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EVALUACIÓN DE LA REMOCIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA EN FILTROS
ANAEROBIOS DE FLUJO ASCENDENTE
UTILIZANDO AGUAS RESIDUALES SINTÉTICAS
ANDRÉS FELIPE OSORIO TRUJILLO
JENNY CAROLINA VÁSQUEZ BOTERO
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE TECNOLOGÍA
PROGRAMA DE TECNOLOGÍA QUÍMICA
PEREIRA
2007
EVALUACIÓN DE LA REMOCIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA EN FILTROS
ANAEROBIOS DE FLUJO ASCENDENTE
UTILIZANDO AGUAS RESIDUALES SINTÉTICAS
ANDRÉS FELIPE OSORIO TRUJILLO
JENNY CAROLINA VÁSQUEZ BOTERO
Trabajo de grado presentado para optar al título de Tecnólogo en Química
Director
Juan Mauricio Castaño Rojas
Ing. Químico IM.sc.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA
FACULTAD DE TECNOLOGÍA
PROGRAMA DE TECNOLOGÍA QUÍMICA
PEREIRA
2007
Presidente del jurado
Jurado
Jurado
Nota de aceptación
Pereira, (día) _______ de (mes) ________ [año]
A NUESTRAS FAMILIAS POR SU COLABORACIÓN Y APOYO
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Tecnológica de Pereira, en particular al laboratorio de Química Ambiental de la Facultad de Ciencias Ambientales.
A la Química Industrial Norma P. Duran, por su colaboración y asesoría en los análisis de laboratorio.
A la Ingeniera Ambiental Janneth Cubillos, por su asesoría durante el desarrollo del proyecto.
A John Freddy Herrera, por su colaboración en el mantenimiento de los FAFAs.
Al estudiante de Ingeniería Eléctrica Andrés Pérez, quien acompaño el trabajo de campo.
CONTENIDO
Resumen 1
Introducci ón 3
1. Justificación 4
2. Objetivos 6
2.1 Objetivo General 6
2.2 Objetivos Específicos 6
3. Marco teórico 7
3.1 Tratamiento biológico 7
3.2 Proceso Anaerobio 7
3.2.1 Etapas del Proceso Anaerobio 7
3.2.1.1 Hidrólisis 8
3.2.1.2 Acidogenesis 8
3.2.1.3 Acetonogenesis 8
3.2.1.4 Metanogenesis 8
3.2.2 Clases de Procesos Anaeróbicos 8
3.2.3 Ventajas del Proceso Anaeróbico 10
3.2.4 Desventajas Proceso Anaeróbico 10
3.3 Filtros anaerobios de flujo ascendente (FAFAs) 11
3.3.1 Configuración de los FAFAs 11
3.3.1.1 Zona de entrada 11
3.3.1.2 Zona empacada 12
3.3.1.3 Zona de Salida 13
3.3.2 Operación y mantenimiento de los FAFAs 13
3.3.2.1 Arranque 13
3.3.2.2 Limpieza de natas y sobrenadantes 14
3.3.2.3 Evacuación y lavado del material. 14
3.3.3 Factores ambientales que afectan la digestión en los filtros 14
3.3.3.1 pH 14
3.3.3.2 Temperatura 15
3.3.3.3 Nutrientes 15
4. Metodología 17
4.1 Montaje experimental 17
4.2 Inoculación de los FAFAs 18
4.3 Estandarización del agua residual 20
4.4 Plan de muestreo 21
5. Discusión y análisis de resultados 23
Generalidades 23
5.1 Comportamiento de los filtros de acuerdo a la remoción de
materia orgánica.
23
5.2 Distribución de los datos. 26
6. Conclusiones 30
7. Recomendaciones 31
8. Bibliografía 32
9. Anexos 34
LISTA DE TABLAS
Tabla Nº 1. Procesos anaerobios de tratamiento de aguas residuales y
biosólidos. 9
Tabla Nº 2. Concentración del agua residual de acuerdo a la carga
orgánica volumétrica. 20
Tabla Nº 3. Diluciones ideales obtenidas en el Lab. De acuerdo a las
concentraciones obtenidas.20
Tabla Nº 4. Parámetros analizados. 22
Tabla Nº 5. Porcentaje (%) eficiencias de remoción para la 1era etapa
de los filtros. 26
Tabla Nº 6. Porcentaje (%) eficiencias de remoción para la 2da etapa
de los filtros. 26
LISTA DE FIGURAS
Figura Nº 1. Configuración de los filtros sin fondo falso. 12
Figura Nº 2. Configuración de los filtros con fondo falso. 12
Figura Nº 3. Montaje experimental. 17
Figura Nº 4. Vista tanque alimentación. 19
Figura Nº 5. Vista de los FAFAs. 19
Figura Nº 6. Eficiencias de los filtros en la primera etapa (COS 40). 24
Figura Nº 7. Eficiencias de los filtros en la segunda etapa (COS 120). 25
Figura No 8. Distribución de DQO (COS 40). 27
Figura No 9. Distribución de DBO5 (COS 40). 27
Figura No 10. Distribución de SST (COS 40). 28
Figura No 11. Distribución de DQO (COS 120). 28
Figura No 12. Distribución de DBO5 (COS 120). 29
Figura No 13. Distribución de SST (COS 120). 29
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1. Datos Obtenidos del trabajo de campo en la primera etapa
de tratamiento. Solución Alimentadora. 35
Anexo 2. Datos Obtenidos del trabajo de campo en la primera etapa
de tratamiento. Salida filtro 1. 36
Anexo 3. Datos Obtenidos del trabajo de campo en la primera etapa
de tratamiento. Salida filtro 2. 37
Anexo 4. Datos Obtenidos del trabajo del laboratorio en la primera
etapa de tratamiento. Solución alimentadora. 38
Anexo 5. Datos Obtenidos del trabajo del laboratorio en la primera
etapa de tratamiento. Salida filtro 1. 39
Anexo 6. Datos Obtenidos del trabajo del laboratorio en la primera
etapa de tratamiento. Salida filtro 2. 40
Anexo 7. Datos Obtenidos del trabajo de campo en la segunda etapa
de tratamiento. Solución Alimentadora. 41
Anexo 8. Datos Obtenidos del trabajo de campo en la segunda etapa
de tratamiento. Salida Filtro 1. 42
Anexo 9. Datos Obtenidos del trabajo de campo en la segunda etapa
de tratamiento. Salida Filtro 2. 43
Anexo 10. Datos Obtenidos del trabajo del laboratorio en la segunda
etapa de tratamiento. Solución alimentadora. 44
Anexo 11. Datos Obtenidos del trabajo del laboratorio en la segunda
etapa de tratamiento. Salida Filtro 1. 45
Anexo 12. Datos Obtenidos del trabajo del laboratorio en la segunda
etapa de tratamiento. Salida Filtro 2. 46
- 1 -
RESUMEN
Con el propósito de degradar la materia orgánica de un agua residual sintética se
construyó un sistema piloto compuesto de dos unidades en serie de filtros
anaerobios de flujo ascendente (FAFAs) y de tres humedales artificiales de flujo
subsuperficial (HASFF) con diferentes medios (Grava, Arena) arreglados en
paralelo. El presente trabajo se enfoca en evaluar el impacto de los incrementos
de carga orgánica volumétrica en la eficiencia de los FAFAs, lo anterior
enmarcado en el proyecto de investigación Hidrodinámica y cinética de
humedales de flujo subsuperficial, desarrollado por el grupo de investigación
de Agua y Saneamiento de la Facultad de Ciencias Ambientales (GIAS).
En principio se realizó la formulación de agua residual sintética de concentración
conocida (aproximada) utilizando sangre de vacuno. Posteriormente, a los FAFAs
se les suministró el agua residual sintética, durante aproximadamente siete
meses, durante este tiempo se realizaron mediciones de DBO5, DQO y SST con el
fin de efectuar la evaluación de la eficiencia y el impacto que sobre esta tiene el
incremento de carga orgánica.
A los filtros se les aplicó un flujo continuo de agua residual sintética, la primera
parte del proyecto se aplico una carga orgánica volumétrica (COV) de 229,7
gDBO5/m3*día la cual se reduce en un 50% aproximadamente en el segundo filtro
tomando un valor de 115,3 gDBO5/m3*día y en la segunda fase del proyecto esta
carga se aumento a 1037,0 gDBO5/m3*día en el filtro 1 y para el segundo filtro fue
de 520,6 gDBO5/m3*día. Los resultados obtenidos indicaron que en promedio la
remoción de materia orgánica fue de 62% en la primera parte y de 64% en la
segunda parte.
- 2 -
Finalmente esta investigación demuestra que este sistema tiene una mejor
remoción de materia orgánica con cargas altas; además que es un sistema debajo
costo en diseño y mantenimiento, lo que hace que sea una alternativa de
depuración de aguas residuales ideal.
- 3 -
INTRODUCCIÓN
La materia orgánica en las aguas residuales industriales y domésticas es un
problema que afecta directamente la fuente receptora de agua e indirectamente la
población que la consume (Romero, 1999). Una vez la materia orgánica ingresa a
la fuente receptora, provoca desoxigenación del agua principalmente y por
consiguiente muerte de peces y producción de olores indeseables, además de un
agotamiento de oxígeno disuelto y desarrollo de condiciones sépticas.
El problema es complejo, las fuentes de contaminación son múltiples y los
tratamientos no son los efectivos para la remoción de materia orgánica; por esta
razón es preciso mejorar las tecnologías existentes, que mejoren resultados
dentro de unos parámetros específicos (Lara, 1999). Una de las tecnologías
existentes en proceso de mejoramiento es el tratamiento biológico el cual conlleva
a diferentes procesos (Anaerobio, Aerobio y Anoxico); destacándose entre ellos el
tratamiento por medio de lodos activados, humedales artificiales y reactores
anaerobios.
En este trabajo se pretende demostrar la eficiencia de un reactor anaerobio de
flujo ascendente (FAFAs) y además los beneficios que este trae a la comunidad
por sus bajos costos en montaje y mantenimiento.
- 4 -
1. JUSTIFICACION
La escasez cada vez mayor de las aguas debido al crecimiento demográfico, a la
urbanización y, probablemente, a los cambios climáticos, ha dado lugar al uso
creciente de aguas residuales para la agricultura, la acuicultura, la recarga de
aguas subterráneas y otras áreas. (OMS, 2005). Dicha escasez ha venido unida
de el interés de optimizar los tratamientos secundarios comunes existentes como
el tratamiento biológico anaerobio que se ha constituido en los últimos años en
una alternativa tecnológica para el tratamiento de aguas residuales. Parte de este
atractivo radica en la economía de recursos que representa y en la posible
utilización del gas producido durante la degradación de la materia orgánica, para
fines de generación de energía. Estos sistemas han demostrado buena eficiencia
en la remoción de la porción soluble de la materia orgánica presente en las aguas
residuales. (Villegas, 2003).
En nuestro país presenta vital importancia los filtros anaerobios de flujo
ascendente (FAFAs) como alternativa de depuración de aguas residuales, siempre
y cuando este método beneficie a la comunidad que lo aplique sin que conlleve a
demasiados costos en su montaje, operación y manejo, debido a que el
tratamiento de aguas residuales como problemática ambiental en un país en vía
de desarrollo no son la prioridad en sus recursos económicos.
En general los FAFAs se han usado para el tratamiento de aguas residuales
domesticas diluidas, se pretende evaluar cual es su comportamiento operativo,
una vez se incremente la concentración del agua residual afluente (Castaño,
2002).
Este trabajo pretende colaborar con la investigación para mejoramiento de nuestro
medio ambiente, aprovechar nuestros propios recursos y generar inquietudes a
- 5 -
aquellas personas que se sientan comprometidas con el mejoramiento y
recuperación de los recursos hídricos.
- 6 -
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Evaluar la remoción de materia orgánica en un agua residual sintética utilizando
filtros anaerobios de flujo ascendente (FAFAs).
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Estandarizar la preparación del agua residual sintética, con la cual se alimentara a
los FAFAs, utilizando sangre de bovino como fuente de materia orgánica.
Evaluar la eficiencia de remoción de FAFAs en serie bajo dos cargas orgánicas
superficiales (COV) diferentes.
- 7 -
3. MARCO TEORICO
3.1 Tratamiento biológico
El tratamiento biológico de las aguas residuales supone la remoción de
contaminantes mediante actividad biológica. La actividad biológica se aprovecha
para remover principalmente sustancias orgánicas biodegradables coloidales o
disueltas del agua residual, mediante su conversión en gases que escapan a la
atmósfera y en biomasa extraíble mediante sedimentación. La actividad biológica
también se uso para remover nitrógeno y fósforo del agua residual (Romero,
1999).
3.2 Proceso anaerobio
El proceso anaerobio la definió Pasteur como la vida sin aire. Es la
descomposición u oxidación de compuestos orgánicos en ausencia de oxígeno
libre para obtener la energía requerida para crecimiento y mantenimiento de los
organismos anaerobios. El proceso anaerobio es menos eficiente en producción
de energía que el aerobio, puesto que la mayoría de energía liberada en el
catabolismo anaerobio proveniente de la sustancia descompuesto aun pertenece
en los productos finales orgánicos reducidos como el metano, generándose una
cantidad de biomasa mucho menor que la producida en el proceso aerobio.
(Romero, 1999)
3.2.1 Etapas del proceso anaerobio
Generalmente el proceso anaeróbico completo se opera mediante cuatro etapas
secuenciales:
- 8 -
3.2.1.1 Hidrólisis
En esta etapa existe un rompimiento de grandes cadenas poliméricas (proteínas,
carbohidratos, lípidos), en compuestos mas sencillos (azucares, aminoácidos,
alcoholes) (Castaño, 2003)
3.2.1.2 Acido-génesis
En esta etapa los monómeros o compuestos sencillos se transforman en ácidos
grasos de cadena corta como el acetato, propionato, butirato, etc, además de CO2
y H2. (Villegas, 2002)
3.2.1.3 Acetogenesis
Las bacterias acetogénicas, transforman los anteriores compuestos en acetato,
precursor del metano. Esta etapa junto a la anterior, son conocidas como etapa
fermentativa y se caracteriza por su producción de CO2 y H2. (Villegas, 2002).
3.2.1.4 Metanogenesis
El paso final de la secuencia de reacciones bioquímicas, están a cargo de las
bacterias metanogénicas, cuya función es la de transformar el acetato en metano.
3.2.2 Clases de procesos anaeróbicos
Los diferentes sistemas de reacción anaeróbica de acuerdo a su crecimiento se
pueden apreciar en la Tabla Nº 1:
- 9 -
Tipo Nombre Común Uso
Crecimiento suspendido
• Digestión anaerobia:
tasa estándar, tasa
alta, una y dos etapas.
• Proceso anaerobio de
contacto
• Estabilización, remoción
de DBOC, remoción de
SSV.
• Remoción de DBOC
Hibrido
Lagunas anaerobias Remoción de DBOC,
remoción de SS.
Tanque séptico
Tratamiento primario,
remoción de grasas,
remoción de DBOC,
remoción de Sólidos
Suspendidos.
Proceso de flujo
ascensional y manto de
lodos anaerobio, PAMLA,
RAFA o UASB.
Remoción de DBOC,
Remoción de SS
Tanque Imhoff
Remoción de grasas,
remoción de SS y
digestión anaerobia de
dichos sólidos.
Crecimiento bacteriano
Filtro anaerobio Remoción de DBOC,
estabilización.
Proceso de lecho
fluidizado Remoción de DBOC.
Proceso de lecho
expandido. Remoción de DBOC.
Tabla Nº1 . Procesos anaerobios de tratamiento de aguas residuales y biosólidos.
(Romero, 1999)
- 10 -
3.2.3 Ventajas del tratamiento anaerobio
• El material orgánico se convierte en biogás, el cual se puede utilizar para
obtener energía calorífica.
• Baja producción de lodo; y el obtenido puede ser utilizado en el comienzo
de nuevos reactores o simplemente se puede perder fácilmente en el suelo.
• El diseño y construcción del reactor son simples, lo cual disminuye aun mas
los costos del montaje.
• Bajo consumo de energía.
• No requiere oxígeno. Por lo tanto usa poca energía eléctrica y es
especialmente aceptable a aguas residuales de alta concentración
orgánica.
• Tiene bajos requerimientos nutricionales.
3.2.4 Desventajas del tratamiento anaerobio.
• Sólo puede ser utilizado como pre-tratamiento.
• El diseño y construcción de los reactores son diferentes para cada tipo de
agua (Doméstica, ingenios azucareros, fábricas de papel, etc).
• El medio es corrosivo
• Tiene riesgos de salud y puede presentar olores desagradables por la
presencia de H2S.
• Exige intervalos de operación del pH bastantes restringidos.
• Es sensible a la contaminación con oxígeno.
- 11 -
3.3 Filtros Anaerobios de Flujo Ascendente (FAFAs)
El filtro anaeróbico de flujo ascendente es un proceso de crecimiento adherido
propuesto por Young y McCarty en 1969, para el tratamiento de residuos solubles.
De los sistemas de tratamiento anaerobio es el mas sencillo de mantener porque
la biomasa permanece como una película microbial adherida y porque como el
flujo es ascendente, el riesgo de taponamiento es mínimo. (Romero, 1999).
En el filtro el agua residual fluye, sobre o a través de una masa de sólidos
biológicos, contenidos en un reactor con material de empaque. La biomasa en el
reactor puede estar adherida a la superficie del medio en forma de biopelícula, o
estar en suspensión en el líquido como lodo granular o floculento. Los
compuestos orgánicos solubles y los nutrientes existentes en el agua residual
afluente se difunden dentro de los sólidos biológicos, adheridos al medio o en
suspensión, convirtiéndose en los productos intermedios y finales propios de la
digestión anaerobia. (Castaño, 2003).
Este tipo de reactor es una alternativa para aguas residuales domésticas e
industriales de concentración media y alta (superior a 1500 DQOmg/l) y con buen
desempeño en el tratamiento de desechos del procesamiento de las carnes, la
leche, acido láctico y de otros productos agroindustriales como la caña de azúcar y
el café. (Torres, 2003).
3.3.1 Configuración de los FAFAs
Los filtros se componen de tres partes o zonas funcionales:
3.3.1.1 Zona de entrada
Los tipos de configuración de entrada son sin fondo falso (Figura Nº1) y con fondo
falso (Figura Nº2).
- 12 -
Figura Nº 1. Configuración Sin Figura Nº2. Configuración Con
Fondo falso Fondo Falso
La distribución de cualquiera de los dos filtros se realiza con una tubería de PVC
perforada. En la configuración sin fondo falso, el medio de soporte es ocupado en
su totalidad en el volumen del reactor, lo que conlleva a un posible taponamiento
si el material no es uniforme e idealmente de alta porosidad; en cambio en la
configuración con fondo falso, se promueve una mejor sedimentabilidad del floc, y
menor riesgo de taponamiento. No obstante esta configuración es mas costosa
debido a su mayor profundidad. (Castaño, 2002).
3.3.1.2 Zona Empacada
En la zona empacada se encuentra el medio filtrante, el cual ejerce influencia
sobre la eficiencia, ya que el medio actúa como separador líquido-gas, también
ayuda a proveer un flujo uniforme del agua residual reduciendo las posibilidades
de pasos directos a través del reactor, propiciando un mayor contacto del residuo
con la masa biológica; además el medio retiene la biomasa adherida o en
suspensión, generando altos tiempos de retención celular, indispensables para el
correcto funcionamiento del sistema. (Castaño, 2002).
Los medios de soporte puede estar constituido por materiales como piedras,
bloques cerámicos, espumas, materiales plásticos, conchas de ostras y mejillones,
bloques modulares de PVC, granito, esferas de polietileno y bambú. Cualquiera
que sea el material del medio de soporte es importante que cumpla algunos
- 13 -
requisitos, tales como; ser biológica y químicamente inerte, ser liviano, tener alta
porosidad, tener una estructura resistente y ser de costo reducido. (Torres, 2003).
3.3.1.3 Zona de Salida
Esta zona además de recibir y evacuar el efluente del filtro, tiene la
responsabilidad de garantizar una distribución correcta del caudal de salida, para
una adecuada eficiencia hidráulica del sistema. La configuración de la zona de
salida afecta también la distribución a través del medio, lo que se puede
representar en cortos circuitos que afectan la eficiencia del sistema. (Castaño,
2002).
3.3.2 Operación y mantenimiento de los FAFAs
Una de las ventajas de estos sistemas es su sencillez en el manejo y
mantenimiento, lo cual consiste en:
• Arranque.
• Limpieza de natas y sobrenadantes.
• Purga de lodos.
• Evacuación y lavado del material.
3.3.2.1 Arranque
En la mayoría de los casos es preciso realizar una inoculación de los reactores
anaeróbicos, antes de realizar el arranque. Esto se realiza para disminuir el largo
tiempo de arranque, debido al lento crecimiento de las bacterias metanogénicas
(Romero, 1999). El arranque se da cuando se empieza a suministrar el agua a
tratar, esperando una buena eficiencia a partir de la cuarta semana.
- 14 -
3.3.2.2 Limpieza de natas y sobrenadantes
La limpieza de natas y sobrenadantes y la purga de lodos se realizan con el
objetivo de evitar posibles taponamientos. Los lodos que se obtienen se pueden
llevar a un lecho de secado o se pueden utilizar para realizar nuevos reactores.
3.3.2.3 Evacuación y lavado del material.
Eventualmente es preciso realizar la evacuación y lavado del material de
empaque, lo anterior es particularmente cierto cuando este es muy fino y se
presenta problemas por colmatación del lecho que no resuelven mediante purgado
de fondo. (Castaño, 2002).
3.3.3 Factores ambientales que afectan la digestión en los filtros.
El rendimiento de la digestión anaeróbica es directamente proporcional a factores
ambientales y parámetros del proceso. Por tal motivo es necesario tomar medidas
necesarias a tiempo para obtener buenos resultados. Estos factores mas
importantes que influyen son:
3.3.3.1 pH
La presencia de Ácidos Grasos Volátiles (AGV) en la forma no ionizada hace que
cuando el pH es inferior a 6.0, una severa inhibición de las bacterias
metanogénicas pueda ser anticipada. Por otra parte, las bacterias fermentativas
son aun activas hasta un pH de 4.5. Cuando la capacidad metanogénica esta
continuamente sobrecargada y no se añade la base necesaria para neutralizar a
los AGV presentes, el sistema de tratamiento se convertirá en un reactor de
acidificación. El pH de este efluente debe ser próximo a 4.5 - 5.0. (Zegers, 1987).
- 15 -
Se recomienda mantener el contenido del reactor en un intervalo de pH entre 7.0 y
7.5. La actividad de las bacterias metanogénicas también disminuye si el pH
aumenta por encima de 7.5. (Zegers, 1987).
3.3.3.2 Temperatura
De acuerdo con la temperatura los ambientes anaeróbicos pueden dividirse en
tres categorías: psicrofílicos (0 a 20oC); mesofílos (20 a 40 oC) y termofílos (45 a
65 oC). Las bacterias que crecen en cada uno de estos intervalos de temperatura
son organismos diferentes. Si el intervalo de temperatura en el reactor cambia, es
necesario arrancar el reactor de nuevo. Una nueva población bacterial tiene que
ser cultivada.
El rango más utilizado en filtros es el mesofílico, en este rango, la actividad y el
crecimiento de las bacterias disminuye en un 50% por cada 10 oC de de descenso
por debajo de 35 oC. Cambios de temperatura en el intervalo mesofílico pueden
ser normalmente tolerados, pero cuando la temperatura desciende la carga
también debe ser disminuida de acuerdo con el descenso de la actividad
esperada. No es aconsejable aumentar la temperatura de reactores mesofílicos
por encima por encima de 42 oC, ya que a temperaturas mas altas ocurre un
rápido deterioro de las bacterias. (Zegers, 1987).
3.3.3.3 Nutrientes
La digestión anaeróbica por ser un proceso biológico requiere ciertos nutrientes
inorgánicos esenciales para el crecimiento. En defecto de estos nutrientes el
crecimiento esta limitado. La mayoría de las aguas residuales no presentan una
deficiencia. Sin embargo, algunos afluentes producidos en la fabricación de papel,
almidón y alcohol pueden ser deficientes en los micronutrientes esenciales.
- 16 -
Las bacterias metanogénicas contienen los nutrientes esenciales normales, tales
como N, P y S, pero algunos micronutrientes, tales como Ni, Fe y Co están
presentes en concentraciones mas altas que en otros organismos. Esto indica un
requerimiento particular de estos micronutrientes por las bacterias metanogénicas.
(Zegers, 1987).
- 17 -
4. METODOLOGIA
4.1 Montaje Experimental
Para el desarrollo del proyecto sobre la evaluación del rendimiento de filtros
anaerobios de Flujo Ascendente (FAFAs), el cual pertenece a un proyecto de
Hidrodinámica y Cinética de Humedales; se trabajo en un montaje de dos FAFAs
en serie y de tres humedales artificiales de flujo subsuperficial (HAFFS), ubicados
en la planta de tratamiento de la Universidad Tecnológica de Pereira. El montaje
posee un sistema de alimentación de agua residual sintética, la cual es llevada a
los filtros por medio de una bomba peristáltica que a su vez regula el caudal de la
solución (Fig. Nº3).
Figura Nº3. Montaje experimental
- 18 -
4.2 Inoculación de los FAFAs
Para la inoculación de los FAFAs se utilizo como inóculo metanogénico un manto
anaerobio de lodo de flujo ascendente (UASB), proveniente de la Planta de
Tratamiento de Aguas Residuales de Gaseosas Posada y Tobón S.A. del
municipio de Dosquebradas. El medio de soporte utilizado para las bacterias
metanogénicas fue anillos de guaduilla con una longitud de 10cm, una porosidad
de 0.67 y un diámetro promedio de 2,5cm; provenientes del Jardín Botánico de la
Universidad Tecnológica de Pereira. Los FAFAs poseen una configuración de
entrada con fondo falso; el cual, se realiza por medio de una parilla de 20cm de
altura.
El empaquetamiento de los filtros se realizó llenando cada 20cm del tanque con
guaduilla, adicionándole la cantidad suficiente de lodo hasta el aforo y
espolvoreándole un poco de cal comercial con el fin de controlar el pH; se realizó
este procedimiento hasta llegar a los 60cm del tanque después de la parilla y con
los dos FAFAs.
Realizado el montaje de los FAFAs se dejo tres semanas para la aclimatación de
los filtros y para que el manto anaeróbico se adhiera a la superficie de la guaduilla;
pasadas las tres semanas se introdujo la solución estandarizada para la
adaptación del filtro a la solución, lo cual llevó un tiempo no mayor a cinco
semanas.
- 19 -
Figura Nº4. Vista tanque alimentación
Figura Nº 5. Vista de los FAFAs
- 20 -
4.3 Estandarización del Agua Residual
El agua residual sintética se preparó con sangre de bovino como fuente de materia
orgánica la cual fue obtenida del matadero metropolitano de la ciudad de Pereira y
un veinte por ciento (20%) de agua residual como fuente de micro-nutrientes
proveniente del campus de la Universidad Tecnológica de Pereira. La solución se
estandarizó según las concentraciones obtenidas mediante el cálculo de la carga
orgánica volumétrica y teniendo en cuenta una residencia hidráulica promedio de
12 horas (Tabla Nº 2). Para la estandarización de dicha solución se realizaron
diferentes diluciones de la sangre, hasta lograr las concentraciones ideales según
la carga orgánica volumétrica (Tabla Nº 3); lo cual se realizó en el laboratorio de
Procesos biológicos de la Facultad de Ciencias Ambientales de la Universidad
Tecnológica de Pereira. Es preciso notar que las concentraciones requeridas de
macronutrientes tales como Nitrógeno y Fósforo superaban lo esperado, con lo
cual no tuvimos la necesidad de adicionarle urea y/o sales de fósforo.
FASE DQOefluente COV Filtro 1 COV Filtro 2 Residencia Hid/ca
1 110 mg/L 229,7 gDBO5/m3*día 115,3 gDBO5/m
3*día 11,8 h
2 350 mg/L 1037,0 gDBO5/m3*día 520,6 gDBO5/m
3*día 11,4 h
Tabla Nº 2. Concentración del agua residual de acuerdo a la carga orgánica volumétrica.
DQOefluente (mg/l) Diluciones ideales
110 3000
350 800
Tabla Nº3. Diluciones ideales obtenidas en el Lab. de acuerdo a las concentraciones obtenidas.
- 21 -
La Carga Orgánica Volumétrica (COV) calculada para los dos filtros en las dos fases del proyecto utilizo la siguiente formula: COV= (Q*CDBO5/Vempacado ). (Romero, 1999), donde:
Q= Caudal promedio de agua residual que recibe el filtro. CDBO5= Concentración promedio de DBO5 aplicada al filtro. Vempacado = Volumen empacado donde se llevó el proceso de aireación.
El volumen empacado estaba ocupado en 60 cm. de altura después de la parrilla del filtro y el valor de este era de 0,143 m3, el volumen total del tanque era de 0,214 m3.
También se calculo el tiempo de retención hidráulica o tiempo de aireación con la siguiente formula: θθθθ= (V/Q). (Romero, 1999), donde:
V= Volumen del tanque de aireación. Q= Caudal promedio de agua residual que recibe el filtro.
Los datos promedio de dichos tiempos de retención para cada una de las fases del proyecto se encuentran en la tabla No 2.
4.4 Plan de Muestreo
Los muestreos se realizaron semanalmente haciendo toma de muestras
compuestas, se realizó un plan de muestreo el cual consistía en la toma de
alícuotas de cada punto con un intervalo de 10 minutos, durante seis horas,
debido a que el caudal interferido en cualquier punto de muestreo afecta el mismo
de los otros puntos posteriores.
La frecuencia y parámetros evaluados de las muestras en la siguiente tabla
(Tabla Nº 4):
- 22 -
Parámetro Frecuencia
Demanda bioquímica de oxigeno – DBO5 Semanal
Demanda química de oxigeno total – DQOt Semanal
Demanda química de oxigeno soluble – DQOs Semanal
Sólidos suspendidos – SST Semanal
Nitrógeno total – NTK Semanal
Fósforo total – FT Semanal
Caudal Durante el muestreo
Temperatura Durante el muestreo
pH Durante el muestreo
Tabla Nº 4. Parámetros analizados
- 23 -
5. DISCUSIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Generalidades
Los datos obtenidos durante el muestreo, ya sea del trabajo de campo y del
trabajo del laboratorio; fueron analizados por medio de el programa estadístico
SPSS 11.
5.1 Comportamiento de los filtros de acuerdo a la r emoción de materia
orgánica
Las remociones de materia orgánica obtenidas por los filtros anaerobios de flujo
ascendente, fueron los esperados dentro de los parámetros específicos, ya que
obtuvieron un rendimiento promedio del 63%.
Las figuras 6 y 7 muestran las eficiencias de remoción de DBO5, DQO y SST,
durante la operación de las dos fases del tratamiento con COV 229,7 en Filtro 1 y
115,3 en Filtro 2 en la primera fase y COV 1037,0 en Filtro 1 y 520,6 en Filtro 2 en
la segunda fase respectivamente.
- 24 -
� DBO5� DQO� SST
Parametro
Los puntos/líneas muestran Medias
1 2 3 4 5 6 7
Muestreo
40
50
60
70
80
90
Efi
cien
cia
(%)
�
� �
�
�
�
�
� �
�
�
�
�
�
�
�
�
�
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�
�
Figura Nº6. Eficiencias de los filtros en la primer a fase del sistema.
- 25 -
� DBO5� DQO� SST
parametr
Los puntos/líneas muestran Medias
1 2 3 4 5 6 7
Muestreo
50
60
70
80
Efi
cien
cias
(%)
�
�
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�
�
�
�
�
�
�
�
��
�
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�
�
�
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Figura Nº 7. Eficiencias de los filtros en la segun da fase del sistema.
Gracias a la inoculación y arranque apropiado del sistema, se observa una buena
eficiencia, presentando remociones de DQO entre 49% y 78%, de DBO5 entre
46% y 84% y de SST entre 40% y 92% (Tabla Nº5 y Nº6). Aunque se observa un
mejor rendimiento y mayor estabilidad de los filtros al aumentar la carga; debido a
que a una mayor carga se obtiene un crecimiento bacterial más alto.
- 26 -
Parámetro FAFA1 FAFA2 FAFA1 + FAF2
DBO5 46.14 33.14 63.86
DQO 42.4 33.60 62.42
SST 49.57 36.57 68.29
Tabla Nº 5. Porcentaje (%) eficiencias de remoción para la 1era etapa de los
filtros.
Parámetro FAFA1 FAFA2 FAFA1 + FAF2
DBO5 46.57 45.71 70.71
DQO 41.86 38.71 64.43
SST 39.71 27.29 57.43
Tabla Nº 6. Porcentaje (%) eficiencias de remoción para la 2da etapa de los
filtros.
5.2 Distribución de los datos.
Por medio de las siguientes figuras observamos la variabilidad del agua residual
sintética afluente en los diferentes ensayos (DQO, DBO5, SST). Se observa un
rango de variabilidad aceptable del agua residual afluente en la DQO y DBO5; a
diferencia de los datos obtenidos con los SST, los cuales tuvieron gran variabilidad
principalmente en el afluente de la Solución Alimentadora debido a la coagulación
de la sangre la cual involucra la formación de sólidos no deseables durante el
primer flujo que llega al efluente del filtro 1 (Ver Figura Nº 3).
- 27 -
Solucion Alimentadora Salida Fi ltro 1 Salida Fi ltro 2
25,00
50,00
75,00
100,00
125,00
150,00
DQ
O(m
g/l)
�
�
�
Solucion Alimentadora Salida Fi ltro 1 Salida Fi ltro 2
25.00
50.00
75.00
100.00
DB
O5
(mg
/l)
�
Figura Nº 8. Distribución de DQO (Fase 1).
Figura Nº 9. Distribución de DBO 5 (Fase 1).
- 28 -
Solucion Alimentadora Salida Fi ltro 1 Salida Fi ltro 2
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
SS
T(m
g/l)
��
Solución Alimentadora Salida filtro 1 Salida Fi ltro 2
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00
450.00
500.00
DQ
O(m
g/l)
Figura Nº 10. Distribución de los SST (Fase 1).
Figura Nº 11. Distribución de la DQO (Fase 2).
- 29 -
Solución Alimentadora Salida filtro 1 Salida Fi ltro 2
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
350.00
400.00D
BO
(m
g/l)
�
�
Solución Alimentadora Salida filtro 1 Salida Fi ltro 2
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
SS
T(m
g/l)
�
�
Figura Nº 12. Distribución de los DBO 5 (Fase 2).
Figura Nº 13. Distribución de los SST (Fase 2).
- 30 -
6. CONCLUSIONES
• Los sistemas presentan una mayor remoción de materia orgánica y mayor
estabilidad con una carga alta, debido a que se obtiene un mayor
crecimiento bacteriano.
• Los filtros anaerobios de flujo ascendente se convierte en una alternativa
para la depuración de aguas residuales obteniéndose de forma rápida y de
bajo costo una reducción de materia orgánica hasta de un 62%.
• El sistema pudo tolerar por mucho tiempo las cargas expuestas, debido a
que este no presento un colapso durante lo corrido del proyecto.
• Se calculo el tiempo de residencia hidráulica para las dos fases del
proyecto las cuales en promedio fueron de 11,8 horas en la primera fase y
de 11,4 horas en la segunda fase, lo que concluye que dicha retención
estuvo cerca de la promediada para el sistema.
- 31 -
7. RECOMENDACIONES
• Para efectos de realizar un ensayo similar en un futuro, es recomendable
realizar en el montaje, un sistema de entrada y de salida de cada filtro con
una tubería un poco mas ancha o mangueras que eviten el taponamiento
de los mismos y de esta forma obtener un caudal mas uniforme.
• Realizar una zona de evacuación de la biomasa o floc producido, para
evitar zonas muertas dentro del filtro y el taponamiento del mismo.
• Se recomienda lavar el tanque de alimentación periódicamente, para evitar
que los residuos que se forman interfieran con la medición de los sólidos
suspendidos totales.
• Para que la actividad metano génica sea efectiva se recomienda mantener
el pH en un rango de 7.0 – 7.5.
- 32 -
8. BIBLIOGRAFÍA
•••• CASTAÑO ROJAS, Juan Mauricio, PAREDES CUERVO, Diego. Uso de
aros de guadua en filtros anaerobios para el tratamiento de aguas
residuales. En: Seminario: Taller Avances de la investigación sobre guadua.
Pereira, 2002.
•••• CASTAÑO ROJAS, Juan Mauricio. Influencia del medio de soporte de el
comportamiento de filtros anaerobios de flujo ascendente bajo diferentes
tiempos de retención hidráulica. Cali, 2003, 70 p. Trabajo de grado
(Magíster en Ingeniería Sanitaria y Ambiental). Universidad del Valle.
Facultad de Ingeniería.
•••• CASTAÑO, Juan Mauricio. Consideraciones sobre diseño, arranque ,
operación y mantenimiento de filtros anaeróbicos de flujo ascendente.
Revista SCIENTIA ET TECHNICA. Abril 2002.
•••• LARA B, Jaime Andrés. Depuración de aguas residuales urbanas mediante
humedales artificiales [en línea]. 1999. Disponible en internet:
<http://www.geocities.com/jalarab/>.
•••• ORGANIZACIÓN MUNDIAL DE LA SALUD (OMS). Agua, Saneamiento y
Salud: El uso de aguas residuales [boletín informativo en línea]. New York
(USA). 2005. Disponible en internet:
<http://www.who.int/water_sanitation_health/wastewater>.
- 33 -
•••• ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales: Teoría y
principios de diseño. Bogotá. Escuela Colombiana de Ingeniería, 1999.
1244 p. ISBN 958-8060-13-3.
•••• TORRES, Patricia, RODRIGUEZ, Jenny, y URIBE, Iris E. Tratamiento de
aguas residuales del proceso de la extracción de almidón de yuca en filtro
anaerobio: influencia del medio de soporte. Revista SCIENTIA ET
TECHNICA. Diciembre, 2003.
•••• VILLEGAS, Juan D. Evaluación del comportamiento hídrico de filtros
anaerobios de flujo ascendente que tratan aguas residuales domesticas
diluidas. Manizales, 2002, 120p. Trabajo de grado (Ingeniero Químico).
Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería y Arquitectura.
•••• ZAMBRANO, D., Isaza, J.D., Rodríguez. Tratamiento de aguas residuales
del lavado del café. Boletín técnico Nº20 CENICAFE. Chinchiná, Colombia.
1999.
•••• ZEGERS, Frank. Arranque y Operación de Sistemas de Flujo Ascendente
con Manto –UASB- : Manual del curso: A. Microbiología. Universidad del
Valle; Corporación Autónoma regional del Cauca; Universidad Agrícola de
Wageningen, Santiago de Cali, Noviembre 1987. Paginas A11-A13.
- 34 -
9. ANEXOS
-
35 -
Ane
xo 1
. Dat
os O
bten
idos
del
trab
ajo
de c
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en
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1 2
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24-
Feb
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-200
6 23
-mar
-200
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-mar
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abril
-200
6 11
-may
-200
6 18
-may
-200
6
pH7.
26
6.90
6.
83
6.94
6.
82
6.56
6.
33
Tem
pera
tura
(C
) --
----
- 22
.02
19.4
3 22
.77
20.6
3 22
.21
23.4
5
Cau
dal (
ml/
min
) 30
8.9
302.
0 31
2.0
316.
0 31
5.0
328.
3 32
4.0
-
36 -
Ane
xo 2
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os O
bten
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ajo
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6 23
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6 7-
abril
-200
6 11
-may
-200
6 18
-may
-200
6
pH6.
98
6.87
6.
72
6.76
6.
65
6.71
6.
56
Tem
pera
tura
(C
)
----
---
22.5
6 19
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23.5
1 20
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22.8
0 24
.02
Cau
dal (
ml/
min
) 25
7.26
27
6.00
29
2.80
27
8.80
30
1.00
31
5.38
30
3.08
-
37 -
Ane
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Feb
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6 16
-mar
-200
6 23
-mar
-200
6 30
-mar
-200
6 7-
abril
-200
6 11
-may
-200
6 18
-may
-200
6
pH6.
97
6.99
6.
76
6.83
6.
76
6.77
6.
67
Tem
pera
tura
(C
)
----
---
23.0
8 19
.79
23.8
3 20
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22.6
6 24
.21
Cau
dal (
ml/
min
) 24
2.63
27
2.00
29
4.80
27
3.20
25
2.00
29
3.38
30
4.30
-
38 -
Ane
xo 4
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idos
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23
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abril
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6 11
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-200
6
DQ
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mg
O2/
l )
108.
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05
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l )
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O2/
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0 77
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55
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0 62
.04
SS
T (m
g/l)
33.3
5 18
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27.5
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13.0
0
-
39 -
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mg
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l )
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2 52
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7
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O5
(mg
O2/
l )
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SS
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-
40 -
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6 23
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6 30
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-200
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6 11
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-200
6
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l )
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4
DB
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O2/
l )
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-
41 -
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6
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ml/
min
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-
42 -
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min
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-
43 -
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ml/
min
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![REMOCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA POR …bdigital.unal.edu.co/1214/1/nestoralejandrogomezpuentes...1. GENERALIDADES [1] El número de compuestos orgánicos que se han sintetizado desde](https://img.pdfslide.es/doc/110x75/5e2687dd0656184f067fff82/remocin-de-materia-orgnica-por-1-generalidades-1-el-nmero-de-compuestos.jpg)
