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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
“Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica en un
reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida¨
AUTOR(ES):
Arellano Romero Jocelin Carolina
Chiliquinga Castillo Katherine Andrea
TUTOR:
Ing. José Cárdenas Murillo MSc.
Guayaquil, Agosto de 2017
1
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
PROYECTO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA OPTAR POR EL TÍTULO
DE INGENIERO QUÍMICO
“Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica en un
reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida¨
AUTOR(ES):
Arellano Romero Jocelin Carolina
Chiliquinga Castillo Katherine Andrea
TUTOR:
Ing. José Cárdenas Murillo MSc.
Guayaquil, Agosto de 2017
I
ANEXO -10
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIAS Y TECNOLOGÍA FICHA DE REGISTRO DE TESIS
TÍTULO Y SUBTÍTULO:
“Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica en un reactor aeróbico de
lecho suspendido con biomasa adherida¨
AUTOR/ES:
Arellano Romero Jocelin Carolina
Chiliquinga Castillo Katherine Andrea
TUTOR:
Ing. José Cárdenas Murillo MSc.
REVISORES:
Docente Revisor 1
Docente Revisor 2
INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil FACULTAD: Ingeniería Química
CARRERA: Ingeniería Química
FECHA DE PUBLICACIÓN: N° DE PÁGS.:
ÁREA TEMÁTICA: 3303 Ingeniería y Tecnología Químicas
PALABRAS CLAVES: tratamiento de aguas, experimentación, biomasa adherida, DQO,
SBR, agua residual, lecho suspendido, soporte kaldnes.
RESUMEN
En el presente trabajo se utiliza un reactor biológico aerobio de mezcla completa, la biomasa
se encuentra en un lecho suspendido y adherido a un soporte plástico tipo kaldnes, el reactor
trabaja en discontinuo (SBR), Sequencing Batch Reactor, el sustrato utilizado es un agua
sintética preparada con glucosa, nutrientes inorgánico y la biomasa fue preparada con
bacterias selectivas.
II
Para el desarrollo de la biopelícula se utilizó un soporte de polietileno tipo kaldnes de alta
densidad. La densidad de estos soportes es de 0.95 g/ cm3 y un área específica de
300 𝑚2/𝑚3 lo que proporciono el desarrollo de la biomasa.
La eficiencia de la remoción del sustrato fue determinada mediante el decaimiento de la
Demanda Química de Oxigeno con relación al tiempo dando los siguiente resultados: el
45.98% en 6, el 50.65% en 8 días, 91.07% en 20 días. Se monitorearon parámetros como el
Potencial de hidrogeno, el Oxígeno disuelto y la Temperatura.
N° DE REGISTRO (en base de datos): N° DE CLASIFICACIÓN:
DIRECCIÓN URL (tesis en la web):
ADJUNTO PDF SI
NO
CONTACTO CON AUTORES: Teléfono:
0919069906
0978620154
E-mail:
CONTACTO DE LA INSTITUCIÓN Nombre:
Teléfono:
III
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
CERTIFICADO SISTEMA ANTI PLAGIO
Habiendo sido nombrado Ing. José Cárdenas Murillo MSc., tutor del trabajo de titulación certifico que el presente proyecto ha sido elaborado por Jocelin Carolina
Arellano Romero, C.I.: 091906990-6, Katherine Andrea Chiliquinga Castillo C.I.: 060540970-5, con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la
obtención del título de INGENIERO QUIMICO.
Se informa que el proyecto “Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida¨, ha
sido orientado durante todo el periodo de ejecución del programa antiplagio (URKUND) quedando el 6% de coincidencias.
___________________________________
Ing. José Cárdenas Murillo MSc.
IV
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR.
Habiendo sido nombrado JOSÉ CARDENAS MURILLO, tutor del trabajo de
titulación certifico que el presente proyecto ha sido elaborado por Jocelin Carolina
Arellano Romero, C.I.: 091906990-6, Katherine Andrea Chiliquinga Castillo C.I.:
060540970-5, con mi respectiva supervisión como requerimiento parcial para la
obtención del título de INGENIERO QUIMICO.
Tema: Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica en un
reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida
Certifico que he revisado y aprobado en todas sus partes, encontrándose apto
para su sustentación.
Docente tutor
__________________________________
Ing. José Cárdenas Murillo MSc.,
V
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
RENUNCIA DE DERECHOS DE AUTOR
Por medio de la presente certifico que los contenidos desarrollados en este trabajo
de titulación son de absoluta propiedad, y responsabilidad de JOCELIN CAROLINA
ARELLANO ROMERO con C.I.: 091906990-6, KATHERINE ANDREA
CHILIQUINGA CASTILLO con C.I.: 060540970-5,
Cuyo título es Determinación de la eficiencia de remoción de la carga orgánica
en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida.
Derechos que renuncio a favor de la Universidad de Guayaquil, para que haga uso
como bien tenga.
_______________________________________
ARELLANO ROMERO JOCELIN CAROLINA
C.I.: 091906990-6
________________________________________
CHILIQUINGA CASTILLO KATHERINE ANDREA
C.I.: 060540970-5
VI
DEDICATORIA
Este trabajo de análisis e investigación es dedicado a toda mi familia en especial a
mi padre José Arellano y a mi madre Rosa Romero por ser los pilares fundamentales
en mi vida, los cuales me han inculcado excelentes valores morales que me
ayudaron a formarme como persona de bien, valores y principios que ahora se
refleja en este importante logro académico, no sé si será el más importante, pero
estoy segura que los conocimientos adquiridos en este sueño cumplido, serán los
cimientos de una larga carrera profesional que no termina aquí, al contrario siento
que está por empezar.
Arellano Romero Jocelin Carolina
VII
DEDICATORIA
Este trabajo está dedicado a Dios por darme siempre las fuerzas para seguir
adelante a pesar de las adversidades. Con mucho amor a mi padre Luis Chiliquinga
y a mi madre Silvia Castillo, quienes son mi fuente de motivación e inspiración.
Gracias a sus sacrificios, esfuerzos y palabras de aliento no me dejaban decaer
para que siguiera adelante y cumpla con mis metas. A mi tía Georgina, mi prima
Lady y mis hermanos quienes siempre han estado brindándome su apoyo
incondicional día a día.
Chiliquinga Castillo Katherine Andrea
VIII
AGRADECIMIENTO
A Dios, por darme fuerza y perseverancia para poder cumplir mis metas.
Definitivamente no puedo dejar pasar por alto a las personas que me guiaron por el
sendero correcto para conseguir una de las metas más importantes en mi vida, por
el esfuerzo, sacrificio, entrega y dedicación que ésta representa.
A mis padres Rosa Romero Y José Arellano quienes me forjaron como la persona
que soy en la actualidad, muchos de mis logros se los debo principalmente a ellos,
quienes además me brindaron su apoyo moral y económico en todo momento.
A mi hermana en quien veo un ejemplo de superación, pues sus infinitas virtudes y
gran corazón me han llevado a admirarla cada día más.
A mi compañera Katherine, mi brazo derecho quien ha estado en las buenas y malas
conmigo, más que una amiga es una hermana para mí.
Finalmente a mi tutor Ing. José Cárdenas y a todos mis docentes, por sus
conocimientos transmitidos que seguramente serán mis herramientas para construir
mi futuro como una excelente profesional.
Arellano Romero Jocelin Carolina
IX
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por la vida de mis padres y mis hermanos, también porque cada
día bendice mi vida con la oportunidad de estar rodeada de las personas que amo.
Agradezco a mis padres por ser los inspiradores de mis sueños y por cada día
confiar y creer en mí. Gracias a mi padre Luis Chiliquinga quien a pesar de la
distancia me ha enseñado que con constancia, esfuerzo y trabajo todo es posible,
a mi madre Silvia Castillo por ayudarme a confiar en mis decisiones.
A mis hermanos y demás familia en general, por el apoyo que siempre me brindaron
en el transcurso de mi carrera universitaria.
A mi mejor amiga Jocelin, quien siempre fue mi apoyo incondicional a lo largo de la
carrera.
A mis compañeros y amigos, quienes se convirtieron en mi segunda familia durante
estos cincos años.
A mi tutor de tesis el Ing. José Cárdenas Murillo MSc., quien me ha sabido impartir
sus conocimientos para concluir de manera exitosa este proyecto. De igual forma
agradecer a los docentes que a lo largo de esta carrera compartieron sus
conocimientos para la obtención del título.
Chiliquinga Castillo Katherine Andrea
X
DERECHO DE AUDITORÍA
ARELLANO ROMERO JOCELIN CAROLINA, declara bajo juramento que el
trabajo aquí descrito en de su autoría, que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación personal, y que hemos consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad intelectual
a la UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA,
según lo establecido por la ley de la propiedad intelectual y su reglamento.
___________________________________________
ARELLANO ROMERO JOCELIN CAROLINA
CI: 091906990-6
XI
DERECHO DE AUDITORÌA
CHILIQUINGA CASTILLO KATHERINE ANDREA, declara bajo juramento que el
trabajo aquí descrito en de su autoría, que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación personal, y que hemos consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad intelectual
a la UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA,
según lo establecido por la ley de la propiedad intelectual y su reglamento.
_______________________________________________
CHILIQUINGA CASTILLO KATHERINE ANDREA
CI: 060540970-5
XII
CERTIFICADO DEL TUTOR
Ing. JOSÉ CÁRDENAS MURILLO MSc. certifica haber tutelado la tesis,
¨DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE REMOCIÓN DE LA CARGA
ORGÁNICA EN UN REACTOR AERÓBICO DE LECHO SUSPENDIDO CON
BIOMASA ADHERIDA¨ que ha sido desarrollada por JOCELIN CAROLINA
ARELLANO ROMERO Y KATHERINE ANDREA CHILIQUINGA CASTILLO,
previa la obtención del título de ingeniero químico, de acuerdo al REGLAMENTO
PARA LA ELABORACIÓN DE TRABAJO DE TITULACION PARA EL GRADO
DE TERCER NIVEL DE LA UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL, FACULTAD DE
INGENIERÍA QUÍMICA.
_______________________________________________
Ing. JOSÉ CÁRDENAS MURILLO MSc.
XIII
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Autoras: Arellano Romero Jocelin Carolina
Chiliquinga Castillo Katherine Andrea
Tutor: Ing. José Cárdenas Murillo MSc.
RESUMEN
En el presente trabajo se utiliza un reactor biológico aerobio de mezcla completa, la
biomasa se encuentra en un lecho suspendido y adherido a un soporte plástico tipo
kaldnes, el reactor trabaja en discontinuo (SBR), Sequencing Batch Reactor, el
sustrato utilizado es un agua sintética preparada con glucosa, nutrientes inorgánico
y la biomasa fue preparada con bacterias selectivas.
La experimentación se llevó a cabo en el reactor con agua residual sintética que
tiene las siguientes características: soporte de polietileno tipo kaldnes, la densidad
de estos soportes es de 0.95 g/ cm3 y un área específica de 300 𝑚2/𝑚3 lo que
proporciono el desarrollo de la biomasa adherida. Las dimensiones del reactor son
20cm de ancho por 30cm de largo con una capacidad de 7 L, adicionando agua
residual sintética. La aireación del sistema se realizó con aire comprimido por medio
de un difusor poroso conectados a una bomba de aire el cual fue instalado en el
centro base del reactor, de igual manera se colocaron 4 aireadores porosos de
1.5cm en cada esquina del reactor las cuales estaban conectadas a 2 bombas de
aire con el propósito de mantener la concentración de Oxígeno Disuelto en un valor
mínimo de 3-5 mg/L.
XIV
La eficiencia de la remoción del sustrato fue determinada mediante el decaimiento
de la Demanda Química de Oxigeno con relación al tiempo dando los siguiente
resultados: el 45.98% en 6 días, el 50.65% en 8 días, 91.07% en 20 días. Se
monitorearon parámetros como el Potencial de hidrogeno, el Oxígeno disuelto y la
Temperatura.
Palabras claves: tratamiento, experimentación, biomasa adherida, DQO, SBR,
agua residual, lecho suspendido, soporte kaldnes.
XV
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Authors: Arellano Romero Jocelin Carolina
Chiliquinga Castillo Katherine Andrea
Tutor: Ing. José Cárdenas Murillo MSc.
ABSTRACT
In the present work a fully mixed aerobic biological reactor is used, the biomass is in
a suspended bed and adhered to a kaldnes-type plastic support, the SBR reactor,
the Sequencing Batch Reactor, the substrate used is a water Synthetic prepared
with glucose, inorganic nutrients and the biomass was prepared with selective
bacteria.
Experimentation was carried out in the reactor with synthetic waste water having the
following characteristics: polyethylene support kaldnes type, the density of these
supports is 0.95 g/cm 3 and a specific area of 300 m2/m3 which provided the
development of the adhered biomass. The dimensions of the reactor are 20cm wide
by 30cm long with a capacity of 7 L, adding synthetic waste water. The aeration of
the system was carried out with compressed air through a porous diffuser connected
to an air pump which was installed in the base center of the reactor, 4 porous
aerators of 1.5cm were also placed in each corner of the reactor was connected 2
air pumps in order to maintain the dissolved oxygen concentration at a minimum of
3-5 mg / L.
XVI
The efficiency of substrate removal was determined by decreasing the Chemical
Demand of Oxygen in relation to time, giving the following results: 45.98% in 6 days,
50.65% in 8 days, 91.07% in 20 days. Parameters such as Hydrogen Potential,
Dissolved Oxygen and Temperature were monitored.
Key words: treatment, experimentation, adhered biomass, COD, SBR, wastewater,
suspended bed, kaldnes support.
TABLA DE CONTENIDO REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIAS Y TECNOLOGÍA ...................................... I
CERTIFICADO SISTEMA ANTI PLAGIO ...................................................................... III
CERTIFICACIÓN DEL TUTOR. ...................................................................................... IV
RENUNCIA DE DERECHOS DE AUTOR ...................................................................... V
DEDICATORIA................................................................................................................... VI
DEDICATORIA.................................................................................................................. VII
AGRADECIMIENTO .......................................................................................................VIII
AGRADECIMIENTO ......................................................................................................... IX
DERECHO DE AUDITORÍA ............................................................................................. X
DERECHO DE AUDITORÌA ............................................................................................ XI
CERTIFICADO DEL TUTOR .......................................................................................... XII
RESUMEN ........................................................................................................................XIII
ABSTRACT .......................................................................................................................XV
TABLA DE CONTENIDO .................................................................................................... I
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1
CAPITULO 1......................................................................................................................... 2
1.1 PROBLEMA........................................................................................................... 2
1.1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................... 2
1.2 FORMULACIÓN Y SISTEMATIZACIÓN DEL PROBLEMA ......................... 2
1.3 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................... 3
1.3.1 JUSTIFICACIÓN TEÓRICA......................................................................... 3
1.3.2 JUSTIFICACIÓN METODOLÓGICA ......................................................... 3
1.3.3 JUSTIFICACIÓN PRÁCTICA ...................................................................... 3
1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................. 4
1.4.1 OBJETIVOS GENERALES ......................................................................... 4
1.4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ....................................................................... 4
1.5 DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ....................................................... 4
1.6 HIPÓTESIS ............................................................................................................ 5
1.6.1 VARIABLE INDEPEDIENTE ....................................................................... 5
1.6.2 VARIABLE DEPENDIENTE ........................................................................ 5
1.6.3 OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES .................................... 6
CAPITULO 2......................................................................................................................... 7
MARCO TEÓRICO .......................................................................................................... 7
2.1 GENERALIDADES ................................................................................................... 7
2.2 SITUACIÓN DEL AGUA EN EL ECUADOR ................................................... 8
2.2.1 LEGISLACIÓN ELEMENTAL ECUATORIANA ........................................... 9
2.3 CONTAMINACIÓN DEL AGUA ........................................................................... 11
2.3.1 TIPOS DE AGUAS CONTAMINADAS ........................................................ 12
2.4 AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS............................................................... 14
2.4.1 CARÁCTERÍSTICAS Y COMPOSICIÓN .................................................... 14
2.5 TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES ................................................... 17
2.6 PRINCIPIOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO ............................................. 19
2.7 SISTEMAS AEROBIOS ............................................................................................. 21
2.8 REACTORES BIOLÓGICOS SECUENCIALES (SBR) ................................... 23
2.9 IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS ............... 24
2.10 TIPOS DE TRATAMIENTOS .............................................................................. 25
2.10.1 TRATAMIENTO DE CRECIMIENTO SUSPENDIDO.............................. 25
2.10.2 TRATAMIENTO DE CRECIMIENTO ADHERIDO ................................... 25
2.11 CRECIMIENTO MICROBIOLÓGICO ................................................................ 26
2.12 BIOPELÍCULA ...................................................................................................... 27
CAPITULO 3....................................................................................................................... 31
MARCO METODOLÓGICO ......................................................................................... 31
3.1 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................ 31
3.2 ASPECTOS METODOLÓGICOS............................................................................. 31
3.2.1 Método deductivo .............................................................................................. 32
3.2.2 Método exploratorio .......................................................................................... 32
3.2.3 Método experimental ........................................................................................ 32
3.3 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN. ......................................................................... 33
3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTACIÓN. ...................................................................... 34
3.4.1 Relleno .................................................................................................................. 34
3.4.2 Aireación. ............................................................................................................. 34
3.4.3 Sedimentación. ................................................................................................... 35
3.4.4 Filtración. ............................................................................................................. 35
3.4.5 Calentamiento y enfriamiento. ....................................................................... 35
3.5 MATERIALES Y EQUIPOS. ..................................................................................... 36
3.6 INGENIERÍA DE PROCESOS .................................................................................. 37
3.6.1 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA
DE REMOCIÓN DE LA CARGA ORGÁNICA MEDIANTE LA ELABORACIÓN DE AGUA SINTÉTICA.................................................................................................. 37
CAPITULO 4....................................................................................................................... 38
4.1 CARACTERÍSTICAS DEL MEDIO DE SOPORTE ............................................... 38
4.2 CÁLCULOS DE LA ELABORACIÓN DEL AGUA SINTÉTICA INICIAL .......... 38
4.3 TABLA DE LA ELABORACIÓN AGUA SINTÉTICA ........................................... 42
4.4 RESULTADOS EXPERIMENTALES ...................................................................... 43
4.4.1 TEMPERATURA.................................................................................................. 43
4.4.2 OXÍGENO DISUELTO ........................................................................................ 43
4.4.3 POTENCIAL DE HIDRÓGENO ......................................................................... 43
4.4.4 DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO ............................................................... 44
4.4.4.1 Tabla de calibración para los ensayos de DQO ................................. 44
4.4.4.2 Primera experimentación ......................................................................... 47
4.4.4.3 Segunda experimentación ....................................................................... 48
4.4.4.4 Tercera experimentación .......................................................................... 50
4.5 RESULTADOS EXPERIMENTALES ...................................................................... 51
4.6 OBTENCIÓN DE LA CONSTANTE DE REMOCIÓN POR MÉTODO INTEGRAL
.............................................................................................................................................. 53
4.7 CALCULO DE LA EFICIENCIA DE REMOCIÓN ................................................. 54
ANALISIS DE LOS RESULTADOS ............................................................................... 56
CONCLUSIONES .............................................................................................................. 57
RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 58
ANEXOS ............................................................................................................................. 59
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 73
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Operacionalización de las variables .................................................................. 6 Tabla 2. Demanda de agua por sector en el Ecuador ................................................... 8
Tabla 3. Valores para la descarga de efluentes al alcantarillado .............................. 10 Tabla 4. Valores para la descarga de efluentes a cuerpos de agua dulce .............. 11
Tabla 5. Clasificación general de las aguas residuales ............................................... 12 Tabla 6. Grado de contaminación típica de aguas residuales. .................................. 16
Tabla 7. Conteos bacterianos típicos en el agua .......................................................... 17 Tabla 8. Microorganismo utilizado................................................................................... 21
Tabla 9. Dimensiones del medio de soporte ................................................................. 38 Tabla 10. Elaboración del agua sintética ....................................................................... 42
Tabla 11. Temperatura en relación con cada experimentación ................................. 43 Tabla 12. Oxígeno disuelto en relación con cada corrida ........................................... 43 Tabla 13. pH en relación con cada corrida .................................................................... 43
Tabla 14. Calibración para los ensayos de DQO ......................................................... 44
Tabla 15. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la primera experimentación ................................................................................................................. 47
Tabla 16. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la segunda experimentación................................................................................................. 48
Tabla 17. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la tercera experimentación ................................................................................................................. 50 Tabla 18. Relación de las experimentaciones en un tiempo de 6 días ..................... 51 Tabla 19. Constante de remoción ................................................................................... 54
Tabla 20. Eficiencia de remoción .................................................................................... 55
INDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Esquema conceptual de un sistema de tratamiento de aguas residuales. ........................................................................................................................... 18
Ilustración 2. Fases de crecimiento microbiano con cambios en la biomasa y sustrato en el tiempo ......................................................................................................... 27
Ilustración 3. Fases de formación de biopelícula .......................................................... 29 Ilustración 4. Validación del método para el análisis de DQO .................................... 45
Ilustración 5. Curva DQO vsTiempo ............................................................................... 47 Ilustración 6. Curva ln(S/So) vs Tiempo ......................................................................... 48 Ilustración 7. Curva DQO vs Tiempo .............................................................................. 49
Ilustración 8. Curva ln(S/So) vs Tiempo ......................................................................... 49 Ilustración 9. Curva DQO vs Tiempo .............................................................................. 50
Ilustración 10. Curva ln(S/So) vs Tiempo....................................................................... 51 Ilustración 11. Curva DQO vs Tiempo ............................................................................ 52
Ilustración 12. Acondicionamiento del reactor ............................................................... 59 Ilustración 13. Puesta en marcha del equipo. ............................................................... 59
Ilustración 14. Medición del oxígeno disuelto ................................................................ 60 Ilustración 15. Aeración del sistema ............................................................................... 60
Ilustración 16. Crecimiento bacteriano ........................................................................... 61 Ilustración 17. Formación de la biopelícula ................................................................... 61
Ilustración 18. Dosificación de glucosa .......................................................................... 62 Ilustración 19. Vista frontal del reactor ........................................................................... 62
Ilustración 20. Aclimatación de bacterias ....................................................................... 63 Ilustración 21. Prueba de sedimentación ....................................................................... 63
Ilustración 22. Visualización del crecimiento bacteriano ............................................. 64 Ilustración 23. Dilución de glucosa en agua .................................................................. 64 Ilustración 24. Nutrientes para el tratamiento de aguas residuales........................... 65
Ilustración 25. Dosificación de bacterias en el reactor ................................................. 65 Ilustración 26. Filtración de la muestra ........................................................................... 66
Ilustración 27. Muestra para el análisis de DQO .......................................................... 66 Ilustración 28. Soportes de polietileno tipo Kaldnes .................................................... 67
Ilustración 29. Agua tratada ............................................................................................. 67 Ilustración 30. Diferencia del soporte Kaldnes en relación a la carga orgánica ...... 68
Ilustración 31. Bomba de aire .......................................................................................... 68 Ilustración 32. Bacterias Selectivas ................................................................................ 69
Ilustración 33. Ficha técnica de las bacterias selectivas ............................................. 69
1
INTRODUCCIÓN
Según la Secretaría Nacional del Agua del Ecuador, SENAGUA, del agua residual
que se genera por las actividades diarias de las poblaciones, antes de ser
descargada a los ríos y quebradas, solo el 12% de ella reciben un tratamiento
apropiado previo.
En Ecuador la descarga para el alcantarillado público permisible es de 500 mg/L
(TULSMA, 2015). De manera muy extensa nuestra región maneja una alta
producción de cárnicos, lácteos, vegetales, frutas, etcétera; cuyos procesos
generan grandes cantidades de aguas residuales.
Existen muchas formas de tratamiento que implican procesos físicos, químicos y
biológicos, recientes estudios han demostrado que los medios suspendidos con
bacterias adheridas resultan ser muy eficientes para aguas residuales que manejan
altas cargas biológicas biodegradables.
En nuestro proyecto utilizamos un reactor que fue alimentado con un agua residual
sintética que contenía glucosa como materia orgánica y urea como nutriente,
teniendo una dosificación de bacterias. El procedimiento completo se lo puede
observar en el capítulo 3.
La presente investigación propone la determinación de la eficiencia de remoción de
la carga orgánica en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida
con la finalidad de garantizar que los tratamientos de aguas residuales mediante
este tipo de reactores biológicos son una nueva alternativa.
2
CAPITULO 1
1.1 PROBLEMA
1.1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Las aguas residuales y su tratamiento es un tema que atrae cada vez más la
atención de la comunidad de ingenieros; debido a los grados de contaminación en
el agua y su escasez son mayor, razón por la cual, se busca hacer un uso más
eficiente del recurso agua a través del tratamiento de sus descargas (Angelica
Molina, 2005).
Normalmente no es práctico ni posible obtener un análisis completo de la mayoría
de las aguas residuales porque los contaminantes presentes en esta son una
mezcla compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos; por lo tanto para llevar a
cabo nuestro proyecto de investigación elaboramos agua residual sintética para
conocer los componentes y determinar la eficiencia de remoción de carga orgánica
en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa adherida.
1.2 FORMULACIÓN Y SISTEMATIZACIÓN DEL PROBLEMA
El trabajo de titulación busca realizar la determinación de la eficiencia de remoción
de carga orgánica en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa
adherida, y de este modo aportar información a la comunidad educativa en relación
a la siguiente pregunta:
¿Es posible lograr altas tasas de remoción de carga orgánica en un reactor aeróbico
de lecho suspendido con biomasa adherida?
3
1.3 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
1.3.1 JUSTIFICACIÓN TEÓRICA
La investigación propuesta se enfocará en determinar la eficiencia que tiene un
reactor biológico aerobio de mezcla completa, la biomasa se encuentra en un lecho
suspendido y adherido a un soporte plástico tipo kaldnes, el reactor trabaja en
discontinuo (SBR), Sequencing Batch Reactor.
El desarrollo del tema busca solucionar un problema significativo para los países
que se encuentran en vía de desarrollo, la mayor preocupación es que el agua
posee una carga orgánica elevada. A partir de ello hemos visto la oportunidad de
plantear una alternativa para la remoción de carga orgánica que presenta las aguas
residuales.
Nuestra investigación fue realizada en la Facultad de Ingeniería Química donde
utilizaremos los equipos necesarios para realizar dicho tratamiento.
1.3.2 JUSTIFICACIÓN METODOLÓGICA
Se plantea el uso de modelos cinéticos con los cuales mediante el análisis de la
eficiencia de remoción de carga orgánica nos permitirá determinar los cálculos del
agua tratada en el reactor aerobio de lecho suspendido con biomasa adherida.
1.3.3 JUSTIFICACIÓN PRÁCTICA
El funcionamiento del reactor aerobio de lecho suspendido con biomasa adherida
nos dará a conocer los datos reales del porcentaje de remoción de carga orgánica
4
mediante una fase experimental en el proceso del tratamiento de agua residual para
la obtención de un afluente con menor carga orgánica.
1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 OBJETIVOS GENERALES
Determinar la eficiencia de remoción de la carga orgánica de un agua residual
biodegradable en un reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa
adherida.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Analizar la cinética del proceso.
Establecer las variables de operación del proceso.
Evaluar la eficiencia de remoción de carga orgánica del reactor aerobio de
lecho suspendido con biomasa adherida.
Validar el método para el análisis del DQO.
1.5 DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Entre las delimitaciones del proyecto se encuentran:
El factor tiempo para completar más etapas de la investigación.
Caracterización de las aguas residuales.
5
1.6 HIPÓTESIS
Lograr altas tasas de remoción de carga orgánica, en un reactor biológico que
trabaja en discontinuo (SBR) de lecho suspendido con biomasa adherida.
1.6.1 VARIABLE INDEPEDIENTE
Reactor aerobio de lecho suspendido con biomasa adherida.
1.6.2 VARIABLE DEPENDIENTE
Remoción de la carga orgánica del agua residual sintética.
6
1.6.3 OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES
Tabla 1. Operacionalización de las variables
Variable Definición de las variables Indicadores Dimensiones de los indicadores
Relación funcional
Ind
ep
en
die
nte
Reactor aerobio
de lecho suspendido con
biomasa
adherida.
Reactor biológico. SBR. Lecho suspendido con biomasa adherida.
pH adimensional Independiente
Temperatura ºC Independiente
.DQO. (entrada) mg/L Independiente
O2 mg/L Independiente
De
pe
nd
ien
te
Remoción de la carga orgánica
del agua residual
sintética.
La eficiencia de remoción en un sistema de tratamiento de aguas residuales viene dada por: E = (S0 - S) / S0 x 100
Donde: E: Eficiencia de remoción del sistema. S: Carga contaminante de salida (mg DQO, DBO5 o SST/l) S0: Carga contaminante de entrada (mg
DQO, DBO5 o SST/l)
DQO (salida) mg/L Dependiente
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
7
CAPITULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1 GENERALIDADES
El agua es calificada como uno de los recursos naturales más imprescindibles para
el desarrollo de la vida. Particularmente, el agua es el líquido más abundante que
se encuentra en el planeta y forma parte del 70% de los seres vivos.
Es un compuesto químico establece que se compone de dos átomos de hidrogeno
y un átomo oxígeno que unidos entre si forman una molécula de agua, H2O. El agua
se encuentra en la naturaleza en tres estados: líquido, sólidos y gaseoso. Sus
propiedades organolépticas a temperatura son inodora, insípida e incolora en
pequeñas cantidades y una leve tonalidad azulada en grandes volúmenes.
Es considerado como el disolvente universal, debido a que gran parte de las
sustancias se disuelven en ella, permite mantener la temperatura corporal al poseer
una alta capacidad calorífica, participa en los procesos metabólicos de los seres
vivos; todas estas funciones vitales hacen del agua un recurso indispensable para
la existencia misma.
Los diversos orígenes del agua promueven una distribución irregular en el planeta,
es así que, de la totalidad del agua en el mundo, el 97,5% conforma los océanos y
el 2,5% corresponde al agua dulce, de los cuales el 99,6% se localiza en los polos
y en las cumbres de las montañas más altas en un estado sólido y el 0,4% es parte
8
de las cuencas hidrográficas en forma de ríos, lagos, humedales, plantas y
animales.
2.2 SITUACIÓN DEL AGUA EN EL ECUADOR
El agua es el recurso natural de gran incidencia en la vida económica y social del
mundo. En América latina el país que consume mayor cantidad de agua potable es
Ecuador, obtiene gran parte del agua de fuentes superficiales; la disponibilidad
hídrica rodea los 20.700 m3/habitante/año, excediendo a la media mundial de
aproximadamente 1700m3/habitante/año.
El número de concesiones de aguas concedidas se distribuye de la siguiente
manera:
Tabla 2. Demanda de agua por sector en el Ecuador
Uso Demanda Uso Demanda
Hidroeléctricas 80% Agua potable 1,16%
Riego 15% Abrevadero, balneología,
camaroneras, fuerza
mecánica, piscícolas, termales y
aguas de mesa
0,73%
Consumo
domestico
1,32%
Industrias 1,29%
Fuentes: (Cabrera H, Gárces M, Paredes P, 2012)
De éstas, las demandas referidas al uso consuntivo constituye el 18,99% son
destinadas a industrias, consumo doméstico, abrevadero, agua potable; mientras
9
que el 81,01% de las demandas correspondientes al uso no consuntivo van dirigidas
a la balneología, camaroneras, fuerza mecánica, hidroeléctricas, piscícolas y
termales.
Aunque el suministro de agua en el país es abundante, la contaminación física,
química y biológica de las aguas superficiales es un gran problema agravado por el
aumento poblacional y el crecimiento de la demanda del uso de la tierra. Las
mayores fuentes de contaminación en el país son las petroleras, la minería, las
plantas manufactureras y la agricultura comercial.
Por encima del 80% de las industrias, agroindustrias, empresas de comercio y
servicios, causan aguas residuales con alta carga orgánica con reactivos o
sustancias tóxicas que son descargadas sobre el alcantarillado o a los cuerpos de
agua sin ningún tratamiento previo. Debido a esta contaminación, el agua no es apta
para el consumo en más del 70% de las cuencas hidrográficas.
Los últimos reportes de saneamiento a nivel nacional, la cobertura de agua potable
alcanzan el 74,5%, la red de alcantarillado llega al 54% y de la correcta eliminación
de excretas tiene una cobertura del 93,2%. No obstante, el 8% de las aguas
residuales son sometidas algún tipo de tratamiento. La mala calidad de agua es una
amenazada a las condiciones sanitarias y nutricionales de la población.
2.2.1 LEGISLACIÓN ELEMENTAL ECUATORIANA
La regulación ambiental con respecto a la descarga de aguas residuales en el
Ecuador está establecida en el Texto Unificado de Legislación Ambiental
10
Secundaria del Ministerio del Ambiente (TULSMA, 2015). Anexo 1 del Libro VI:
Norma de calidad ambiental y de descarga de efluentes: Recurso agua.
Esta norma técnica establece o determina los límites permisibles, disposiciones y
prohibiciones para las descargas en cuerpos de aguas o sistemas de alcantarillado;
controlando, previniendo o solucionan los problemas de contaminación.
Destacando los principales parámetros que serán sujeto de interés para la presente
investigación, tanto para la descarga de efluentes al alcantarillado como cuerpos de
agua dulce.
Tabla 3. Valores para la descarga de efluentes al alcantarillado
PARÁMETROS EXPRESADO
COMO UNIDAD
LÍMITE MÁXIMO PERMISIBLE
Demanda Bioquímica de
Oxígeno (5 días)
DBO5 mg/l 250
Demanda Química de Oxígeno
DQO mg/l 500
Potencial de Hidrogeno
Ph 6-9
Sólidos Sedimentables
SD mg/l 20
Sólidos Suspendidos
Totales
SST mg/l 220
Sólidos Totales ST mg/l 1600
Temperatura ℃ <40
*Los valores de los límites máximos permisibles, corresponden a promedios diarios.
Fuente: (TULSMA, 2015, pág. 22)
11
Tabla 4. Valores para la descarga de efluentes a cuerpos de agua dulce
PARÁMETROS EXPRESADO
COMO UNIDAD
LÍMITE MÁXIMO
PERMISIBLE
Demanda Bioquímica de
Oxígeno (5 días)
DBO5 mg/l 100
Demanda Química de Oxígeno
DQO mg/l 200
Potencial de Hidrogeno
Ph 6-9
Sólidos Suspendidos
Totales
SST mg/l 130
Sólidos Totales ST mg/l 1600
Temperatura ℃ Condición natural ±3
*Los valores de los límites máximos permisibles, corresponden a promedios diarios.
Fuente: (TULSMA, 2015, pág. 25)
2.3 CONTAMINACIÓN DEL AGUA
La contaminación del agua es uno de los principales problemas que existe a nivel
mundial. Sin embargo, ha incrementado significativamente en los últimos años
provocado por las grandes cantidades de desechos o desperdicios que producen
las actividades del ser humano.
La contaminación de los recursos hídricos es cualquier alteración en sus
características físicas, químicas o biológicas en concentraciones superiores a las
12
condiciones naturales provocadas por la presencia de agentes contaminantes,
causando la degradación de la calidad de agua limitando su uso.
El ciclo biogeoquímico del agua tiene mecanismos naturales de purificación, la
regeneración normal de las masas de aguas se dificultan como consecuencia de las
actividades del ser humano. De aquí, surge la denominación de aguas negras o
residuales como: Aguas residuales, son fundamentalmente las aguas de
abastecimiento de una población, después de haber sido manipuladas por
diversos usos. Son el resultado de la combinación de líquidos o desechos
arrastrados por el agua, provenientes de los hogares, edificios comerciales,
instituciones, e industrias, y las aguas subterráneas, superficiales o de
precipitación que puedan agregarse.
2.3.1 TIPOS DE AGUAS CONTAMINADAS
Las aguas residuales de acuerdo a su origen se clasifican de la siguiente manera:
Tabla 5. Clasificación general de las aguas residuales
Aguas agrarias
Son aguas procedentes de las actividades agrícolas y ganaderas. Se caracterizan por la presencia de abonos, fertilizantes, plaguicidas,
materia orgánica en suspensión, sales minerales, etc.
Por lo general, estos componentes son arrastrados `por el agua de riego o lluvia contaminando las agua subterráneas.
13
Aguas blancas
Son procedentes de la escorrentía superficial y de drenaje. Su volumen está determinado por los
primeros flujos de las escorrentías y el flujo de caudales drenados (aguas salobres, filtraciones de alcantarillado, entre otras)
Aguas domesticas o
urbanas
Son aguas recogidas de un conglomerado urbano; procedente de los hogares, centros
comerciales, industrias, instituciones, transportadas por una red de alcantarillado. Estos
desechos presentan un alto contenido de materia orgánica y productos químicos, etc. También, suele contener gran cantidad de
microorganismos, algunos patógenos.
Aguas industriales
Son aguas generadas por las actividades
industriales; su composición varía según el tipo de proceso industrial. Entre los contaminantes tenemos: materia orgánica, metales pesados,
detergentes, pesticidas, aceites, grasas, cambios de pH, radiactividad, etc.
Aguas pluviales
Son aguas originadas del escurrimiento
superficial provocada por las precipitaciones atmosféricas (lluvia, nieve, granizo, entre otros). Las cargas contaminantes del agua se incorporan
al atravesar la atmósfera y por el lavado de superficies y terrenos.
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017).
14
2.4 AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS
El incremento de la población en zonas urbanas es una de las principales fuentes
de contaminación, generando la producción de grandes volúmenes de aguas
residuales domésticas, las cuales, en su gran parte, son recolectadas por redes de
alcantarillado.
En comparación con las zonas rurales donde casi gran parte de las viviendas no
cuentan con estas redes y disponen de sus aguas residuales en pozos sépticos o
directamente a los cuerpos de agua.
2.4.1 CARÁCTERÍSTICAS Y COMPOSICIÓN
Las aguas residuales domésticas frescas presentan un color gris y un olor a
queroseno; al pasar el tiempo de ser producidas es séptica y pestífera, de color
negro y con un olor sulfhídrico característico.
La cantidad de agua usada por una casa depende de variables como: las
características del hogar (número de habitantes y artefactos que utilizan agua), el
costo del agua, entre otros factores; que influyen en la calidad de agua residual
eliminada.
La composición de las aguas residuales viene dada por:
Materia orgánica: Compuesta en un 90% por carbohidratos, proteínas y
grasas provenientes de materia fecal.
15
Grasas y aceites: Su origen puede ser tanto doméstica como industrial. Son
sustancias que al no mezclarse con el agua dan lugar a la formación de
natas.
Nutrientes (nitrógeno y fosforo): Estimulan el crecimiento de
microorganismos. Son procedentes de las excretas humanas y
principalmente de detergentes.
Metales pesados: Provienen de las industrias interiorizadas en las zonas
urbanas. Dan un carácter tóxico a las aguas residuales por la presencia de
cadmio, cobre, plomo, boro, plata, flúor, entre otros.
Surfactantes: Es la materia activa de los detergentes utilizados para la
limpieza en los hogares.
Agentes complejantes: Se debe al uso de detergentes en las industrias y
talleres mecánicos.
Sales: Son procedentes de los desechos humanos e industrias.
Sólidos en suspensión: Son de origen muy variado. El 60% de los sólidos
en suspensión son sedimentables y un 75% son de naturaleza orgánica.
Microorganismos: Son microorganismos patógenos provenientes de los
diferentes tipos de bacterias, virus, protozoos y otros organismos que
transmiten enfermedades.
Los indicadores de calidad dan una idea general del estado bioquímico del agua.
En la tabla 6 y tabla 7 se señala los principales parámetros de control y
contaminación típica de las aguas residuales domésticas.
16
Tabla 6. Grado de contaminación típica de aguas residuales.
COMPONENTE INTERVALO VALOR TÍPICO
Sólidos totales (mg ST/L) 375 – 1800 740
Suspensión (mg ST/L) 120 – 360 230
Fijos volátiles (mg FV/L) 30 – 280 55 – 175
Sedimentables (mL /L) 5 – 20 10
Disueltos (mg SD/L) 250 – 800 500
DBO5 (mg O2/L) 110 – 400 210
DQO (mg O2/L) 200 – 780 400
Nitrógeno total 20 – 85 40
Nitrógeno orgánico 8 – 35 20
Amonio 12 – 50 20
Nitritos y Nitratos 0 0
Fósforo Total (mg P/L) 4 – 15 8
Orgánico 1 – 5 3
Inorgánico 3 – 10 5
Ph 6,7 – 7,5 7
Fuente: (Carrasco Francisco, Menéndez Ángel, 2010)
17
Tabla 7. Conteos bacterianos típicos en el agua
FUENTE BACTERIAS EN 100
ML
BACTERIAS
COLIFORMES EN 100 ML
Agua de la llave 10 0 – 1
Agua natural limpia 103 0 – 102
Agua contaminada 106 – 108 103 – 105
Aguas negras sin tratar
108 105
*Las bacterias coliformes están presentes en las aguas negras pero se
mueren con el tiempo en las aguas naturales. Su hábitat natural son los mamíferos de sangre caliente y el suelo.
Fuente: (Henry Glynn, Heinke Gry, 1999)
2.5 TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES
Los sistemas de tratamiento surgen en Inglaterra a finales del siglo XIX, ante la
necesidad de cuidar la salud pública e impedir los impactos ocasionados por la
evacuación de las aguas negras al ambiente. En un inicio, el tratamiento del agua
residual consistía en hacerla pasar por un filtro de piedras en el que se desarrollaban
colonias de microorganismos que consumían materia orgánica (Carrasco Francisco
y Menendez Ángel, 2010).
En la actualidad un sistema de tratamiento o estación depuradora de aguas
residuales (EDAR), tiene como propósito la eliminación de los contaminantes
orgánicos e inorgánicos presentes en ellas; sometidas a diversos tratamientos
físicos, químicos y/o biológicos que se combinan o complementan en diversas
18
etapas y otorgan el nivel de tratamiento empleado. El tipo de tratamiento depende
de las características del residuo líquido.
De esta manera se define a los sistemas que utilizan procesos físicos como
pretratamientos y tratamientos primarios; a los que emplean procesos biológicos o
químicos como tratamientos secundarios; y a los que requieren la combinación de
los anteriores como tratamientos terciarios.
El fundamento de las regulaciones por parte de leyes y normas establece la
concentración de contaminantes y nutrientes para alcanzar la calidad del agua en
relación con el tipo de reutilización.
Fuente: Las autoras
Ilustración 1. Esquema conceptual de un sistema de tratamiento de aguas residuales.
Sistema de tratamiento de aguas residuales
Agua
residual
Emisiones a
la atmósfera
Insumos Residuo sólido Lodo
Agua tratada
19
Los principales objetivos para la depuración de aguas residuales son los siguientes:
Prevenir y reducir al máximo la contaminación.
Proteger los recursos hidráulicos.
Preservar la biosfera.
Mantener la salud pública.
Aprovechar los residuos obtenidos, haciendo un uso más sostenible de los
recursos hidráulicos.
Los aspectos fundamentales que determinan la factibilidad de un tratamiento son
los siguientes:
La calidad utilizada del efluente.
Las características del agua cruda.
La disponibilidad del terreno.
Los costos de construcción y operación del sistema de tratamiento.
La confiabilidad del tratamiento.
2.6 PRINCIPIOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO
En el tratamiento biológico de aguas residuales se lleva a cabo una serie de
importantes procesos, con los cuales ayudan a la remoción de contaminantes
mediante el uso de microorganismos. También se usa para remover nitrógeno y
fósforo del agua residual debido a la actividad biológica.
El uso de tratamientos biológicos, en los que se usan organismos para
descomponer las sustancias orgánicas en las aguas residuales, está muy extendido
20
en el mundo. A diferencia de otros tratamientos de aguas residuales, que solo usan
procesos químicos o mecánicos, los tratamientos biológicos incluyen el uso de
bacterias, nematodos u otros organismos pequeños (condorchem, 2017).
El tratamiento biológico requiere la presencia de muchos microorganismos, buen
contacto entre estos organismos y el material orgánico, la disponibilidad de
oxígeno, nutrientes suficientes, las condiciones favorables de temperatura, rangos
de pH ventajosos, y el tiempo adecuado para que los organismos trabajen. De este
modo, independientemente de cualquier proceso biológico, los microorganismos
están haciendo el trabajo de biodegradación, y por lo tanto, todas las medidas
deben ser adoptadas para garantizar un entorno favorable para ellos. (Pacheco
Bueno & Noguera Roldán )
La aplicación de estos tratamientos acelera los mecanismos de descomposición
natural, de manera que la eliminación de la materia orgánica degradable es
conseguida bajo condiciones controladas y en menor tiempo que los sistemas
naturales (VON SPERLING, Marcos, & DE LEMOS CHERNICHARO, 2005).
Los microorganismos importantes en el tratamiento biológico son: hongos,
rotíferos, bacterias, algas, gusanos y protozoos.
21
Tabla 8. Microorganismo utilizado
MICROORGANISMOS INCIDENCIA EN EL TRATAMIENTO
BIOLÓGICO
Bacterias:
Microorganismos
unicelulares
Dos tipos elementales
en las aguas residuales:
Formadoras de flóculos
y formadoras de filamentos.
Las formadoras de flóculos tienen la capacidad,
en las condiciones adecuadas, de agruparse mediante la excreción de polímeros
exocelulares para formar un flóculo que es grande y lo suficientemente fuerte para sedimentarse.
Las bacterias formadoras de filamentos también eliminan compuestos orgánicos de las aguas residuales, pero se caracterizan por las formas
fibrosas o filiformes que son extremadamente ligeras y de fácil lavado del clarificador.
Evidentemente, las bacterias formadoras de flóculo se prefieren en una planta de tratamiento biológico. La temperatura y pH juega un papel
vital en la vida y muerte de las bacterias. La gran mayoría de las plantas de tratamiento biológico están diseñadas para organismos mesófilos;
éstas necesitan ser operadas en el rango de 25 a 40°C para obtener el máximo rendimiento. De igual manera, la mayoría de los organismos no
pueden tolerar niveles de pH por encima de 9,5 o por debajo de 4,0. En general, el pH óptimo
para el crecimiento de bacterias se encuentra entre 6,5 y 7,5.
Fuente: (Flynn Daniel, 2009).
2.7 SISTEMAS AEROBIOS
El oxígeno es el aceptor final de electrones preferido por cualquier célula. Si existe
oxígeno en el medio, éste será el aceptor final de electrones, lo que conlleva que se
obtengan rendimientos energéticos elevados y una importante generación de
fangos, debido al alto crecimiento de las bacterias en condiciones aerobias.
22
Por otro lado, la biomasa puede crecer libre, en suspensión en el interior del
bioreactor, o bien adherida a un soporte (biomasa fija). En el proceso convencional
crece en suspensión, igual que en el caso de los reactores secuenciales (SBR) y en
los reactores de biomembrana (MBR). En los reactores de biodiscos, biofiltros, filtros
percoladores o de lecho móvil (MBBR) la biomasa crece adherida a la superficie de
un soporte de plástico o de arena. Este criterio, si la biomasa crece en suspensión
o fijada a un soporte, conlleva una serie de consecuencias prácticas que convienen
tener en cuenta en el momento de seleccionar qué tecnología es la más conveniente
(Condorchem, 2012).
La eficiencia de la remoción del material contaminante es posible de acuerdo a la
correcta disposición de las aguas tratadas en los cuerpos de aguas, que eliminan
los contaminantes presentes en el agua residual por medio de los sistemas de
tratamientos que combinan los procesos físicos, químicos y biológicos.
En estos procesos el oxígeno libre está presente como aceptor de electrones para
la descomposición por oxidación aerobia. Los productos de la descomposición son
principalmente dióxido de carbono (CO2), agua y material celular, mientras que los
productos gaseosos odoríferos son mínimos. Debido a la gran cantidad de energía
liberada en la oxidación aerobia, la mayoría de los organismos aerobios alcanzan
altas tasas de crecimiento. De manera que la producción de nuevas células es
mayor que en los demás sistemas de oxidación, resultando en una mayor
producción de lodo (Idem, págs. 2-16).
23
2.8 REACTORES BIOLÓGICOS SECUENCIALES (SBR)
Los reactores biológicos secuenciales (SBR) son reactores discontinuos en los que
el agua residual se mezcla con un lodo biológico en un medio aireado. El proceso
combina en un mismo tanque: reacción, aeración y clarificación.
Estos sistemas se caracterizan por su fácil control y flexibilidad, ya que permiten la
posibilidad de controlar de forma sencilla el tiempo que se dedica a cada una de las
etapas del proceso. En cada etapa se establecen unas condiciones ambientales, y
para modificar la duración de cada una de ellas tan sólo es necesario actuar sobre
los controladores que conectan y desconectan las bombas y soplantes.
En estos tratamientos la DBO y/o el nitrógeno orgánico son oxidados al pasar por
la biopelícula. El tipo y tamaño del medio de soporte es un factor muy importante
para el rendimiento y operación de estos procesos. El exceso de biomasa y los
sólidos suspendidos del efluente presentes como lodo, son retenidos en el sistema
y removidos periódicamente, por tanto no requiere de clarificador.
Las mayores ventajas que presentan estos procesos son:
Su necesidad de espacios es relativamente pequeño, debido a que se
requiere un solo tanque para realizar todo el proceso.
No presentan inconvenientes de sedimentación de lodos como en el
caso de los lodos activados.
Su capacidad para tratar efectivamente aguas residuales diluidas
24
Los costes de inversión son menores ya que no requieren de los típicos
decantadores secundarios.
2.9 IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS
Los procesos biológicos aerobios son calificados como los tratamientos más
eficaces para la remoción de compuestos orgánicos disueltos, debido a la rapidez
del tratamiento y la obtención de productos inofensivos como H2O y CO2, en
comparación con otros procesos. Generalmente para apoyar el proceso aerobio,
debe suministrarse oxígeno a las aguas residuales, mediante burbujeo o a través
de mezclado.
Teóricamente el proceso aerobio se sintetiza en la siguiente expresión:
Materia orgánica + Bacteria + O2 →Nuevas células (biomasa) + CO2, H2O, NH3
(Michael & BUTLER , 2011, pág. 43)
Los reactores biológicos se clasifican con base en la forma en que la población
microbiana se encuentra dentro del reactor. Se conoce como biomasa suspendida
a aquellos reactores que no utilizan un medio de soporte y los microorganismos
forman agregados conocidos como flóculos (Calderon Molgora, 2005).
Cuando el reactor cuenta con un medio, ya sea natural o sintético, que sirve de
soporte para que se desarrolle la comunidad microbiana en forma de “lama” o
película, se dice que es un reactor de biomasa fija (Calderon Molgora, 2005).
Los lodos activados y los filtros percoladores son de uso frecuente en México, otros
reactores como los anaerobios de lechos expandidos o los lodos activados con
25
aeración a contracorriente son incipientes en el país. Asimismo, hay otros sistemas
que no se utilizan en México o, en su defecto, su uso principal no es el tratamiento
del agua residual sino el tratamiento de los lodos de desecho (Calderon Molgora,
2005).
2.10 TIPOS DE TRATAMIENTOS
2.10.1 TRATAMIENTO DE CRECIMIENTO SUSPENDIDO
Son tratamientos en los que la masa de microorganismos, ya sea como
organismos individuales, o en conjunto (llamados flóculos), se encuentran
suspendidos. Esta masa de microorganismos se mezcla con las aguas residuales
en tratamiento, formando una suspensión de sólidos llamada licor mixto (Daniel,
pág. 708).
2.10.2 TRATAMIENTO DE CRECIMIENTO ADHERIDO
En estos tratamientos existe un medio de soporte en donde la masa de
microorganismos individuales se sujeta, formando una película de baba
denominada película fija o también llamada película biológica.
“Como empaque se utilizan piedras, madera y objetos plásticos de muchas formas.
La película biológica está compuesta, principalmente, por bacterias y protozoarios”
(Calderon Molgora, 2005).
El agua se escurre sobre la película entrando en contacto con los microorganismos
y el aire en estos procesos de remoción de materia orgánica. Los sistemas
aerobios de biomasa fija más comunes son los filtros percoladores y los discos
26
biológicos rotativos (Calderon Molgora, 2005)
Estos tratamientos funcionan completamente sumergidos en un líquido o no
sumergidos. El oxígeno necesario para los microorganismos transcurre por los
espacios vacíos del material de relleno, por circulación natural o con el uso de
dosificadores de oxígeno. El agua residual entrante se distribuye por el lecho y
circula de manera uniforme sobre la biopelícula. Periódicamente la biomasa
excedente (lodos) es evacuada; y es necesario incluir mecanismos de
sedimentación, y de esta manera obtener un efluente con una concentración
aceptable de sólidos en suspensión. (METCALF & EDDY, 2003)
2.11 CRECIMIENTO MICROBIOLÓGICO
La rapidez del crecimiento microbiano se basa directamente con la cantidad de
alimento disponible.
La población microbiana en un cultivo pasa por 4 fases:
Latencia inicial o fase lag, esta fase es la aclimatación de los
microorganismos, la cual se producen las enzimas necesarias para que
crezcan en un nuevo medio ambiente.
Exponencial o fase log, en el cual el microorganismo crece con rapidez a
una velocidad logarítmica, es decir que cada vez que pasa un cierto tiempo
de generación la población se duplica. Bajo condiciones apropiadas la
velocidad de crecimiento es máxima. Las condiciones ambientales afectan
la velocidad de crecimiento exponencial.
27
Fase estacionaria, a medida que el alimento es limitante el crecimiento se
retrasa en un punto determinado y se equilibra el número de células nuevas
y células muertas.
Fase de muerte, cuando el sustrato se ha agotado se reduce la cantidad
de microorganismos.
“En un proceso de tratamiento biológico […] en cualquier momento dado habrá
una mezcla de poblaciones bacterianas que compitan la una con la otra y que
existan en diversas fases de este ciclo”. (Michael & BUTLER , 2011, pág. 44)
La relación entre la biomasa celular y sustrato (alimentos) en las diferentes fases
se resume en la ilustración 2.
Ilustración 2. Fases de crecimiento microbiano con cambios en la biomasa y sustrato en el tiempo
Fuente: (METCALF & EDDY, 2003).
2.12 BIOPELÍCULA
Las biopelículas también llamado biofilms o tapete microbiano son diminutos
ecosistemas compuestos por microrganismos coligados a un área viva o inerte,
28
estas cambian en grosor y composición dependiendo el lugar y el tiempo
Esta biopelículas se encuentra en diversos lugares cotidianos. Un medio común
para la formación de biopelículas es el agua también en el fango del desagüe de
una vivienda, la placa en los dientes, los glaciares congelados entre otros, son
tipos de ambientes en el cual sucede la formación de biopelículas.
Se distinguen en tres etapas en la formación de biopelícula sobre un medio de
soporte que se detalla a continuación:
En la primera fase de la colonización, las macromoléculas (proteínas,
polisacáridos, lignina, entre otros) son adsorbidas en las superficies sólidas
limpias, debido a que son transportados desde el relleno líquido a la superficie
sólida más rápido que los microorganismos. Como consecuencia de esta
adsorción, la cobertura de la superficie sólida con agua es reducida.
Según (WIESMANN, pág. 151) En la segunda fase, las células microbianas se
unen a la superficie previamente preparada por las macromoléculas. Con
frecuencia, éstas no forman capas cerradas de espesor uniforme, más bien
componen pequeñas colonias adheridas, que pueden extenderse por el
crecimiento y adherencia adicional. Usualmente, esas células están provistas de
substrato y oxígeno que les permite alcanzar su máxima tasa de crecimiento.
Asimismo, durante este proceso, las células producen: moléculas orgánicas (que
se difunden a través de la pared celular) y sustancias poliméricas extracelulares
(EPS) catalizadas por exoenzimas, muy necesarias para la formación de una
biopelícula estable.
29
La fase final del desarrollo de la biopelícula consiste en el desprendimiento de las
células en el medio circundante. El desprendimiento puede ocurrir de una forma
activa o pasiva. El último involucra fuerzas externas tales como tensiones de
cizallamiento, la depredación por organismos superiores, entre otros, que causan
una pérdida de biomasa; las células pueden salir de la estructura del biofilms de
forma individual o en grupos más grandes. Por otro lado, el desprendimiento activo
es iniciado por las bacterias internamente, conduciendo a una dispersión de las
células; las mismas que, una vez libres, son capaces de unir y formar nuevas
colonias aguas abajo del biofilms que se originaron. (Idem, pág. 8)
Ilustración 3. Fases de formación de biopelícula
Fuente: (MASIC, 2013)
Desde la perspectiva metabólica, el oxígeno sólo se puede alcanzar en la parte
exterior de la biopelícula, lo que resulta en un crecimiento de microorganismos
aeróbicos tales como bacterias nitrificantes y protozoos. El nitrato y el nitrito
producido en esta capa se reducen por el metabolismo anóxico dentro de una capa
intermedia, que da lugar a una capa interior anaeróbica adherida directamente
sobre la superficie de soporte, donde es reducido el ácido acético y los sulfatos.
30
Los medios de soporte de plástico, se asemejan a un panal y llegan hasta los 12
m de altura, con un valor frecuente de 6 m. Esta característica, superior a la
usualmente permitida en lechos de piedra, reduce la necesidad de terreno para
la construcción del sistema. Además, los medios de plástico son efectivos en la
remoción de DBO Y SST sobre un amplio rango de cargas orgánicas. La elevada
porosidad, la alta capacidad hidráulica y la menor posibilidad de taponamiento, ha
permitido la aplicación de estos medios en aguas residuales de altas cargas
orgánicas (METCALF & EDDY, 2003)
Asimismo, la baja densidad que caracteriza a los rellenos de plástico, permite el
uso de estructuras externas más económicas. Sin embargo, este tipo de medios
de soporte implica un mayor costo (Jose, SECO, & FERRER, 2008).
31
CAPITULO 3
MARCO METODOLÓGICO
3.1 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
El presente trabajo de investigación que se enfoca en la “Determinación de la
eficiencia de remoción de la carga orgánica en un reactor aeróbico de lecho
suspendido con biomasa adherida”, por la modalidad corresponde a un proyecto
científico experimental, se realizó en la Universidad de Guayaquil en el laboratorio
de aguas de la Facultad de Ingeniería Química.
Se realizaron varios estudios en el laboratorio para conocer de este modo el
progreso de nuestra experimentación mediante la implementación de un grupo de
bacterias selectivas en el agua residual sintética.
El estudio experimental se desarrolló en un reactor biológico secuenciales (SBR)
rectangular invertido previamente elaborado a base de vidrio, con un soporte de
polietileno tipo kaldnes el cual servía para la formación de la biopelícula
considerando de tal manera un proceso Batch.
3.2 ASPECTOS METODOLÓGICOS
El presente estudio experimental está enfocado principalmente en la parte práctica
y empírica. Por tal razón, se creó el medio más óptimo para el desarrollo de las
bacterias selectivas que usamos en las pruebas experimentales obteniendo así
32
diferentes resultados en los análisis. Nuestro trabajo de investigación esta
categorizada por los siguientes métodos:
3.2.1 Método deductivo
Los tratamientos de aguas residuales son necesarios para reducir los niveles de
contaminación presentes en las aguas que han sido utilizadas en las industrias,
hogares, comercios, instituciones o actividades ganaderas. Para realizar dicho
tratamiento utilizamos agua residual sintética en un reactor biológico de lecho móvil
basado en un crecimiento de biomasa sobre un soporte generalmente de plástico,
este tipo de reactor es muy poderoso y versátil para la remoción de carga orgánica.
3.2.2 Método exploratorio
Se considera que nuestro proyecto también es un método exploratorio debido a que
es poca la información que obtuvimos de este tema, por ende es muy importante
mencionar las característica más óptimas que encontramos mediante libros,
páginas web, revistas y papers científicos.
Por consiguiente, iniciamos la puesta en marcha de nuestro bioreactor a escala de
laboratorio el cual contaba con un material de relleno que sirva de soporte para la
formación de biopelícula y a su vez utilizamos agua residual sintética.
3.2.3 Método experimental
El proyecto propuesto requirió que se evalué mediante el método experimental en
el laboratorio realizando distintas pruebas, en las cuales se usó la aireación del
agua, además de sedimentación y filtración de la muestra debido a que es un
33
método biológico que involucran procesos aeróbicos en un reactor Batch, lo que nos
llevó a obtener datos experimentales que fueron de mucha ayuda para el óptimo
desarrollo de nuestro reactor.
3.3 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN.
Para la valoración del método para el tratamiento biológico se utilizó una agua
residual sintética preparada con glucosa, nutrientes inorgánicos y la biomasa fue
preparada con bacterias selectivas colocadas en un recipiente rectangular invertido
con una dimensión de 20 cm de ancho por 30 cm de largo con una capacidad de 7
litros que tiene las siguientes características: soporte de polietileno tipo kaldnes, la
densidad de estos soportes es de 0.95 g/ cm3 y un área específica de 300 𝑚2/𝑚3 lo
que proporciono el desarrollo de la biomasa adherida.
La aireación del sistema se realizó con aire comprimido por medio de 2 difusores
porosos con longitud de 12 cm y otra de 16 cm conectados a una bomba de aire el
cual fue instalado en el centro base del reactor, de igual manera se colocaron 4
aireadores porosos de 1.5cm en cada esquina del reactor las cuales estaban
conectadas a 2 bombas de aire con el propósito de mantener la concentración de
Oxígeno Disuelto en un valor mínimo de 3-5 mg/L.
En el arranque del sistema se procedió al llenado del reactor con el agua residual
sintética, se suministró el oxígeno por medio de las bombas de aire y se adicionó
las bacterias selectivas tipo pseudomonas proporcionadas por proveedor local,
desarrollado para la depuración de aguas residuales; este último con la finalidad de
34
acelerar el proceso de aclimatación y desarrollo de la biopelícula en el medio de
soporte. Este periodo tuvo una duración de 30 días.
La aireación dentro del reactor permitió el desarrollo microbiano y la formación de
biopelícula en el medio de soporte. La finalidad de este proceso fue duplicar la
población de microorganismos para biodegradar compuestos orgánicos, bajo los
parámetros necesarios para un agua residual con baja carga de DQO. El período
de desarrollo fue de 60 días. Este proyecto, se llevó a cabo en las instalaciones del
laboratorio de aguas de la facultad de Ingeniería Química.
3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTACIÓN.
Las técnicas presentadas en nuestro proyecto de investigación son las siguientes:
3.4.1 Relleno
El tamaño del relleno influye en la altura y diámetro del tanque, se encuentra
cubierto por ¼ partes del relleno de polietileno tipo kaldnes, la densidad de estos
soportes es de 0.95 g/ cm3 y un área específica de 300 𝑚2 /𝑚3 que permiten la
formación de la biopelícula cumpliendo su misión de disminuir la carga orgánica en
el agua residual.
3.4.2 Aireación.
Nuestro reactor es un proceso aeróbico, los aireadores junto con los difusores
cumplen con la función de agregar oxígeno al agua y difundir la corriente de aire
para que las bacterias selectivas cumplan con el tratamiento de agua y no se
35
mueran. La aireación es proporcionada por unas bombas con aireadores que están
en cada esquina y los difusores están en el fondo del tanque.
3.4.3 Sedimentación.
Consiste en que tomada la muestra se deje sedimentar durante un tiempo de 10 a
15 minutos en un vaso de precipitación, ayudando a la materia que está dispersa
repose en el fondo del vaso para una mejor filtración.
3.4.4 Filtración.
Una vez ya sedimentada, es fundamental filtrar la muestra debido a que aún hay
cierta cantidad de materia orgánica. Si no se filtra la muestra puede alterar el
resultado final que medimos en el espectrofotómetro, dando como resultado un valor
mayor al deseado.
3.4.5 Calentamiento y enfriamiento.
Tomamos 3 milímetros de la muestra filtrada, la colocamos en un vial para medir
DQO. Calentamos en un reactor durante 120 minutos a una temperatura de 150 ᵒC.
Finalizado el tiempo de calentamiento, dejamos enfriar a temperatura ambiente el
vial para que pueda ser leído.
36
3.5 MATERIALES Y EQUIPOS.
Instrumentos
Balanza analítica
Termómetro
Espátula
Equipos
Bomba de aire
Espectrofotómetro
HACH
pH-metro
Termoreactor
Oxigenómetro
Materiales
Papel filtro
Espátula
Agitadores
Embudo
Pipeta
Vaso precipitación
Soportes de polietileno
tipo kaldnes
Aireadores
Difusores
Vidrio reloj
Piseta
Reactivos
COD Solution A
COD Solution B
Wasterwater influent
inorganics.
Bacterias Selectivas
Úrea
Ac. Fosfórico
Glucosa
37
3.6 INGENIERÍA DE PROCESOS
3.6.1 DIAGRAMA DE FLUJO DE LA DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE
REMOCIÓN DE LA CARGA ORGÁNICA MEDIANTE LA ELABORACIÓN DE AGUA
SINTÉTICA.
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017).
38
CAPITULO 4
4.1 CARACTERÍSTICAS DEL MEDIO DE SOPORTE
Las especificaciones del medio de soporte según la carta técnica del fabricante es
la siguiente.
Tabla 9. Dimensiones del medio de soporte
MEDIDA VALOR UNIDADES
Alto 5 mm
Ancho 15 mm
Número de módulos 670 adimensional
Volumen total del lecho 0.007 m3
Altura efectiva del lecho 11 cm
Area especifica 300 m2/m3
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
4.2 CÁLCULOS DE LA ELABORACIÓN DEL AGUA SINTÉTICA INICIAL
Relación Inicial
DQO / N2 / PO4
100 / 5 / 1
Glucosa
39
El peso molecular de la glucosa es igual a (6 x 12) + (12 x 1) + (6 x 16) = 180
El peso molecular el oxígeno es 6 x 2 x 16 = 192.
Relación 180
192= 1.066
PRIMERA EXPERIMENTACIÓN
Concentración de glucosa
7.2g
7L x
1000 mg
1g= 1025.97 mg/ L de glucosa
Nuestro DQO teórico
1025.97 mg/L de glucosa 𝑥 1.066 = 1093.68 DQO
Nitrógeno
1093.68𝑚𝑔
𝐿×
5 𝑁2
100 𝐷𝑄𝑂= 𝟓𝟒.𝟔𝟖 𝒎𝒈 𝑵𝟐
Cantidad de Sulfato de Amonio SO4 (NH4)2
Pm= 132 mg
54.68 𝑚𝑔𝑁2 ×132 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2
28 𝑚𝑔 𝑁2
×1𝑔
1000 𝑚𝑔=
0,257 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2
2= 𝟎, 𝟏𝟐𝟖 𝒈
0,128 𝑔 × 7 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 = 𝟎, 𝟗𝟎 𝒈 𝒅𝒆 𝑺𝑶𝟒(𝑵𝑯𝟒)𝟐
40
Fósforo
1093.68𝑚𝑔
𝐿×
1 𝑃𝑂3
100 𝐷𝑄𝑂= 𝟏𝟎,𝟗𝟑 𝒎𝒈𝑷𝑶𝟑
Cantidad de Ácido Fosfórico H3PO4
Pm=98 g
0.01093𝑔 𝑃𝑂4 ×98 𝑔 𝐻𝑃𝑂4
31𝑔 𝑃𝑂4 = 𝟎.𝟎𝟑𝟒𝟕 𝒈 𝒅𝒆 𝑯𝟑𝑷𝑶𝟒
SEGUNDA EXPERIMENTACIÓN
Concentración de glucosa
11g
7L x
1000 mg
1g= 1512.94 mg/ L de glucosa
Nuestro DQO teórico seria
1512.94 mg/L de glucosa 𝑥 1.066 = 1612.79 DQO
Nitrógeno
1612.79𝑚𝑔
𝐿×
5 𝑁2
100 𝐷𝑄𝑂= 𝟖𝟎.𝟔𝟑 𝒎𝒈 𝑵𝟐
Cantidad de Sulfato de Amonio SO4 (NH4)2
Pm= 132 mg
80.63 𝑚𝑔𝑁2 ×132 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2
28 𝑚𝑔 𝑁2
×1𝑔
1000 𝑚𝑔=
0,377 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2
2= 𝟎, 𝟏𝟗𝟎 𝒈
41
0,190𝑔 × 7 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 = 𝟏, 𝟑𝟑 𝒈 𝒅𝒆 𝑺𝑶𝟒(𝑵𝑯𝟒)𝟐
Fósforo
1612.79𝑚𝑔
𝐿×
1 𝑃𝑂4
100 𝐷𝑄𝑂= 𝟏𝟔,𝟏𝟐 𝒎𝒈𝑷𝑶𝟒
Cantidad de Ácido Fosfórico H3PO4
Pm=98 g
0.016 𝑔 𝑃𝑂4 ×98 𝑔 𝐻𝑃𝑂4
31𝑔 𝑃𝑂4 = 𝟎. 𝟎𝟓 𝒈 𝒅𝒆 𝑯𝟑𝑷𝑶𝟒
TERCERA EXPERIMENTACIÓN
Concentración de glucosa
9.60g
7L x
1000 mg
1g= 1370.70 mg/ L de glucosa
Nuestro DQO teórico seria
1370.79 mg/L de glucosa 𝑥 1.066 = 1462.23 DQO
Nitrógeno
1462.23𝑚𝑔
𝐿×
5 𝑁2
100 𝐷𝑄𝑂= 𝟕𝟑.𝟏𝟏 𝒎𝒈 𝑵𝟐
Cantidad de Sulfato de Amonio SO4 (NH4)2
Pm= 132 mg
42
73,11 𝑚𝑔𝑁2 ×132 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2
28 𝑚𝑔 𝑁2
×1𝑔
1000 𝑚𝑔=
0,344 𝑚𝑔 𝑆𝑂4(𝑁𝐻4)2
2= 𝟎,𝟏𝟕𝟐𝒈
0,172 𝑔 × 7 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 = 𝟏,𝟐 𝒈 𝒅𝒆 𝑺𝑶𝟒(𝑵𝑯𝟒)𝟐
Fósforo
1462.23𝑚𝑔
𝐿×
1 𝑃𝑂4
100 𝐷𝑄𝑂= 𝟏𝟒,𝟔 𝒎𝒈𝑃𝑂4
Cantidad de Ácido Fosfórico H3PO4
Pm=98 g
0.0146 𝑔 𝑃𝑂4 ×98 𝑔 𝐻𝑃𝑂4
31𝑔 𝑃𝑂4 = 0.0𝟒𝟔 𝒈 𝒅𝒆 𝑯𝟑𝑷𝑶𝟒
4.3 TABLA DE LA ELABORACIÓN AGUA SINTÉTICA
Tabla 10. Elaboración del agua sintética
Preparación Agua
(L)
Glucosa
(g)
Sulfato de
Amonio (g)
Urea (g) Ác.
Fosfórico
(g)
1 7 7,22 0,90 - 0.0347
2 7 11 1,33 - 0.050
3 7 9,60 1,2 1,2 0.46
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
43
4.4 RESULTADOS EXPERIMENTALES
En el periodo de experimentación para el tratamiento de aguas residuales obtuvimos
los siguientes datos:
4.4.1 TEMPERATURA
Tabla 11. Temperatura en relación con cada experimentación
Corridas Temperatura (ºC)
1 25,9
2 25,6
3 25,7
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
4.4.2 OXÍGENO DISUELTO
Tabla 12. Oxígeno disuelto en relación con cada corrida
Corridas O2 (mg/L)
1 7,04
2 7,25
3 7,21
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
4.4.3 POTENCIAL DE HIDRÓGENO
Tabla 13. pH en relación con cada corrida
Corridas pH
1 6,5
2 7
3 7,2
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
44
4.4.4 DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO
4.4.4.1 Tabla de calibración para los ensayos de DQO
Tabla 14. Calibración para los ensayos de DQO
Abs (X) DQO (Y)
1 0,001 100
2 0,21 500
3 0,492 1000
4 0,772 1500
45
La curva de calibración resultante es la siguiente:
Ilustración 4. Validación del método para el análisis de DQO
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
y = 1809,3x + 107,83R² = 0,9998
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
CON
CEN
TRA
CIÓ
N D
QO
(MG
O2
/L)
ABSORBANCIA (NM)
Curva de calibración DQO
46
La ecuación de la curva de calibración es:
y= 1809,3x + 107,83
Donde:
y= Concentración DQO (mg O2/L)
x= Absorbancia determinada en el laboratorio (nm)
Una de las formas para determinar el grado en que una recta se ajusta a una nube
de puntos y que ha sido de gran aceptación en el análisis de regresiones, es el
coeficiente de determinación (R2), el cual mide la proporción de variabilidad de la
variable dependiente explicada por la recta de regresión. Si el valor que resulta lo
multiplicamos por 100, obtendremos el porcentaje de la variabilidad explicada.
El coeficiente de determinación toma valores entre 0 y 1, y cuanto más se aproxime
a 1 mejor será el ajuste y por lo tanto mayor la fiabilidad de las predicciones que con
él realicemos (el coeficiente es 0 cuando los valores son independientes y 1 cuando
entre ellos existe relación perfecta).
En nuestro análisis el coeficiente de determinación es 0,9998. Este valor cercano a
1, representa que nuestra curva de calibración se ajusta en un 99,98% al conjunto
de puntos, por lo tanto posee una alta fiabilidad en la predicción de la concentración
de DQO a partir de la absorbancia medida en el laboratorio.
47
4.4.4.2 Primera experimentación
Tabla 15. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la primera
experimentación
Tiempo (días) ABS DQO (mg/L) ln (S/So)
0 0,545 1093,7 0
1 0,5402 1085,05 -0,00794037
2 0,517 1043,08 -0,04738857
3 0,496 1005,1 -0,0844794
4 0,356 751,8 -0,37485139
5 0,267 590,8 -0,61584417
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 5. Curva DQO vsTiempo
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
1093,7 1085,051043,08 1005,1
751,8
590,8
0
200
400
600
800
1000
1200
0 1 2 3 4 5 6
DQ
O (
mg/
L)
Tiempo (Días)
DQO vs Tiempo
48
Ilustración 6. Curva ln(S/So) vs Tiempo
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
4.4.4.3 Segunda experimentación
Tabla 16. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la
segunda experimentación
Tiempo ABS DQO (mg/L) ln (S/So)
0 0,832 1612,8 0
1 0,727 1422,9 -0,12527476
2 0,525 1057,5 -0,42206417
3 0,452 925,4 -0,555501
4 0,301 652,3 -0,9052225
5 0,194 458,7 -1,25733068
6 0,15 379,1 -1,44792706
7 0,12 324,8 -1,60251747
8 0,091 272,4 -1,7784555
9 0,089 268,8 -1,79175947
10 0,025 153 -2,35528916
11 0,02 144 -2,41591378
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
y = -0,1205x + 0,1128R² = 0,8034
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0 1 2 3 4 5 6
ln(S
/So
)
Tiempo (días)
ln(S/So) vs Tiempo
49
Ilustración 7. Curva DQO vs Tiempo
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 8. Curva ln(S/So) vs Tiempo
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
1612,8
1422,9
1057,5
925,4
652,3
458,7379,1
324,8 272,4 268,8153 144
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 2 4 6 8 10 12
DQ
O (
mg/
L)
Tiempo (Días)
DQO vs Tiempo
y = -0,226x + 0,0215R² = 0,984
-3
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
0 2 4 6 8 10 12
ln(S
/So
)
Tiempo (días)
ln (S/So) vs Tiempo
50
4.4.4.4 Tercera experimentación
Tabla 17. Datos empíricos obtenidos en el laboratorio correspondiente a la tercera
experimentación
Tiempo ABS mg/L ln (S/So)
0 0,7477 1460,4 0
1 0,6857 1348,3 -0,07986583
2 0,6164 1222,9 -0,17748528
3 0,5521 1106,6 -0,27741812
4 0,5072 1025,3 -0,35372512
5 0,4388 901,6 -0,48229469
6 0,3923 817,5 -0,58021475
7 0,3388 720,7 -0,70624269
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 9. Curva DQO vs Tiempo
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
1460,41348,3
1222,91106,6
1025,3901,6
817,5720,7
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 2 4 6 8
DQ
O (
mg/
L)
Tiempo (Días)
DQO vs Tiempo
51
Ilustración 10. Curva ln(S/So) vs Tiempo
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
4.5 RESULTADOS EXPERIMENTALES
Tabla 18. Relación de las experimentaciones en un tiempo de 6 días
Tiempo (días)
Primera DQO (mg/L)
Segunda DQO (mg/L)
Tercera DQO (mg/L)
0 1093,7 1612,8 1460,4
1 1085,05 1422,9 1348,3
2 1043,08 1057,5 1222,9
3 1005,1 925,4 1106,6
4 751,8 652,3 1025,3
5 590,8 458,7 901,6
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
y = -0,1004x + 0,0194R² = 0,9959
-0,8
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0 1 2 3 4 5 6 7 8
ln(S
/So
)
Tiempo(días)
ln (S/So) vs Tiempo
52
Ilustración 11. Curva DQO vs Tiempo
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 1 2 3 4 5 6
DQ
O(m
g/L)
Tiempo (días)
Curva DQO vs Tiempo
Primera DQO (mg/L) Segunda DQO (mg/L) Tercera DQO (mg/L)
53
4.6 OBTENCIÓN DE LA CONSTANTE DE REMOCIÓN POR MÉTODO INTEGRAL
54
Tabla 19. Constante de remoción
(Arellano & Chiliquinga, 2017)
4.7 CALCULO DE LA EFICIENCIA DE REMOCIÓN
Con todos los datos obtenidos mediante las pruebas experimentales hemos podido
sacar la eficiencia de cada corrida la cual se demuestra a continuación.
𝑬 =𝑺𝒐 − 𝑺
𝑺𝒐𝒙 𝟏𝟎𝟎
So = Carga contaminante de entrada
S = Carga contaminante de salida
Pruebas experimentales K (Constante de remoción)
Experimentación 1 0.1205
Experimentación 2 0.226
Experimentación 3 0.1004
55
Tabla 20. Eficiencia de remoción
Primera
experimentación Segunda
experimentación Tercera
experimentación
So (mg/L) 1093.7 1612.8 1460.4
S (mg/L) 690.8 144.0 720.7
Días 6 20 8
Eficiencia (%) 45.98 91.07 50.65
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
56
ANALISIS DE LOS RESULTADOS
Con este estudio a nivel de laboratorio, se demostró que empleando un reactor
aerobio de mezcla completa con biomasa adherida a un soporte plástico tipo
kaldnes es una buena alternativa para la remoción de la materia orgánica
biodegradable contenida en el agua residual mediante biopelículas.
Las mediciones diarias durante la fase experimental, la eficiencia más alta de
remoción de materia orgánica fue del 91.07% en un periodo de 20 días, el 50.65%
en 8 días y el 45.48% en 6 días.
57
CONCLUSIONES
En el proceso de la remoción de la carga orgánica en el reactor aeróbico de
lecho suspendido con biomasa adherida se logró en la primera
experimentación 45,98% en 6 días, en la segunda experimentación se logró
el más alto porcentaje de remoción del 91,07 durante un periodo de 20 días
y en la tercera experimentación 50,65% en 8 días.
En nuestro análisis el coeficiente de determinación es 0,9998. Este valor
cercano a 1, representa que nuestra curva de calibración se ajusta en un
99,98% al conjunto de puntos, por lo tanto posee una alta fiabilidad en la
predicción de la concentración de DQO a partir de la absorbancia medida en
el laboratorio.
Mediante el monitoreo de las condiciones óptimas de operación indicaron
que el sistema batch mantuvo un pH de 7,2, temperatura de 25,73 ºC y O2
de 7,04 mg/L los mismos que están dentro del rango para tratamientos
biológicos.
Se demuestra que el reactor aeróbico de lecho suspendido con biomasa
adherida es un proceso muy poderoso y versátil en comparación con los
tratamientos de aguas residuales convencionales.
58
RECOMENDACIONES
La aclimatación de las bacterias deben cumplir un periodo de 20 días.
Para un mejor desempeño, el reactor debe operar las 24 horas.
Es recomendable que los soportes tipo kaldnes ocupen un espacio de ¼ para
proporcionar un buen movimiento.
La aireación es un factor importante para el crecimiento microbiano.
Se recomienda que el trabajo se utilice para futuras investigaciones en el
sector de los reactores biológicos SBR.
59
ANEXOS
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 13. Puesta en marcha del equipo.
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 12. Acondicionamiento del reactor
60
Ilustración 14. Medición del oxígeno disuelto
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 15. Aeración del sistema
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
61
Ilustración 16. Crecimiento bacteriano
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 17. Formación de la biopelícula
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
62
Ilustración 18. Dosificación de glucosa
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 19. Vista frontal del reactor
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
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Ilustración 20. Aclimatación de bacterias
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 21. Prueba de sedimentación
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
64
Ilustración 22. Visualización del crecimiento bacteriano
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 23. Dilución de glucosa en agua
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
65
Ilustración 24. Nutrientes para el tratamiento de aguas residuales.
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 25. Dosificación de bacterias en el reactor
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
66
Ilustración 26. Filtración de la muestra
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 27. Muestra para el análisis de DQO
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
67
Ilustración 28. Soportes de polietileno tipo Kaldnes
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 29. Agua tratada
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
68
Ilustración 30. Diferencia del soporte Kaldnes en relación a la carga orgánica
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 31. Bomba de aire
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
69
Ilustración 32. Bacterias Selectivas
Fuente: (Arellano & Chiliquinga, 2017)
Ilustración 33. Ficha técnica de las bacterias selectivas
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Fuente: (Spartan del Ecuador productos quimicos S.A., 2017)
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