
aereación, en los cuales se puede almacenar temporalmente una cierta cantidad de
Iodos. Este almacenamiento puede auxiliar en los puntos pico de carga.
4.7.3.Caracteristicas fisicoquímicas de los Iodos
En el diseño y elección de los procesos para el tratamiento de los Iodos es
importante conocer las siguientes características fisicoquímicas:
* Características químicas
- Sólidos Totales (ST)
- Sólidos volátiles (SV), llamada también materia volátil (MV)
- Materia Orgánica (mg/l)
- Nitrógeno y Fósforo
- Contenido de metales pesados
- Composición química en general
* Características físicas.
- Propiedades reológicas. El conocimiento de esta característica es muy
importante para el bombeo, tuberías y transporte de los Iodos. Los Iodos tienen la
propiedad de solidificarse en ausencia de agitación y transformarse en líquidos
aplicando una ligera agitación esta propiedad se le llama lixotropía.
- Tipo de agua contenida en los Iodos. El agua en los Iodos está formada por
agua libre (fácil de eliminar) y agua de enlace. La cantidad de agua en los Iodos
(libre y de enlace) es determinante en su capacidad de deshidratación.
- Características de sedimentación. La velocidad de sedimentación de los
Iodos depende de su concentración en sólidos.
24
Tratamiento de Agua Residual Industrial
- Características para la deshidratación. Los procesos empleados para la
deshidratación dependen de la concentración del lodo, el grado de agregación,
características estructurales de las partículas, viscosidad, fuerza iónica y pH del
agua.
4.7.4 Tratamiento de Iodos
Debido a sus características y composición, los Iodos residuales tal como salen de
los procesos, no pueden ser depositados directamente al medio ambiente, ya que
ocasionarían problemas de olores y contaminación del lugar debido a las altas
concentraciones de los contaminantes químicos (mayor que en las aguas
residuales originales) y la materia orgánica separada por los procesos biológicos
que no se encuentra totalmente degradada en compuestos estables, produciendo
olores desagradables. Además, la consistencia de los Iodos hace que sea
problemáticos para su transportación y disposición final. Por tales motivos, es
necesario el tratamiento de los Iodos residuales para la estabilización de la materia
orgánica y eliminar la mayor cantidad de agua posible para poderlos transportar y
depositarlos en lugares autorizados, en condiciones adecuadas para no contaminar
el medio ambiente.
El tratamiento de los Iodos esta enfocado a la reducción de su contenido de agua y
la estabilización de su materia orgánica. En general los procesos empleados en el
tratamiento de los Iodos son los siguientes:
a) Espesamiento (Concentración)
b) Elutriación.
c) Digestión (estabilización) anaerobia.
d) Digestión (estabilización) aerobia.
e) Acondicionamiento.
9 Deshidratación.
g) Secado.
h) Incineración y oxidación húmeda.
i) Disposición final.
25
, . ...
Tratamiento de Agua Residual Industrial
La digestión, incineración y oxidación húmeda son utilizadas principalmente para le
tratamiento de la materia orgánica en los Iodos. Los proceso de concentración,
deshidratación y secado son usados principalmente para remover el agua de los
Iodos.
En la práctica, la elección del tipo de tratamiento que se debe aplicar al lodo
problema, depende de sus características naturales, estructura, composición y su
comportamiento ante la deshidratación.
a) Espesamiento de los Iodos
El espesamiento o concentración de los Iodos es la primera operación que se lleva
a cabo en el tratamiento, con el fin de reducir su volumen y además hacerlos más
accesibles para su transporte y manejo en las posteriores operaciones a las que
son sometidos.
El espesamiento de los Iodos se puede realizar mediante agitación durante un
tiempo suficiente para formar agregados que se sedimente más fácilmente con un
contenido menor de agua.
b) Elutriación de Iodos
Los elutriadores son iguales que los espesadores, con la diferencia de que se
añade al lodo a la entrada del tanque una cantidad considerable de agua. La
concentración de Iodos por elutriación es comparable con la obtenida por
espesamiento.
La elutriación separa de los Iodos, por lavado, sustancias que interfieren física o
económicamente en el acondicionamiento químico y la filtración por vacío; ésta se
lleva a cabo en tanques sencillos o múltiples, mediante lavados sencillos o
repetidos, utilizándose si se desea agua de lavado en forma seriada.
26
. . ,
Tratamiento de A w a Residual lndustrial
Durante el lavado, los sólidos se mantienen en suspensión por agitación mecánica
o con aire. El uso en serie del agua de lavado se llama elutriación a contracorriente.
El agua de lavado se trata o evacua junto con el licor de los digestores o filtros.
c) Digestión anaerobia
La digestión anaerobia de los Iodos es un proceso que tiene como finalidad la
estabilización de la materia orgánica que contenga.
En términos generales, el tratamiento consiste en depositar los Iodos en digestores
cerrado que impidan el paso de aire para tener condiciones anaerobias, con la
finalidad de descomponer la materia orgánica por medio de microorganismos
anaerobios. La velocidad de descomposición, depende de una inoculación
adecuada, el pH, tipo de sólidos, temperatura y un mezclado adecuado de los
sólidos crudos con el inoculo.
El proceso se lleva a cabo por dos grupos de microorganismos:
O Bacteria hidrolíticas.
Son microorganismos saprofitos, aerobios facultativos, que metalizan los carbohidratos, grasas y proteínas convirtiéndolos en ácidos orgánicos (ácido
acético, butírico) y alcoholes de bajo peso molecular.
4 Bacterias metanogénicas.
Son microorganismos anaerobios estrictos, utilizan los ácidos organismos y los
alcoholes de bajo peso molecular (producidos por las bacterias hidrolíticas).
La estabilización de los Iodos por vía anaerobia se puede resumir de la siguiente
forma:
Bacterias + Materia ___+ Bacterias + Materia + CH4 + CO + H20 orgánica orgánica
(resistente)
27
Tratamiento de Agua Residual Industrial
La eficiencia del tratamiento anaerobio depende del balance entre los dos grupos
de bacterias, la alimentación al sistema, la temperatura, el pH y el tipo de materia
orgánica suministrada.
Los procesos más importantes que se controlan en los procesos anaerobios son:
producción de gas, (cantidad y composición), balance de los sólidos en el sistema
(totales, volátiles y fijos), DBO, acidez y pH, ácidos volátiles, grasas, características
del lodo y olor.
La digestión anaerobia es inhibida por sustancias tóxicas tales como, metales
pesados, exceso de iones NH4+, sulfuros, cianuros, fenoles, concentración alta de
detergentes.
El grado de reducción de los sólidos volátiles depende de la concentración de
materia volátil en el lodo crudo.
En el proceso, el gas (biogas) producido esta compuesto principalmente de metano
(6570% Volumen) y gas carbónico (2530% volumen), conteniendo además en
proporciones ínfimas oxígeno (0-0.3%), monóxido de carbono (2-4%), nitrógeno
(I%), sulfur0 de hidrógeno, hidrocarburos, etc., dependiendo del origen del lodo.
En los Iodos digeridos, la mayoría de los microorganismos patógenos ha sido
destruida, sin embargo, se discute la destrucción de ciertos virus y del bacilo de
Koch.
d) Digestión aerobia
La digestión aerobia de los Iodos (primarios y Iodos activados) es un proceso en el
cual la estabilización de la materia orgánica se lleva a cabo por aereación durante
un extenso período de tiempo, dando como resultado una destrucción celular con
una disminución de los sólidos suspendidos volátiles (SSV).
28
Tratamiento de Ama Residual Industrial
La velocidad de destrucción celular disminuye cuando la relación de alimento
microorganismo (F/M) aumenta (F=DBO, M= SSW.
El principal objetivo de este tratamiento es la reducción del volumen de los Iodos
para su disposición final. Esta reducción resulta de la conversión por oxidación de
parte de las sustancias del lodo en productos volátiles (COZ, NH3, H2).
Si representamos la materia orgánica por CSH~O~N, su oxidación puede ser
representada por la siguiente ecuación:
C5H702N + 502 - + 2H20 + NH3
N H3 Microorganistnos
Los tiempos de residencia en los procesos aerobios son más cortos que los
requeridos por los anaerobios. Esto repercute en una economía en los volúmenes
de los digestores; sin embargo, los costos originados por la energía necesaria para
la aereación pueden ser un factor importante en la elección del sistema de
tratamiento en plantas con grandes flujos de Iodos.
Los Iodos estabilizados aeróbicamente, no desprenden olores, son homogéneos de
color obscuro, y pueden drenarse fácilmente sin dificultad. Sin embargo no es
recomendable almacenarlos por mucho tiempo en forma líquida.
Generalmente, la estabilización aerobia se aplica a los Iodos residuales de
procesos aerobios de aguas residuales.
e) Acondicionamiento de Iodos
Los Iodos tienen un gran contenido de agua: un 90%, si la materia seca es en su
mayor parte orgánica y 70-80% si es mineral. La eliminación de esta agua presenta
problemas debido a las propiedades físicas del lodo, por lo cual es necesario
realizar un tratamiento previo para poder deshidratarlos con mayor facilidad.
Tratamiento de Agua Residual Industrial
Este tratamiento se le ha denominado acondicionamiento de los Iodos y tiene la
facilidad de alterar las propiedades físicas de los Iodos por métodos fisicoquímicos,
convirtiendo la masa gelatinosa y amorfa del lodo en un material poroso que podría
liberar fácilmente el agua que contenga. Los métodos de acondicionamiento
empleados son: químico, térmico, congelación y carga.
fl Deshidratación de los Iodos
En los procesos de deshidratación se alcanza un grado de humedad parecida a la
que se logra con los procesos de espesamiento y secado. La deshidratación de los
Iodos se hace con la finalidad de:
4 Adecuar para su disposición final como relleno sanitario.
O Reducir los costos de transporte.
D Aumentar su potencial calorífico.
Los métodos utilizados para la deshidratación son: centrifugación y filtración
(Lechos de arena, filtración al vacío, filtros prensa y filtros de gravedad rotatorios).
g) Secado de Iodos
El secado de los Iodos es una operación que tiene como finalidad obtener Iodos
con un contenido de humedad menor al 10% para su disposición final (Iodos que
serán utilizados como fertilizantes) o incineración. El lodo secado con cualquier
proceso puede considerarse libre de patógenos y puede ser empacado,
almacenado y transportado fácilmente.
h) Incineración de lodos
La incineración o combustión en seco, es la operación que se lleva a cabo con los
Iodos secados a altas temperaturas, ya sea por si solos o utilizando combustible.
30
Tratamiento de Agua Residual Jndustrial
Este se realiza para disposición final de ellos. Los productos finales de la
incineración son generalmente dióxido de carbono, dióxido de azufre y cenizas,
dependiendo de la composición química del lodo.
Existen dos tipos de incineradores de Iodos: hornos de múltiple efecto y lechos
fluidizados:
i) Disposición final de los Iodos
La disposición final depende de las características fisicoquímicas de los Iodos, así
como tipos de tratamiento previo al que fueron sometidos, las posibilidades y tipo
de terreno que se tenga. Los Iodos pueden ser dispuestos en cualquiera de las
formas en que son producidos, es decir, como Iodos húmedos (crudo o digeridos),
torta filtrada, torta de los lechos de secado y Iodos secados por calor. Estos Iodos
pueden ser distribuidos en terrenos o incinerados, dependiendo de su composición
química y su cantidad generada.
4.8. Generación y tratamiento de biogas
En la fermentación anaerobia de desechos industriales bajo ciertas condiciones de
presión y temperatura, produce gas metano en la cantidad proporcional a la
cantidad disponible de desechos, el uso de este biogas es amplio, se puede usar
en alumbrado, cocina, bombeo de agua, en la industria mecánica y eléctrica, y en
las de secado, destilación, incubadoras y agua caliente, es claro que para utilizar
este recurso en cualquiera de los sectores antes mencionados, se requiere de un
breve tratamiento de acuerdo a su disposición final.
31
Tratamiento de A m a Residual Industrial
4.8.1. Características del biogas.
Un análisis del biogas mediante técnicas de gasometría (Orsat) nos proporciona la
siguiente composición:
Metano 6O-70%
Bióxido de carbono 30-40%
Hidrógeno 5-1 0%
Nitrógeno 4-6%
Acido sulfhídrico trazas
De sus principales componentes, metano y bióxido de carbono, puede deducirse
su poder calorífico tomando en cuenta que representan un alto porcentaje del
biogas.
4.8.2. Purificación de gas.
Resulta comprensible que a humedad menor, la facilidad de combustión es mayor.
El agua puede ser eliminada si pasamos el gas a través de cal viva, aunque con
ello se afecta el porcentaje de bióxido de carbono; por otro lado, siendo la cal un
sólido, no existirá la absorción.
La presencia de bióxido de carbono en el gas presenta al aspecto más grave:
reduce el poder calorífica del combustible, y aun más, aumenta la capacidad de
almacenamiento así como incrementa la presión de los tanques de
almacenamiento. Esto también es causa de baja efectividad en el momento de la
combustión del gas, pues requiere algo del calor producido para elevar su
temperatura de ignición. A pesar de esto, la operación de absorción resulta sencilla
mediante el paso del gas a través de agua de cal. El uso de este absorbente deja
de ser práctico y costeable cuando se trabaja a gran escala, en este, se emplea
sustancias como dietil amina, trietil amina, hidróxido de calcio, carbonato de potasio
e hidróxido de potasio. 32
Tratamiento de Awa Residual lndustrial
El hidrógeno aumenta el poder calorífico del gas, por lo que no es necesario
eliminarlo. Por otro lado, el ácido sulfhídrico se presenta en pequeñas cantidades,
casi imperceptibles, cuando el ciclo de digestión se alarga más de 30 días. Esta
componente afecta cuando el gas se utiliza en la operación de maquinaria, pues
ayuda al deterioro del metal; si el uso que se da al gas es sólo para combustible, la
eliminación del ácido sulfhídrico no es importante.
3 3
Tratamiento de A w a Residual Industrial
S.ESTUDI0 DE MERCADO.
5.1.Balance nacional de agua
Oferta
México recibe 1570 km3 por precipitación y pierde por evaporación 1064 km3, lo que establece la oferta de agua a nivel nacional en 473 km3. Fluyen por cauces y
vasos superficiales 410 km3 y el resto recarga de mantos acuiferos (63 km3 ).
Demanda
En 1999 se usaron 189 km3 de aguas superficiales (40% del total disponible) y 28
km3 de subterráneas (38% del total de recarga), lo que aproxima a la demanda
nacional a 220 km3 anuales.
5.2. Balance en el sector industrial.
El 97% del sector industrial mexicano se clasifica en micro y pequefía industria; la
falta de recurso ha sido siempre un obstáculo en el financiamiento de plantas de
tratamiento de agua, equipos de control e instalación de tecnologia más limpia.
Gráfica 1
El volumen total consumido tanto en aguas superficiales como subterráneas
asciende a 73 km3, de los cuales las industrias que se abastecen directamente de
cuerpos de aguas y descarga a cuerpos receptores utiliza el 2.5 km3 anuales, es
decir, un 3% del total.
34
Tratamiento de Agua Residual Industrial
En cuanto a descargas, la industria genera un IOYO del agua residual total anual, es
decir alrededor de 64.5 m3 /S que incluyen ácidos, grasas, aceites, metales
pesados, compuestos orgánicos y sólidos suspendidos totales, entre otros
contaminantes; con 1.6 millones de toneladas de DBO. Se tiene un caudal tratado
de 0.17 km3/año (5.3 m3/s,8%) y la remoción de solo O. 12 millones de toneladas de
DBO. El caudal sin tratar es de 1.88 km3/año (59.2 m3/s) con 1.28 millones de
toneladas de DBO anuales (92%).
Sin duda la industria con mayor participación relativa en transmisión de carga
orgánica al agua es la azucarera con un 53%, le siguen la elaboración de bebidas y
la fabricación de alcohol con un 10% individual, petrolera, celulosa y papel,
Alimenticia, metálica básica y química con un 5% cada una (gráfica 2). Algunas de
estas industrias están establecidas en zonas con baja disponibilidad de agua, lo que resulta en una sobreexplotación de acuíferos, contaminación de los
ecosistemas y altos costos de oportunidad. Se considera que muchas empresas
podrían utilizar aguas tratadas o grises en sus servicios o procesos, con lo que se
disminuiría la presión ejercida sobre la capacidad de los acuíferos o, en su caso, se
podría aumentar la cobertura del servicio de agua potable en favor del consumo
doméstico.
Gráfica 2
Descargas de contaminantes sobre cuerpos de agua por rama industrial
60 - ~ "
50 -1 40
% 30; 1
20 -; 10 ; O '
Rama industrial
IIAzúcar
C4 Bebidas
DAlcoho
Alimen
Metal básica
1 1
Idos
Química
Celulosa y Papel
C3Otros
35
Tratamiento de haua Residual Industrial
6. ANTECEDENTES DE LA COOPERATIVA PASCUAL
La empresa refresquera Pascual, S.A., se fundó en 1940. Sus primeros productos
fueron el refresco Pascual (El Pato) y Agua Pascual; ésta última era agua
purificada y únicamente permaneció 6 años aproximadamente en el mercado.
Las primeras instalaciones de refrescos Pascual, S.A., se ubicaron en la colonia
Anáhuac; posteriormente en la colonia San Rafael y finalmente se establecieron en
la colonia Tránsito.
Una vez establecida en la colonia Tránsito, a principios de los 50’s la empresa
saca al mercado el refresco LULÚ y a mediados de esa misma década lanza un
producto de cola, llamado MEXI-COLA, el cual permaneció muy poco tiempo en el
mercado, a inicios de los 60’s la empresa gozaba de un gran reconocimiento
dentro de la industria refresquera mexicana; ya que se contaba con instalaciones
en el interior de la República; así como una envasadora en Estados Unidos y otra
en Japón. Fue precisamente por ese tiempo cuando lanza la bebida de frutas
BOING, el que a diferencia del PATO y LULÚ, no tiene gas.
A mediados de los ~ O ‘ S , se tiene contacto con la empresa sueca TETRA-PAK, S.A.
de C.V., cuya política es rentar sus máquinas envasadoras. Basándose en las
negociaciones se logró la exclusividad del envasado TETRA- PAK para el producto
BOING. A finales de los 60’s adquieren la Planta Norte cuyas instalaciones
pertenecían a la empresa refresquera CANADA-DRY; así mismo, adquiere la
franquicia para la elaboración y comercialización de los productos de dicha
refresquera.
En Marzo de 1982, bajo el régimen de López Portillo, nuestra moneda sufrió un
deslizamiento frente al dólar; por lo que el gobierno decretó un aumento emergente
a los salarios, todas las empresas acataron esa disposición no así en refrescos
Pascual, por lo que el 18 de Mayo de ese mismo año los trabajadores deciden irse
a huelga.
36
Tratamiento de Agua Residual Industrial
En Agosto de 1984 el presidente Miguel de la Madrid en conjunto con los
trabajadores de la refresquera Pascual acordó que se adjudicaran los bienes de la
empresa Pascual a favor de los trabajadores comprometiéndose a trabajar en
Cooperativa. Desde entonces adquiere el nombre de Sociedad Cooperativa
Trabajadores de Pascual (SCTP).
37
Iratamiento de Agua Residual Industrial
7. LOCALIZACIóN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES
Todas las industrias generan aguas residuales, sin embargo no todas tienen un
sistema de tratamiento y/o reutilización, así que simplemente son vertidas a los
depósitos municipales, con la suposición de que cumplen con la NOM-002-ECOL-
1996, la cual establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las
descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado.
En particular se estudió el caso de la SCTP Sur (existen dos más, una en el Norte
de la Ciudad de México y otra en la zona industrial de Querétaro) la cual genera
una gran cantidad de aguas residuales con altas concentraciones de materia
orgánica que son descargadas al drenaje y que en teoría cumple con la NOM-002-
ECOL-1996. Además existe un desperdicio considerable de agua natural, “limpia”,
que se une al gran caudal de agua residual y de acuerdo a nuestras
consideraciones, esta debería de someterse a un tratamiento para obtener agua
de tal calidad que pudiera reutilizarse en algún punto de la planta.
Hemos decido implementar la Planta Tratadora de Agua Residual (PTAR) en las
instalaciones de la SCTP Sur, considerando que los gastos que implicaría el
transporte del efluente y a su vez el del agua tratada impactaría en gran medida
los costos de diseño y operación. Por lo tanto la PTAR estará situada en la Col.
Tránsito en las calles de Clavijero esquina con Lorenzo Bouturini, Delegación
Cuauhtémoc, cuyas coordenadas geográficas son: Latitud 19O25’ Norte. Longitud
99O8’ Oeste.
Como se aprecia en el figura 5, esta localización cuenta con todos los servicios y
excelentes vías de comunicación, resultando muy conveniente la instalación en
este punto geográfico.
38
Tratamiento de A m a Residual Industrial
Aún cuando todos los diseños de la PTAR se hacen basándose en la problemática
de la planta Sur, no se descarta la posibilidad de adaptarlos o corregirlos en
primera instancia para cualesquiera de las sucursales de la SCTP, así como para
la industria refresquera en general.
39
Tratamiento de ,4aua Residual Industrial
8. CAPACIDAD DE LA PLANTA
Para determinar la capacidad de la planta es importante mencionar que ésta es
cautiva de la producción. Es conveniente puntualizar que la planta del Sur genera
diversos productos: el agua embotellada Pascual, la bebida Boing en sus tres
presentaciones, TETRA PAK, TRETA BRlK y botella; los refrescos con gas LULÚ y
Pascual.
La Planta del Sur cuenta con un pozo con el cual cubre sus necesidades de agua
extrayendo un flujo intermitente de 1483.37 m3 por día, de los cuales el 52 % se
emplea en las líneas de producción, el 13.2 % en calderas y el 34.8 % se destina a
servicios generales.
De acuerdo a los datos reportados desde 1995, la cantidad de efluente de la línea
de producción representa aproximadamente el 30 % de la producción total, y esta
cantidad unida al efluente del área de servicios generales que es aproximadamente
un 65% del agua utilizada en este punto, nos da el efluente total a tratar, que es
alrededor del 46.4% del total de agua que entra a estas dos áreas. Para este
sistema de tratamiento no consideramos el efluente del área de calderas, debido a
su casi nula contaminación, sin embargo proponemos que sea reutilizada, tratada
con el sistema previo a la entrada.
En la Tabla 7 - Gráfica 6 muestran datos anuales de producción de refresco sobre
la base del agua empleada, así como el efluente total anual generado por esta
empresa
Tabla 7 Año Efluente Total(m3) Efluente de la línea Producción total (m3)
de moducción (m3) 1995
79650.38 31440.94 104 803.1289 1996 99167.04 39144.88 130 482.9496
1997
1 63539.83 64555.20 215183.9897 2000 1 22227.33 48247.63 160 825.4324 1999 87804.56 34659.70 1 1 5 532.322 1 1998 83486.35 32955.14 1 O9 850.4621
40
Iratamiento de Atwa Residual Industrial
Gráfica 3
Efluente anual (m3 m i e n relación la Produccion de refrescqm3 de agua/ año)
m Producción total Efluente total
Se estima que la producción de la planta en el año 2000 será de 215183.9897 m3 y
fijando nuestra atención únicamente en las tendencias (producción - desecho) que
se han dado en los últimos años, no se descarta la posibilidad de alcanzar la
capacidad máxima de planta Sur de Pascua1 en 5 años, que es de 250 O00 m3 /
año de agua convertida en producto, con lo cual se generaría un efluente de 75,000
m3/año, solo de la línea de producción, pero unido a la salida de servicios seria un
total de 1151 17.91 m3.
Considerando que la planta no puede exceder su límite de producción,
determinamos que la capacidad máxima de la PTAR será de 190,000 m3/año.
41
Tratamiento de Ama Residual Industrial
9. DETERMINACIóN DE PARÁMETROS DE CALIDAD
Se analizó el efluente de la SCTP de acuerdo a los procedimientos establecidos en
las Normas Oficiales Mexicanas, considerando los contaminantes característicos
de las descargas de la industria refresquera, mostrándose los resultados en la
tabla 8
Tabla 8 1 Parametros Norma de Calidad Valor Establecidoi encontrado
Valor '
(mgm 6.9 - 8.5 I 7.9
I I
27OC - I Ph NMX-07-1980
NMX-08-1980 I TemDeratura 1 Grasas v aceites NMX-05-1980 92 I O
I
NMX-93-1984 Conductividad Eléctrica
81 O um hos/cm
~ 0 . 0 0 6 ~ O,.? , 0.074 co.01 0.05
~ L
NOM-58-1 982 NOM-51 -1 981
1 Cromo Hexavalente NOM-44-I 981 1 Mercurio NOM-51 -1 981 co.02 I O
NOM-51 -1 981 0.2635 I O NOM-40-1 993 NOM-39-1 980 1 SAAM
1 DQO NOM-30-1 981 1 DBO NOM-28-1 981 833 I 2.5 I 1 Sólidos Totales Sólidos DisDersos
10135 I 511 NOM-34-1 981 - NOM-20-1 981 NOM-20-1 981 6080 +-Go 1 Sólidos Volátiles NOM-20-1 981 Sólidos Fijos
1 Sólidos NOM-34-1 981 c0.02 1 [Suspendidos -___ "" _ _ ~ __
42
Tratamiento de Agua Kesidual Industrial
9.1 Principales parámetros para caracterizar un efluente.
DBO - Demanda Bioquímica de Oxígeno: Es una medida de la materia orgánica
presente en el efluente y que es capaz de ser oxidable por procesos biológicos,
esta expresada en mg de 0 2 / I requeridos para la oxidación bioquímica usualmente
incubada en 5 días a 2OoC , llamada entonces DB05.
DQO - Es una medida de los compuestos orgánicos oxidables químicamente por
dicromato de potasio, esta expresada como la cantidad de 0 2 en mg/l requerida
para la oxidación química del efluente bajo condiciones específicas. Generalmente
el DQO es mayor que el DBO.
SST - Sólidos Suspendidos Totales: Este parámetro da información de la
composición y el efecto contaminante de los efluentes.
ST- Sólidos Totales: Es la suma de los sólidos contenidos en el agua mas las
sustancias disueltas en ella.
pH: Aún cuando se presenta en un amplio rango de variación, los valores mas
comunes se encuentran entre 5 y 1 1, siendo el óptimo para su descarga entre 6 - 8
unidades.
43
Tratamiento de Ama Residual Industrial
I O . PUNTO DE CONSUMO
El punto de consumo es la etapa dentro del proceso en donde se requiere el
suministro de una materia prima, en este caso el agua.
Debemos por lo tanto, realizar un estudio del proceso e identificar:
a) El ó los puntos que pueden abastecerse con Agua Residual Tratada
(ART).
b) Las características del agua para el punto determinado.
c) La cantidad de ART para cubrir totalmente o en su defecto de manera
parcial la demanda de dicho punto.
Figura 6 Diagrama general de la ruta del agua
Diagrama de proceso
l. - 3. - 5. - 7 . -
y U
Pozo de suministro. 2. - Planta refresquera. Calderas. 4. - Línea de producción. Servicios generales. 6. - Tuberías y equipo de Regaderas, Sanitarios, lavabos, etc. A.N.: Aguas negras
lN.1 proceso.
A.
44
‘I‘ratamiento de Agua Residual Industrial
En la figura 6 observamos que se extrae de un pozo cubriendo las necesidades de
la planta: calderas, producción de refresco y servicios generales, ocupando el 13%,
52% y 35% del agua extraída respectivamente. Generándose agua residual de
cada uno de estos puntos en mayor o menor porcentaje; de servicios generales
sólo se considera el AR de lavado de tuberías, equipo de proceso, pisos y equipos
de transporte, en tanto que los servicios personales como son sanitarios y
regaderas generan las llamadas aguas negras.
El agua que se utiliza para calderas permite la generación de vapor o energía. En
general, la calidad del agua debe ser tal que no deposite sustancias incrustantes,
no corroa al metal de las calderas o de las líneas de conducción y no ocasione
espumas. Un agua de tales características es difícil de encontrar en estado natural,
por lo que las condiciones de calidad se logran mediante tratamiento, pero
considerando el hecho de que esta agua sale del proceso casi limpia optamos por
separarla de la corriente de agua residual a tratar, evitando de esta manera tener
un volumen mayor de agua residual y por supuesto diluido.
En cuanto al agua para proceso, es decir la que se incorpora en la manufactura del
producto, o que pasa a formar parte del producto terminado, o el agua empleada
como medio de transporte de los productos. La calidad del agua requerida para el
proceso debe ser de calidad comparable a la del agua potable, para la industria
refresquera la calidad de agua demandada esta definida en normas específicas.
Cuando hablamos del agua en servicios generales, nos referimos al uso de ésta
para la limpieza de las instalaciones, servicios sanitarios, usos personales y en
ocasiones riego de áreas verdes. El agua para servicios requiere de cierta calidad,
sobretodo cuando se emplea para usos personales, la calidad debe de ser potable.
En principio, de manera independiente al punto de consumo elegido, el ART deberá
de ser de una calidad considerada como potable, pero definitivamente aún cuando
el ART alcance este nivel (sin considerar los gastos que esto implicaría) no podría
ser reutilizada en el área de producción ni en servicios personales, por simple
45
Tratamiento de A w a Residual Industrial
recelo social; únicamente podrá ser destinada a calderas y/o servicios generales
como lavado de patios, equipos y automóviles.
Pero las calderas serán abastecidas casi en su totalidad con la corriente que salga
de ese punto, considerando su casi nula contaminación se llevará a un tratamiento
menor que el aplicado en su primer entrada.
Considerando los puntos anteriores, la mejor opción es enviar el ART a servicios
generales, abasteciendo de esta manera la demanda en ese punto, la cantidad de
ART no cubrirá en su totalidad la demanda por lo que será necesario extraer una
pequeña cantidad de agua natural, para suplir completamente la demanda.
La’calidad del efluente terciario que será producido por la PTAR tendrá que cumplir
con los parámetros que se encuentran dentro de la norma de agua potable. (Tabla
9).
46
Tratan~iento de Amla Residual Industrial
Calidad físico, química y biológica de agua potable
Tabla 9 j Parámetros i ~
Tunidades I
__ ."" ". .
Norma de agua] potable ~
I I
F ísioo PH 16.9-8.5 Color
1 Químicos 1 Sólidos Disueltos T mg/l 51 O Sólidos Suspendidos mg/l 1 -4 51 1 mg/l Sólidos Totales
81 O i Mhqb/cm Conductividad eléctrica 10 UTN Turbidez 20 Pt/CO
1 Grasas y aceites mg/l 1 Dureza Total mg/l (CaC03) I Cloruros ma/l ! DB05 Total i mg/I LDQO Total 1 mg/l Nitrógeno amoniacal mg/l Alcalinidad total mg/l (CaC03) Cianuros ma/l 1 Cobre
i Cromo Hexavalente --"--- I Plomo mg/l ! so1 ma/l Zinc I mg/I Fósforo Total mg/l
l mall 1 Man aneso *os
o. 1 0.5
Contaminantes orgánicos 0.2 Maanesio 50
I
:o0 "----j 250 i 2.5 4 O. 5 I 400 0.02 i
"I 1.5 1 0.05 I
:$ 5 I 0.5 1 O. 5 " "J
Biológicos Coliformes Fecales Colonias/l O0 ml O Coliformes Totales O "---- Colonias/l O0 ml
47
I
48
Tratamiento de A m a Residual Industrial
I 1 .I Análisis funcional
El análisis funcional es un método que se ubica dentro de lo que es el desarrollo y
diseño de procesos. Consiste fundamentalmente en realizar un análisis de cada
una de las operaciones y de los equipos en que se realizan para un proceso dado.
(Tabla IO)
Tabla I O . I
Coagulador
Neutralizador
Reactor biológico
Clorador
Función
Elimina el 100% de SS, el 80% de SO4 y del 6O-8O% de metales.
Permite mantener el pH en el rango deseado
Degrada la materia orgánica, reduciendo el 10% de SS, del 80- 95% el DBO y del 7-10% los SO4.
Destruye organismos patógenos
Relación con el proceso olobal Logramos un alto grado de limpieza Eleva el pH hasta 11.5
Mantiene un PH establecido para la alimentación del reactor
Reduce los niveles de materia orgánica soluble
Alcanza calidad potable
En esta tabla se especifica cada una de las acciones realizadas en el sistema empleado, verificando que con el uso de estos equipos se alcanza el objetivo "agua limpia".
49
Tratamiento de Agua Residual Industrial
12. MATERIALES Y MÉTODOS
En este capítulo se presentan los materiales, metodología y técnicas analíticas
usadas en el desarrollo de este trabajo para el estudio del reactor biológico
implementado.
12.1 Inoculos.
Se utilizó un lodo floculento proveniente de la Planta Piloto de Tratamiento de
Agua Residual de la UAM Iztapalapa. De acuerdo a la bibliografía estos
microorganismos se clasifican como Archaeobacterias, cuya fisiología fue descrita
en el capitulo 4.
Estas bacterias fueron recolectadas en frascos cerrados y obscuros,
manteniéndose a una temperatura de 3OC en tanto que no fueran inoculadas en el
reactor. Una vez utilizadas, se deben mantener a una temperatura
aproximadamente de 35OC (temperatura optima para su funcionamiento).
Los microorganismos fueron observados al microscopio óptico, siendo imposible la
percepción de éstos, debido a que son de un tamaño aproximado de 10-70 micras,
no obstante para obtener mejores resultados se requiere un microscopio
electrónico de barrido (MEB).
12.2 Soporte
La principal característica de estos reactores, es la utilización de microorganismos
inmovilizados en soportes inertes, donde se forman una película microbiana de
tamaño uniforme, sometida a un flujo tal que se evite el arrastre de bacterias.
De la literatura se reportan algunos soportes factibles para el cultivo de
microorganismos, dentro de los cuales destaca la arena de mar, que se considera
un sólido en el cual se facilita la formación de biopelículas en lechos fluidizados en
tratamientos de aguas, el cual tiene las siguientes características:
50
Tratamiento de Agua Residual Industrial
Arena de mar
D Sólido no poroso
Q Densidad = 1.4 g/cm3
3% Diámetro promedio = 0.03085 mm
12.3 Reactor tubular
En la figura 6 se muestra el sistema utilizado, que consiste en un reactor tubular de
acrílico, con un diámetro interno de 5.6 cm y un volumen de 3000 ml, dos bombas
peristálticas, un recirculador que mantienen la temperatura de un baño térmico de
35 a 4OoC y un serpentín dentro de dicho baño que facilita la transferencia de calor.
r Entrvldo I i
I ' /
Salido
Alimentoción
51
'Tratamiento de A w a Residual Industrial
12.4 Análisis hidrodinárnico
Para determinar la velocidad mínima de fluidización (la transición de lecho
empacado a fluidizado) se empacaron 33.5 cm de altura del reactor con arena y se
inició el flujo de agua a través del lecho. Se aumentó la velocidad del fluido hasta
que el soporte presentó en expansión total, disminuyéndose gradualmente la
velocidad del flujo de entrada, induciendo el acomodo uniforme de las partículas de
arena, una vez con el lecho empacado se dejo reposar 48 horas, obteniendo por
consiguiente un lecho compacto.
Se inicia el flujo de agua, incrementando la velocidad del flujo paulatinamente y
determinando el flujo volumétrico, la altura y la velocidad del fluido. Estos datos se
encuentran en la tabla I 1 de Resultados (Capitulo 13).
12.5 Arranque y estabilidad.
Para la etapa de arranque se adicionaron alrededor de 500 ml de bacterias
operando a circuito cerrado. Alimentándose una solución concentrada de pulpa de
fruta. Para disminuir el tiempo de inoculación se recomienda alimentar con
bacterias frescas, extrayendo la misma cantidad de Iodos que fueron alimentados.
Una vez que las bacterias se han inmovilizado en el soporte, se puede constatar
de manera visual cuando el soporte presenta un color homogéneo similar al de los Iodos (gris oscuro), indicando que ya se ha formado la película microbiana,
entonces se extraerá el exceso de microorganismos y arena no depositada en el
fondo y se alimentará 0.6 L/h de agua residual con una DQO de I000 mg/L
teniendo así, un tiempo de residencia de 6 horas y una recirculación de 1.3.
Para la determinación de la cinética de degradación de materia orgánica, se hizo
de manera teórica. No obstante se hizo una revisión de los principios para la
evaluación de la cinética de reacción experimentalmente (Apéndice A)
52
Tratamiento de Agua Residual Industrial
12.6 Análisis fisicoquímico y biológico
Los parámetros determinados son los que se muestran a continuación.
a) Sólidos suspendidos totales, fijos y volátiles.
b) PH c) Demanda Química de Oxígeno (DQO) total.
d) La cantidad de biogas producido y su composición.
e) La cantidad de biomasa generada e inmovilizada.
f) La cinética de reacción.
El análisis fue mediante los Métodos estándar de análisis de la calidad del agua
53
Iratamiento de ,4Wa Residual Industrial
13. RESULTADOS EXPERIMENTALES
13.1. Hidrodinámica
Los datos obtenidos del estudio hidrodinárnico se encuentran en la tabla 11. En
esta tabla podemos observar que la velocidad mínima de fluidización es de 0.0156
cmls.
Tabla 1 l. Datos de velocidad superficial experimental.
59.5 52.8
0.367 9.04 0.301 7.41
49 43.3
0.254 6.25 0.19 4.68
I 38.1 I 3.39 1 O. 138 I L
27.9 0.382 27.8
o. o99 2.44 0.01 56
I 27.8 1 0.246 I 0.01 I
Gráfica 3. Datos de velocidad superficial vs. Altura del lecho. 65 I 1 I
velocidad superficial (cm/s)
54
Iratamiento de Agua Residual lndustrial
Gráfica 3'. Acercamiento de la gráfica 3, en la
región de velocidad superficial estable.
38
0.0 0.1
velocidad superficial (cm/s) o .2
13.2 pH
Las bacterias trabajan con mayor eficiencia bajo condiciones neutras de pH, esto
es en el rango de 6.5 a 8.2. Fuera de este rango se reduce la capacidad para
degradar la materia orgánica, lo cual detiene el metabolismo de digestión.
En la gráfica 4 se muestran los valores reportados de pH del reactor desde el día
de su arranque. Debido a fallas en la operación del reactor, éste se acidifico, con lo
cual la vía metabólica de digestión se detuvo en la etapa acidogénica, sin alcanzar
la metanogénesis, disminuyendo por lo tanto la producción de metano. Para
mantener el pH optimo se monitoreo, adicionando en caso necesario una solución
de hidróxido de sodio 1 N, en una proporción de 1 ml de NaOH por cada litro de
agua contenida en el reactor.
- Tratamiento de Agua Residual Industrial
PH
Gráfica 4. Variación del pH. 9 1 I I I I
8 I' .-¤ .,*m - i / /
m I- m...
\ i
.-.--m+ 'd
~
i
I 7 - -
, I
I I 1
1 I
6- - I I
,,.m ! m m ' .' ,...
5- I /
m -
I I I I I
O 10 20 30 40 50 Tiempo (días)
13.3 DBO, DQO, Biomasa y Biogas producido.
DBO
2.765 1280 1920
3.024 1400 2100
cm3/min mg/l mg/l
Biogas Biomasa DQO
1500 2.16 1000
Existe una relación entre la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la Demanda
Bioquímica de Oxígeno (DBO), debido a que estas representan la cantidad de
materia orgánica e inorgánica en el agua.
DBO = 1.5 DQO
Esto es entendible ya que el DQO solo esta en función de la materia orgánica, en
tanto que el DBO contempla a toda la materia, orgánica e inorgánica.
56
'Tratamiento de Agua Residual Industrial
13.4 Cinética de degradación de materia orgánica
Existe una ecuación empírica que describe la degradación de la materia en
términos de la cinética de las enzimas esto es la ecuación de Monod y que
representa la variación general de la velocidad de crecimiento con la concentración
de sustrato excepto bajo las condiciones inhibitorias de concentración alta.
k SX LLS m a dt K + S
- - ~~
S
en donde
dS/dT = tasa de crecimiento de microorganismos, mg/L*d
kmsx = tasa máxima de crecimiento especifico gr DQOlg SSV* día
S = concentración de sustrato (en contacto con biomasa) mg/L.
X = concentración de biomasa, mg/L.
Ks = concentración de saturación media, mg/L.
En teoría, tenemos que para condiciones de un proceso anaerobio a T = 35OC, un
DQO = 1000mg/L y pH = 6.5-8.2, las constantes de reacción son:
kmáx = 6.67 días"
K = 164 mg/L.
13.5. Resultados Generales
Flujo volumétrico 1 296 m/h Velocidad al 20% de expansión 23.4 m'/h
I Tiemrso de retención hidráulico 16.69 h I Recirculación
I
11.3
57
‘Tratamiento de Agua Residual l~~dustr ia l
14. DlMESlONES DE EQUIPO Y ACCESOCIOS
Tanques atmosféricos:
Coagulador 4 895 1.56 1.32 I 1 .O4 Contenedor del coaaulante
31 225 3.34 13.00 I 2.23
Tanque de almacén de
172 500 6.63 5.42 78.27 Reactor biolóaico (2) 4 895 1.56 1 .O4 1.32 Tanque de almacén del HCI
sólidos coagulados 4 525 1.51 1 1.20
Tanque de almacén del I NaOH I I 2.44 I 4 4101 Contenedor del biogas
25 O00 5.63 3.75 11.70 Clorador (21 0.23 0.15 4.35E-3 x
Tanque de almacenamiento del cloro 1-32 I 4 895 I Accesorios: Bombas, válvulas y tuberías.
Bombas (5) 1 230 Válvulas Check (3) 2200 1/25 hp
Válvulas de bola (3) 600 Válvulas niveladoras (5)
251 m DI= 5 cm Tubería de línea 1 800
251 m DI= 5 cm Tubería de línea 3 151 m DI= 1 cm Tubería de línea 2
Tubería de línea 4
251 m DI= 5 cm Tubería de línea 6 151 m DI= 1 cm Tubería de línea 5 251 m DI= 5 cm
Tubería de línea 7 301 m DI= 8 cm Tubería de línea 8 251 m DI= 5 cm
Tubería de línea 9
301 m DI= 8 cm Tubería de línea 13 251 m DI= 5 cm Tubería de línea 12 251 m DI= 5 cm Tubería de línea 1 1 251 m DI= 5 cm Tubería de línea 1 O 301 m DI= 8 cm
DI = Diámetro interno
58
Tratamiento de Agua Kesidual Industrial
15. EVALUACI~N ECON~MICA
15.1 Inversión
Equipo 25 480 Equipo accesorio
424 775
I Total I 450 255
15.2 Producción
[ Materia prima 55 O00 Servicios 150 O00
Vapor Electricidad Agua de enfriamiento
4 técnicos 1 Ingeniero
Mano de obra directa 261 600
Costos indirectos 165 O00 I
Gastos generales I 88 200 I I Total I719 800 1
Tratamiento de A m a Residual Industrial
15.1 Recuperación
En este punto se considera principalmente el costo por extracción, referido en el
APÉNDICE A
Una vez iniciado el funcionamiento de la planta
I 286 159.68 I 2 752 856.1 I 2 383 069.6 I
60
Tratamiento de Agua Kesidual Industrial
I I . CONCLUSIONES
El reactor que ofrece más ventaja según el estudio realizado es el RLF, ya que
tiene una remoción del 80 al 90% de la materia orgánica, que es mayor a la
presentada por cualquier otra configuración.
El proceso es de tipo anaerobio el cual minimiza inversiones energéticas y
monetarias, debido a que no requiere inyección adicional de oxígeno, además de
proporcionar una fuente de energía con la producción de metano.
El sistema contribuye en gran medida a disminuir el problema planteado en este
trabajo, debemos recordar que el problema de la falta de agua esta muy ligado al
problema económico, y dentro de este contexto la planta de tratamiento se ubica
perfectamente, ya que una de sus principales virtudes es el bajo costo de
implementación y mantenimiento.
Además de la razón anterior las ventajas que ofrece la implementación de la planta
de tratamiento propuesta, son claras, aún cuando se tenga que pagar la inversión
de la PTAR disminuye de manera notable el monto a pagar por la explotación del
subsuelo, con lo cual se reduce de manera satisfactoria el capital empleado en la
producción de refrescos.
111. SUGERENCIAS PARA PROYECTOS FUTUROS.
Una investigación del uso del agua dentro de una planta de proceso, mostrará
áreas donde se pueda lograr ahorros en el uso de agua. Como el agua que pasa a
través de un proceso tiende a terminar en el tratamiento de aguas residuales ó en
el sistema de eliminación, una reducción en el uso del agua en la planta reducirá
también la carga sobre el sistema de aguas residuales y por tanto sus costos de
operación.
61
Tratamiento de Agua Residual Industrial
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Química. México.
Tratamiento Anaerobio. IV Seminario-Taller Latinoamericano Sobre Tratamiento
Anaerobio De Aguas Residuales. Red Colombiana De Biotecnología Ambiental.
Universidad Industrial De Santander. 1996. Colombia.
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IV. APÉNDICE A
A.1. Determinación de parámetros fisicoquímicos.
A.l .I .Sólidos totales, fijos y volátiles.
Se determinarán sólidos totales (ST), fijos (SF) y volátiles (SV) según los métodos
estándar de muestre0 (1988). Estos últimos se expresan como sólidos volátiles
inmovilizados (SVI) y se relacionan con los ST que se expresan como sólidos
totales inmovilizados (STI) para determinar de esta forma la fracción de material
orgánico de la biopelícula (SVI/STI).
A.1.2. pH
Se toma una muestra de 25 ml de efluente con pipeta volumétrica y se colocan en
un vaso de precipitados y se someten a agitación. Se mide el pH de la muestra con
la ayuda de un potenciómetro y se registra.
A.1.3.Demanda Química de Oxígeno.
Se toman 5 ml de muestra y se colocan en un vaso de teflón, adicionando los siguientes compuestos y soluciones en el orden que a continuación se presenta:
I .- O. 1 gr de HgS04.
2.- 0.5 ml de una solución Ag2SOdH2S04 0.25 N
3.- 5ml de K2Cr407/H20 0.25 N.
4. - 7 ml Ag2S04/H2S04 0.25 N.
66
Tratamiento de A m a Residua! Industri&
Se introducen en un horno de microondas por 10 minutos al 45 YO de operación.
Posteriormente se aforan con 50 ml de agua desionizada. Se titula con Fe(NH4)S04
0.25, usando ferroín como indicador.
DQO (mglL) = ( a - b ) 8 0 0 0 * ~ . F
m
en donde:
a: volumen de sulfato ferroso amoniacal para el testigo
b: volumen de sulfato ferroso amoniacal para la muestra
c: normalidad del sulfato ferroso amoniacal
m: volumen de muestra
t: volumen de sulfato ferroso amoniacal para la normalización.
F = factor de dilución (m1 aforados / ml muestra)
A.1.4. Demanda Bioquímica de Oxígeno
Se determina el porcentaje de dilución de acuerdo al siguiente criterio: de 0.1 a
1.0% para desechos industriales concentrados, 1 a 5% de agua de desecho no
tratada, de 5 a 30% para efluentes de tratamiento biológico y 25 a 100% para
aguas de río contaminadas y para efluentes de tratamiento terciario.
Para prepara las diluciones en botellas de DBO, agregar el volumen de muestra
deseado y aforar con agua de dilución, Tapar las botellas herméticamente y no
permitir burbujas de aire en su interior, e incubar por cinco días a una T = 20°C.
Preparación de agua de dilución: Adicionar por cada litro de agua, 1 ml de cada
una de las siguientes soluciones: Amortiguadora de fosfatos, MgS04, CaC12 y
FeC13.
Blanco de agua de dilución: Usar un blanco de agua de dilución como una medida
de la calidad del agua de dilución no inoculada y limpieza de los frascos de 67
Tratamiento de A w a Kesidual Industrial
incubación. Junto con cada grupo de muestras incubar una botella de agua de
dilución sin inocular. Determinar el oxígeno disuelto inicial y el oxígeno disuelto
final. El oxígeno consumido no debe ser mayor de 0.2 mg/l y preferentemente no
más de 0.1 mgll.
Determinación de oxígeno disuelto. Usar un oxímetro para determinar el oxígeno
disuelto inicial y final tanto de las muestras, como del testigo y el blanco.
La determinación de DB05 es mediante la siguiente expresión matemática:
en donde:
ODi = Oxígeno disuelto de la muestra diluida, después de la preparación (mg/l)
ODf = Oxígeno disuelto de la muestra diluida, después de 5 días de incubación a
20°C (mg/l).
V = Fracción decimal volumétrica de muestra usada ( YO )
A.1.4. Tiempo de retención hidráulico (TRH)
Es el tiempo necesario para el recambio del volumen total del reactor.
en donde
V = volumen (L)
Q = caudal del influente (L/día)
68
Tratamiento de Agua Residual Industrial
A.l S . Cuantificación de biogas
De acuerdo al funcionamiento del sistema, se puede cuantificar el biogas de
manera experimental, al obstruir la salida del gas, provocando un incremento en la
presión dentro del reactor, implicando un desplazamiento del nivel de líquido.
Consideraciones:
Gas ideal
P constante = 590 mmHg
T constante = 300 O K
ni9 4
v = h
Estado 1:
PIVI= RnlTI
Estado 2:
P2V2= Rn2T2
Estado 2 - Estado 1 :
Combinando la ecuación (1) y (3) tenemos:
Tomando de referencia:
nl = O
hi = O
Entonces:
69
Tratamiento de Agua Residual Industrial
donde:
n2 = cantidad de moles acumulados
L = distancia desplazada
Para determinar la tasa de producción de biogas (N) en un intervalo de tiempo (1):
70
'Tratamiento de Agua Residual Industrial
v. APENDICE B
B.l Diámetro para líneas con líquido:
ds = 0.619( t)'l Re = 50.60.639( :$]
64 Re
f = ~~ para flujo laminar Rec2000
37530 16
B = ( -iF)
M,,,, =0.0216* f *p*Q2 Jd'
en donde:
ds = diámetro interno superficial (in)
di = diámetro interno (in)
D = diámetro normal (in)
Q = flujo volumétrico (GPM) 71
Tratamiento de Agua Residual lndustrial
v = velocidad recomendada del fluido (Ws)
p = densidad del fluido (Ib/ft3)
p = viscosidad el fluido (cp)
E = factor de rugosidad (ft)
APl0o = caída de presión (psi)
6.2 Calculo del área del reactor
En donde
Areactor = (m2)
= velocidad mínima de fluidización (m/h)
Q = flujo volumétrico (m3/h)
B.3 Calculo de la razón de recirculación
v2''' = a velocidad de fluidización al 20 % de expansión (m/h)
= área de reactor (m2)
7 2
Tratamiento de Anua Residual Industrial
6.4 Calculo del volumen del reactor
H+l
en donde:
Q = Flujo volumétrico (m3/Concentración de A que entra al reactor (mg/l)
V = Volumen del reactor (m3/h)
R = Tasa de recirculación
-rA = tasa de reacción
B.5 Calculo de las dimensiones de tanques atmosféricos
V = A * h
A = x ?
D = 2 r
Usando la relación:
h = 1.5 D
73
Tratamiento de Agua Residual Industrial
VI. APÉNDICE c
De acuerdo a la Ley Federal de Derechos en materia de agua:
TITULO I I De los derechos por el uso o aprovechamiento de bienes del dominio
público
CAPITULO Vlll AGUA
ARTíCULO 223 Por la explotación, uso o aprovechamiento de aguas nacionales a
que se refiere este Capítulo, se pagará el derecho sobre agua, de conformidad con
la zona de disponibilidad de agua en que se efectúe su extracción y de acuerdo con
las siguientes cuotas: ...
A.- Por las aguas provenientes de fuentes superficiales o extraídas del subsuelo, a
excepción de las del mar, por cada metro cúbico: ... ..
El DF se encuentra dentro de la zona 1, esta es una zona de baja disponibilidad de
agua, en la cual se pagan:
$ 9.6 por metro cúbico.
Calculo del monto a pagar
M = e * p
Donde
M: monto a pagar ($/año)
e: cantidad de agua extraída (m3/año)
p: pago por cada metro cúbico extraído ($)
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