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EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 1
EVALUACIÓN USO DE DIFERENTES NIVELES DE INYECCIÓN DE AIRE EN UN
REACTOR DE LODOS ACTIVADOS CON PRESIÓN A ESCALA PILOTO
ANDRÉS FELIPE AYALA CARDONA
JORGE ARIEL MEJÍA MESA
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL
VILLAVICENCIO
2019
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 2
EVALUACIÓN USO DE DIFERENTES NIVELES DE INYECCIÓN DE AIRE EN UN
REACTOR DE LODOS ACTIVADOS CON PRESIÓN A ESCALA PILOTO
ANDRÉS FELIPE AYALA CARDONA
JORGE ARIEL MEJÍA MESA
Trabajo de grado como requisito para optar al título de Ingeniero Ambiental
Asesor:
HENRY CONTRERAS LEÓN
Ingeniero Ambiental Esp. Ingeniería química
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL
VILLAVICENCIO
2019
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 3
Autoridades Académicas
P. José Gabriel MESA ANGULO, O. P.
Rector General
P. Eduardo GONZÁLEZ GIL, O. P.
Vicerrector Académico General
P. José Arturo RESTREPO RESTREPO O.P.
Rector Sede Villavicencio
P. Rodrigo GARCÍA JARA, O.P.
Vicerrector Académico Sede Villavicencio
Adm. JULIETH ANDREA SIERRA TOBÓN
Secretaria de División Sede Villavicencio
YÉSICA NATALIA MOSQUERA BELTRÁN
Decana Facultad de Ingeniería Ambiental
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 4
Nota de aceptación
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_____________________________
YÉSICA NATALIA MOSQUERA BELTRÁN
Decana de Facultad de Ingeniería Ambiental
_____________________________
HENRY CONTRERAS LEÓN
Director Trabajo de Grado
____________________________
CHRISTIAN JOSÉ ROJAS REINA
Jurado
____________________________
MARIA ALEXANDRA MENDEZ MUÑOZ
Jurado
Villavicencio, junio de 2019.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 5
A Dios por permitirme el esfuerzo, la sabiduría hasta lograr dicho propósito personal y
profesional. A mi familia por su apoyo y colaboración.
Andrés Felipe Ayala Cardona.
Al todo poderoso por ser el guía dinamizador de vida, haberme concedido culminar este proceso
académico con éxito. A mi familia por su estímulo y compresión, ellos son lo más importante en
mi vida.
Jorge Ariel Mejía Mesa.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 6
Agradecimientos
Primeramente, agradecemos a la Universidad Santo Tomas por habernos aceptado ser parte de
ella y abierto las puertas de su seno científico para poder estudiar esta carrera maravillosa, así
como también a los diferentes docentes que nos brindaron sus conocimientos y su apoyo para
seguir adelante día a día.
Agradecemos también a nuestro asesor de tesis el Ing. Henry Contreras León por haber
brindado la oportunidad de recurrir a su capacidad y conocimiento científico, al Doctor
Christian José Rojas Reina por toda la ayuda prestada y tutorías adicionales las cuales fueron
de gran importancia para el desarrollo de la investigación, a todo el personal de la universidad
como el grupo de laboratorio y planta física, por su ayuda incondicional en momentos cruciales
para el desarrollo de esta tesis, también agradecemos a nuestra decana la Ing. Yésica Natalia
Mosquera Beltrán.
Agradecemos a la Doctora Carolina Baretta por su ayuda en la realización de este trabajo.
Y para finalizar, agradecemos a nuestros padres por el apoyo brindado desde el inicio de la
universidad, en los momentos grises nos dieron aliento a que siguiéramos adelante.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 7
Contenido
Págs.
Resumen ........................................................................................................................................ 11
Abstract ......................................................................................................................................... 12
Introducción .................................................................................................................................. 13
1. Planteamiento del problema ..................................................................................................... 14
1.1 Formulación en torno al problema ...................................................................................... 15
2. Objetivos .................................................................................................................................. 16
2.1 Objetivo general .................................................................................................................. 16
2.2 Objetivos específicos .......................................................................................................... 16
3. Justificación ............................................................................................................................. 17
4. Alcance del proyecto................................................................................................................ 19
5. Antecedentes ............................................................................................................................. 20
6. Marco de referencia ................................................................................................................. 22
6.1 Marco teórico ...................................................................................................................... 22
6.2 Marco Conceptual ............................................................................................................... 25
6.3 Marco legal ......................................................................................................................... 26
7. Metodología ............................................................................................................................. 27
7.1 Enfoque investigativo ......................................................................................................... 27
7.2 Tipo de investigación .......................................................................................................... 27
7.3 Método de estudio ............................................................................................................... 28
7.4 Área de estudio ................................................................................................................... 28
7.5 Temporalidad del estudio .................................................................................................... 29
8. Resultados y discusión .............................................................................................................. 33
8.1 Establecer las condiciones operacionales para las variables de tiempo de retención e
inyección de aire ....................................................................................................................... 33
8.1.1 Condiciones operacionales. .......................................................................................... 33
Conclusiones ................................................................................................................................. 42
Recomendaciones ......................................................................................................................... 44
Referencias bibliográficas ............................................................................................................. 45
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 8
Lista de figuras
Págs.
Figura 1. Diagrama del balance energético en una Empresa Depuradora de Agua Residual
(EDAR).. ....................................................................................................................................... 18
Figura 2. Oxigeno soluble en agua en 4 modelos diferentes a 533 K. .......................................... 20
Figura 3. Crecimiento celular. La curva X representa la concentración de biomasa y la curva S, la
concentración de materia orgánica.. .............................................................................................. 25
Figura 4. Esquema representativo del bioreactor de lodos activados. .......................................... 28
Figura 5. Diagrama de flujo de la metodología. ........................................................................... 29
Figura 6. Sistema y puntos de muestreo., ..................................................................................... 35
Figura 7. Porcentajes de remoción DQO con los diferentes tratamientos. ................................... 39
Figura 8. Porcentajes de remoción DBO con los diferentes tratamientos. ................................... 40
Figura 9.Porcentajes de remoción SST con los diferentes tratamientos. ...................................... 41
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 9
Lista de tablas
Págs.
Tabla 1. Caudales de entrada para el sistema de lodos activados. ................................................ 30
Tabla 2. Variables a medir y método de muestro diseño factorial 22. .......................................... 30
Tabla 3. Características del agua residual sintética. ..................................................................... 31
Tabla 4. Parámetros del agua residual sintética. ........................................................................... 31
Tabla 5. Variables dependientes a tener en cuenta en la investigación. ....................................... 32
Tabla 6. Condiciones de operación del bioreactor. ....................................................................... 33
Tabla 7.Valores de entrada y salida. ............................................................................................. 35
Tabla 8. Corridas operaciones por diseño experimental 22. .......................................................... 37
Tabla 9. Análisis ANOVA por diseño experimental 22 en relación a TRH. ................................ 38
Tabla 10. Análisis ANOVA por diseño experimental 22 en relación a la disminución de inyección
de aire (-15%, -30%). .................................................................................................................... 38
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 10
Lista de Anexos
Págs.
Anexo 1. Cálculos de diseño del reactor de lodos. ....................................................................... 49
Anexo 2. ........................................................................................................................................ 52
Anexo 3. Tabla de datos Excel. .................................................................................................... 53
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 11
Resumen
El presente trabajo evalúa la eficiencia de un sistema de tratamiento de un reactor de lodos
activados, operando bajo presión a una menor inyección de aire; ubicado en la Universidad Santo
Tomás, Campus Aguas Claras, sede Villavicencio, el cual tuvo como efluente a tratar, agua
residual sintética propuesta con el fin de controlar las características de la misma, a la entrada del
bioreactor. Para determinar la eficiencia del bioreactor, se empleó una caracterización del efluente
a través de monitoreo in situ de los siguientes parámetros: pH, oxígeno disuelto, temperatura del
agua y caudal; de acuerdo a esto se midieron variables independientes a la investigación como el
tiempo de retención hidráulico y la inyección de aire, posteriormente se realizó la medición de la
DBO, DQO Y SST, ex situ, para así determinar, la eficiencia de remoción final de la materia
orgánica en el bioreactor. Para realizar las corridas operacionales basado en un diseño factorial 22
se establecieron cuatro tratamientos; Tratamiento 1 reducción de aire del 15% y tiempos de
retención 3h; Tratamiento 2 reducción de aire del 15% y tiempos de retención 6h; Tratamiento 3
reducción de aire del 30% y tiempos de retención 3h; ; Tratamiento 4 reducción de aire del 30% y
tiempos de retención 6h; posterior a esto, se analizó la información por el análisis de la varianza
ANOVA para determinar la dependencia y significancia de las variables independientes en una
dependiente, se concluyó que, el tratamiento más eficaz en cuanto a remoción fue el tratamiento
1, puesto que, los porcentajes de remoción fueron del 71% de DBO, 69% de DQO y 77% de SST,
permitiendo aseverar que se realizó una remoción eficaz con tiempos de retención bajos y una
reducción del 15% de aire.
.
Palabras clave: Reactor de lodos activados, tiempo de retención, inyección de aire,
eficiencia, presión.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 12
Abstract
The present work evaluates the efficiency of a treatment system of an activated sludge system,
operated under pressure at a lower air injection; located in the Santo Tomas University, Aguas
Claras Campus, Villavicencio headquarters. The system was feed whit a, proposed synthetic
wastewater in order to control its characteristics, at the entrance of the bioreactor. In order to
determine the efficiency of the bioreactor, an effluent characterization was carried out through in
situ monitoring of the following parameters: pH, dissolved oxygen, water temperature and flow;
according to this, independent variables such as hydraulic retention time and air injection were
also measured; later, BOD, COD and TSS, ex situ, were measured in order to determine the
efficiency of final removal of organic matter in the bioreactor. The experimental design considered
runs based on a factorial design 22 establishing four treatments; Treatment 1 15% air reduction
and retention times 3h; Treatment 2 15% air reduction and retention times 6h; Treatment 3 30%
air reduction and retention times 3h; Treatment 4 30% air reduction and retention times 6h; After
this, the information was processed by the analysis of the ANOVA variance to determine the
dependence and significance of the independent variables in a dependent. It was concluded that,
the most effective treatment as far as removal was concerned was Treatment 1, due to the higher
removal percentage 71% BOD, 69% COD and 77% TSS, therefore allowing an effective removal
with low retention times and a 15% air reduction.
Keywords: Activated sludge reactor, retention time, air injection, efficiency, pressure.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 13
Introducción
Los niveles de contaminación presentes en cuerpos de agua como ríos están impactado
negativamente ecosistemas, tales como, lagos, lagunas, humedales, ecosistemas costeros entre
otros, alterando la capacidad de auto-recuperación (Escobar, 2002). Así mismo, la población que
habita en estos ecosistemas encuentra sus fuentes de alimentos afectada por los altos niveles de
contaminación.
Dentro de los tratamientos de aguas residuales, se encuentran los biorreactores de lodos
activados los cuales tienen una gran eficiencia en la remoción de materia orgánica. (Zhang, Jiang,
Xu, Wang, & Xie, 2017). Siendo una de las tecnologías más utilizadas para el tratamiento de las
aguas residuales domésticas y afluentes de las industrias en la medida que estos sean
biodegradables (Charpentier, 2014).
El presente proyecto se realizó para evaluar la eficiencia de remoción de un biorreactor de
lodos activados operando bajo presión reduciendo la tasa de inyección de aire, para el tratamiento
de un agua residual sintética, esta evaluación se llevó a cabo bajo el diseño experimental 22.
Por esta razón, este trabajo de investigación procura analizar mediante el análisis de la
varianza, cual configuración de tiempos de retención e inyección de aire resulta conveniente para
el tratamiento de agua residual, que interfiera negativamente en los procesos metabólicos llevados
a cabo en los lodos activados.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 14
1. Planteamiento del problema
Los vertimientos provenientes de las viviendas y actividades económicas contienen
organismos patógenos y otros compuestos contaminantes, que son causantes de múltiples
enfermedades. Alrededor de 3,4 millones de personas mueren cada año por afecciones asociadas
a la presencia de materia fecal en el agua, como cólera, fiebre tifoidea, hepatitis infecciosa,
gastroenteritis, poliomielitis, criptosporidiosis y ascariasis (Foro Ambiental, 2017).
En este contexto cabe señalar, que para los sistemas de tratamiento de aguas residuales se
encuentran procesos aerobios siendo el sistema de lodos activados el más común, y anaerobios que
se emplean para la digestión de los lodos (Jiménez, 2014). Los bioreactores de lodos activados
son procesos biológicos, realizado por un consorcio bacteriano aerobio en suspensión los cuales
son formadoras de flóculos (Rodríguez y Sánchez, 2003); cuyo accionar causa la oxidación de la
materia orgánica en suspensión.
El ambiente aerobio se consigue mediante la aireación dentro del medio fluidizado por el
uso de difusores de aire, que, a su vez, permiten mantener el líquido perfectamente agitado y en
movimiento continuo. Aunque la distribución ineficiente de la aireación crea zonas muertas
posibilitando la sedimentación. En el material sedimentado se genera anoxia, beneficiando el
crecimiento de bacterias filamentosas, generadoras de un floc espeso que tapona la salida del
biorreactor (Department of Environmental Quality, 2012) las cuales van afectar el sistema de
tratamiento ya que se genera una sobrepoblación de bacterias filamentosas afectando el tratamiento
posterior (sedimentación).
El rango de temperatura de Villavicencio se encuentra entre 20-38°C, según informe
(IDEAM, 2018), este factor puede restringir la degradación de los contaminantes a moléculas
orgánicas más simples (Rodríguez y Sánchez, 2003).
Los sistemas de tratamiento de lodos activados no logran alcanzar las concentraciones de
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 15
oxígeno disuelto, lo cual resulta una limitante para el crecimiento de los microorganismos
obteniendo un menor rendimiento, (Torres, 2014) afirma que las células cuando entran en agitación
acelerada consumen oxígeno disuelto 750 veces el valor de la saturación de oxígeno disuelto
durante una hora en un medio acuoso.
1.1 Formulación en torno al problema
¿Cómo varía la eficiencia de un bioreactor de lodos activados operando bajo presión
variando la inyección de aire, a escala piloto en la Universidad Santo Tomás, Campus Aguas
Claras durante un tiempo de 5 meses?
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 16
2. Objetivos
2.1 Objetivo general
Determinar la eficiencia de remoción al variar los niveles de inyección de aire en un reactor
de lodos activados con presión a escala piloto.
2.2 Objetivos específicos
a) Establecer las condiciones operacionales para las variables de tiempo de retención e inyección
de aire.
b) Determinar el efecto de variación en la eficiencia del tratamiento de agua residual sintética
implementando un diseño factorial 22.
c) Analizar las concentraciones de salida de la DBO, DQO y SST en el bioreactor de lodos
activados a escala piloto.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 17
3. Justificación
El presente trabajo evaluó la aplicación de la Ley de Henry, esta expresa que la cantidad de gas
disuelta en un líquido a una determinada temperatura es directamente proporcional a la presión
parcial que ejerce ese gas sobre el líquido (MANAHAN, 2007), con el fin de optimizar el sistema
de aireación utilizado durante la investigación, consiguiendo mejorar las proporciones de oxígeno
disuelto en el licor de mezcla sin aumentar los volúmenes de aire dentro del bioreactor.
Durante el funcionamiento los costos por operación de un tratamiento biológico de lodos
activados; son en energía, personal, mantenimiento e insumos, siendo el gasto energético y el
personal los que más recursos demandan, por ende, la inversión debe ser alta. En la actualidad los
costos energéticos han adquirido más relevancia en los esquemas de inversión de los tratamientos
aerobios de aguas residuales por lo que se convierte en un aspecto sujeto a revisión (Castell et al,
2011). Generalmente esta revisión evalúa la opción de optimizar el sistema de aireación, dejando
a un lado la posibilidad de brindar unas condiciones en los bioreactores que permitan la solubilidad
en mayor cantidad del oxígeno que ingresa con el caudal de aire.
El consumo de energía durante la operación de tratamiento de agua residual (PTAR)
representa un tercio del costo total; de los cuales un 40% del total del consumo de energía es
abarcado por el proceso de aireación (ver Figura 1), puesto que los equipos de aireación deben
estar en constante funcionamiento para que el proceso se lleve a cabo correctamente, así mismo,
requieren de equipos de control lógico programable o PLC por sus siglas en inglés (Peña, 2012).
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 18
Figura 1. Diagrama del balance energético en una Empresa Depuradora de Agua Residual (EDAR). Adaptado de
(Castell et al, 2011).
En la Figura 1, se observa que en el balance energético de una Estación Depuradora de
Aguas Residuales (EDAR) el mayor consumo energético lo presenta la aireación, por ende, este
trabajo pretende evaluar la posibilidad de disminuir la tasa de inyección de aire, brindando unas
condiciones dentro del bioreactor de lodos activados que permitan aprovechar en mayor medida
el oxígeno entrante, y así reducir las cantidades de aire suministrados, se implementó un diseño
factorial 22 para analizar el efecto de variación en la eficiencia del tratamiento.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 19
4. Alcance del proyecto
El proyecto de investigación propuesto, determinó la eficiencia de remoción del bioreactor
de lodos activados a escala piloto, modificando las variables de inyección de aire y tiempos de
retención.
El proyecto fue realizado en la ciudad de Villavicencio-Meta, en las instalaciones de la
Universidad Santo Tomás campus Aguas Claras, donde estuvo ubicado el bioreactor de lodos
activados a escala piloto. La cobertura temporal de esta investigación abarcó un tiempo de 5 meses
aproximadamente, en el cual los primeros 3 meses se realizaron las diferentes pruebas
experimentales para evaluar la eficiencia del bioreactor trabajando a una menor inyección de aire
(-15% y -30% de acuerdo a los requerimientos teóricos de aire para un reactor de lodos activados
convencional a presión atmosférica) en unos tiempos de retención establecidos (6h y 3h ) con
caudales de 0,57 y 1,13 m3/día respectivamente , manejando concentraciones de entrada con una
DQO de 374 mg/l; estableciendo corridas operacionales por un diseño factorial 22 con las variables
concentración de entrada y tiempos de retención; los otros 2 meses restantes se realizaron los
análisis de los resultados obtenidos y escritura del presente documento.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 20
5. Antecedentes
La Ley de Henry se emplea en varias industrias, se destaca la producción de bebidas
gaseosas en donde se utiliza este principio para agregar CO2 al jarabe y se convierta en gaseosa,
por medio de la utilización del equipo Carbonatador, empleando presiones más altas que la
requerida para el volumen de gas necesario en cada bebida. Para el funcionamiento de estos
equipos el jarabe debe tener temperaturas por debajo de los -10°C (Valencia, 2014).
Geng & Duan, 2010; diseñaron un modelo de predicción de oxígeno soluble en agua pura
y salmueras, a altas temperaturas y presiones. En este modelo se puede extrapolar más allá de los
datos existentes de un sistema de sal acuosa a sistemas complejos de salmuera, incluyendo agua
de mar. Cabe resaltar que el modelo desarrollado abarca rangos de temperatura y presión más
amplios en sistemas de salmuera de composición variable.
Figura 2. Oxigeno soluble en agua en 4 modelos diferentes a 533 K. Adaptado de (Geng & Duan, 2010).
Zhang, Jiang, Xu, Wang, & Xie, 2017; operaron un bioreactor de lodos activados
presurizado para el tratamiento de aguas residuales a diferentes niveles de salinidad, las
condiciones determinantes de esta investigación fueron la aireación y presión, éstas condiciones
aumentaron el oxígeno disuelto en el licor de mezcla. El nitrógeno tuvo una influencia importante
en los niveles de remoción de salinidad presente en el agua, para esta investigación es importante
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 21
resaltar este antecedente ya que se consideraron dos de los componentes operacionales más
importante de la investigación, aireación y presión.
En octubre del 2018 los ingenieros ambientales egresados de la facultad en la sede
Villavicencio Carlos H. Cuartas y Jean Pierre Cuadrado Baquero, Ingenieros ambientales
egresados de la facultad en la sede Villavicencio, operaron un bioreactor de lodos activados a
diferentes presiones y tiempos de retención hidráulica para evaluar las diferentes variables de
DBO, DQO y SST. Proponiendo, con base en la Ley de Henry, que el sistema sería más eficiente
y homogéneo al aumentar el oxígeno disuelto en el licor de mezcla.
International Enterprise Singapore, 2012; en la actualidad Singapur es el país más
desarrollado en sistemas de tratamiento de agua potable, desalinización y cloacales. Es el mayor
proveedor de plantas de tratamiento de medio oriente, construyó la planta de tratamiento y reciclaje
de aguas residuales de Doha Norte-Catar, la cual, cuenta hoy con una capacidad de tratamiento de
280.000 m3/día.
Migens, 2013; la planta de tratamiento más grande de Latinoamérica se encuentra
Atotonilco-Hidalgo, México. Cuenta con una capacidad máxima de tratamiento de 4.320.000
m3/día. Esta planta hace un aprovechamiento de los lodos producidos durante el proceso, por un
sistema de cogeneración obteniendo biogás, permitiendo el máximo ahorro energético.
Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca , 2017; en Bogotá se produce
1.296.000m3/día de agua residual de 3 millones de habitantes, este volumen de agua llega a la
PTAR Salitre que cuenta con una capacidad de tratamiento de 345.600 m3/día, esto llevó a la CAR
a desarrollar el proyecto de ampliación, implementará la tecnología de lodos activados para la
depuración del agua.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 22
6. Marco de referencia
6.1 Marco teórico
A continuación, se refiere a la identificación de teorías que contribuyen a la solución de
problemas de investigación.
El principio fundamental que estudia la concentración de los gases en el agua, se calcula
mediante la Ley de Henry o Ley parcial de los gases:
𝑃 = 𝐾ℎ . 𝑋 Ecuación (1)
Donde:
P = Presión parcial del gas.
Kh = Constante de Henry.
C= Concentración del gas.
(Geng & Duan, 2010) reportaron en su modelo de predicción de solubilidad del oxígeno
en agua pura y salmueras con altas temperaturas y presiones, que en consecuencia a la Ley de
Henry el modelo planteado fue efectivo debido a que el incremento de 𝑂2 fue proporcional al
aumento de la presión hasta 2900,75 psi en una solución de NaCl .
El tratamiento de aguas residuales a través de un bioreactor de lodos activados es posible
teniendo una carga contaminante como fuente de alimento de los microorganismos que se
encuentran suspendidos en el licor de mezcla (Department of Environmental Quality, 2012). Estos
microorganismos no se pueden ver a simple vista, pero, a menudo se conglomeran formando una
masa biológica similar a un floculo de color marrón. Se estima que estos microorganismos aerobios
presentes en el bioreactor producen 0,7 libras de biomasa por cada libra de DBO depurada.
La aireación cumple dos funciones importantes para el correcto funcionamiento del
bioreactor de lodos activados, en primer lugar, la aireación debe proporcionar el oxígeno suficiente
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 23
para la población de bacterias aerobias facultativas existentes, se garantizara entre 2 – 3 mg/L de
oxígeno disuelto (Department of Environmental Quality, 2012). Así mismo, la inyección de
oxígeno mantendrá en suspensión y homogéneo el contenido de la mezcla, incrementado el
contacto entre contaminantes y biomasa microbiana. Junto con el diseño del reactor, se evitarán
la formación de áreas muertas o puntos críticos, es decir, se disminuye la sedimentación con la
consecuente formación de bacterias filamentosas que aumentan los tiempos de retención,
acumulando floculo mixto en la base del reactor, reduciendo la densidad del licor y por tanto
haciendo que el tratamiento sea ineficiente.
En el transcurso del tiempo de retención, el licor de mezcla es conducido hacia un tanque
de sedimentación con el fin de separar la biomasa del agua residual tratada. Los lodos
sedimentados son conducidos por una tubería de recirculación para preservar la población de
microorganismos apropiada, entretanto cierta cantidad de los lodos puede ser purgada del sistema
para prevenir una acumulación excesiva de biomasa (Jiménez, 2014).
El tiempo de retención celular denominado “tiempo de residencia de sólidos”, es el tiempo
medio de permanencia de los sólidos en el bioreactor. Para el cálculo del tiempo de retención se
adoptó la siguiente ecuación: según Romero (2004):
𝜃𝑐 =𝑉.𝑋
𝑄𝑤𝑋𝑟+𝑄𝑒𝑋𝑒 Ecuación (2)
Donde:
Θc =Tiempo promedio de retención celular con base en el volumen del tanque de aireación d.
V = Volumen del tanque de aireación, m3.
X = Concentración de SSV en el tanque de aireación, SSVLM mg/l.
Qw = Caudal de lodo dispuesto, m3/d.
Xr = Concentración de SSV en el lodo dispuesto, mg/l.
Qe = Caudal efluente tratado, m3/d.
Xe =Concentración de SSV en el efluente tratado, mg/l.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 24
La eficiencia del tratamiento de lodos activados se mide mediante la siguiente ecuación:
(Romero, 2004).
𝐸 =𝑆𝑜−𝑆
𝑆𝑜 Ecuación (3)
Donde:
E = Eficiencia.
S = DBO del efluente.
So = DBO del afluente.
El ambiente dentro de un reactor de lodos activados, por ser un tratamiento biológico debe
garantizar condiciones óptimas para el desarrollo de la biomasa, tales como pH, temperatura,
nutrición, oxígeno disuelto y una mezcla adecuada del medio.
El pH debe estar en 6,5 y 8,5, en cuanto a la temperatura se debe mantener en el rango de
entre 25°C y 45°C, los nutrientes esenciales deben cumplir con una proporción de 100:5:1 (C:N:P),
el oxígeno disponible en el bioreactor se debe mantener entre 1 y 2 mg/L (Calderón, 2004).
En la Figura 3 se puede observar el comportamiento de la biomasa a lo largo de sus cuatro
fases: la fase lag tiene una etapa de adaptación al sistema, por tanto a través del tiempo la tasa de
crecimiento es baja; al inocular el sistema, los consorcios bacterianos inician a duplicarse a través
de fisión binaria, aumentando la biomasa y consumiendo los sustratos mediante las capacidades
metabólicas que posean, una vez se ha terminado el sustrato, se inicia la fase estacionaria, en donde
el aumento de biomasa es nulo debido al agotamiento de sustratos, si no hay más ingreso de materia
orgánica o sustratos nutritivos, la viabilidad de las células decaerá, conocida como la fase de
muerte.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 25
Figura 3. Crecimiento celular. La curva X representa la concentración de biomasa y la curva S, la concentración de
materia orgánica. Adaptado de Jiménez (2014).
6.2 Marco Conceptual
En este aparte, se contextualización en las variables contempladas en el problema y los
objetivos de investigación utilizados con mayor frecuencia.
Las aguas residuales, también llamadas aguas negras o cloacales, son el resultado del uso
doméstico o industrial del agua, creando un vertimiento. La disposición de este vertimiento puede
ser controlada o no, para ello se han implementado diferentes sistemas de tratamiento mediante un
conjunto de operaciones que tiene como objetivo modificar las características físicas, químicas o
biológicas del agua, donde existen varios tipos de tratamientos. Los tratamientos más comunes son
los biológicos, en estos se intensifica la acción natural de los microorganismos para estabilizar la
materia orgánica presente en el agua. La principal fuente de un sistema aerobio es el oxígeno como
aceptor final de electrones; logrando rendimientos energéticos elevados y una importante
generación de lodos. Para esta investigación se implementó un bioreactor de lodos, donde las aguas
son aireadas en un tanque que contiene microorganismos degradadores. Para determinar la
remoción del contaminante en el agua residual, se debe hacer análisis experimentales, para ello se
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 26
miden parámetros como la Demanda Biológica de Oxígeno (DBO), que es la cantidad de oxígeno
usado en la estabilización de la materia orgánica, mide directamente el contenido de materia
orgánica biodegradable; Demanda Química de Oxígeno (DQO) medida de la cantidad de oxígeno
requerido para la oxidación química de la materia orgánica del agua residual y Solidos
Suspendidos Totales (SST), que es la cantidad de solidos presentes, en suspensión (Romero,
2004).
6.3 Marco legal
En Colombia la normatividad que controla los vertimientos a cuerpos de agua superficial
ha ido evolucionando debido a que el Decreto 1594 de 1984 que inicialmente los vigilaba,
establecía en los artículos 74 y 75, que toda actividad económica que tuviera un vertimiento
puntual a un cuerpo de agua debía efectuar un porcentaje de remoción en la carga contaminante;
pero él mismo no consideraba cual era el impacto a estos cuerpos de agua superficiales, debido a
que se tenía en cuenta la eficiencia del proceso para remover la carga contaminante y no la carga
contaminante emitida (Secretaría Jurídica Distrital de la Alcaldía Mayor de Bogotá D.C., 1984).
No obstante, la resolución 3930 de 2010, en el capítulo VII artículos 42 al 60, estableció los
permisos legales y planes de mejoramiento a tener en cuenta, para personas naturales o jurídicas
que realicen actividades o servicios que generen algún tipo de vertimientos hacia aguas
superficiales, marinas, o al suelo. Vencida la vigencia del decreto 1594 de 1984 se implementó la
Resolución 631 del 2015 que establece los parámetros y los valores permisibles en un vertimiento
puntual, para los diferentes sectores económicos, teniendo en cuenta que las cargas contaminantes
varían según la actividad productiva (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, 2015). Esto
permite un control más exhaustivo a las industrias puesto que se hace por cada uno de los
parámetros establecidos en la resolución anteriormente mencionada a nivel de carga (mg/L). Por
lo tanto, para esta investigación en su etapa de construcción implementado un sistema de
tratamiento de lodos activados a escala piloto, se tuvo en cuenta la resolución 0330 del 2017,
capítulo cinco; donde establece los diferentes tipos de tratamiento para aguas residuales, y
consideraciones de diseño para los diferentes tipos de tratamiento, en este caso lodos activados y
sedimentadores.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 27
7. Metodología
El presente capítulo, fue escrito con el fin de establecer como se llevó a cabo la
investigación, diseñando detalladamente la estrategia para obtener la información y las actividades
para darle respuesta a los objetivos planteados.
7.1 Enfoque investigativo
Por las características de la temática en estudio, demanda un enfoque cualitativo. Según
Hernández, Fernández y Baptista (2014), indican que las características del enfoque cualitativo,
permiten utilizar la recolección y análisis de los datos, el estudio cualitativo puede desarrollar
preguntas e hipótesis antes, durante o después de la recolección y el análisis de los datos.
Actividades que sirven para descubrir preguntas de investigación relevantes, llevándose a cabo
una dinámica en ambos sentidos: entre los hechos y su interpretación.
Cabe señalar que el enfoque cualitativo, también posee características, entre las que se
pueden mencionar: los investigadores plantean una problemática, la investigación se basa más en
una lógica y proceso inductivo (Explorar, describir, y luego generar perspectivas teóricas). No se
prueban hipótesis, si no que se generar durante el proceso y se perfecciona conforme se recaban
más datos; son un resultado del estudio. Al igual, el enfoque se basa en método de recolección de
datos no estandarizados ni predeterminados completamente. Tal recolección consiste en obtener
las perspectivas y puntos de vista de los participantes. Para el caso específico los investigadores
utilizaron técnicas que hacen referencia a (muestras experimentales in situ y ex situ).
7.2 Tipo de investigación
Correspondió a la investigación experimental. Según Lerma (2016), señala que su objetivo
es explicar causa-efecto entre dos o más variables o fenómenos. El investigador modifica
intencionalmente el estado de algunos de los sujetos de estudio, introducción y manipulando un
tratamiento o una intervención que desea estudiar o evaluar. Por consiguiente, el diseño
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 28
experimental a aislar la variable independiente de interés pretende eliminar, en lo posible,
cualquier variable extraña (de confusión) que pueda interferir en la relación y distorsionar las
conclusiones sobre la variable independiente y dependiente en estudio.
7.3 Método de estudio
Corresponde al método inductivo. Teniendo en cuenta al autor Méndez (2014), quien
establece que el método inductivo, es el proceso de conocimiento que se inicia por la observación
de fenómenos particulares con el propósito de llegar a conclusiones y premisas generales que
pueden ser aplicadas a situaciones similares a la observada. Es decir, permite que los
investigadores a partir de la observación del fenómeno particular, se lograra establecer condiciones
operacionales para las variables de tiempo de retención e inyección de aire; determinar dicho
fenómeno implementando un diseño factorial 22; donde posteriormente se analizaron las
concentraciones de salida de la DBO, DQO y SST en el bioreactor de lodos activados con presión
a escala piloto.
7.4 Área de estudio
El bioreactor de lodos activados a escala piloto, está ubicado dentro de las instalaciones de
la Universidad Santo Tomás, campus Aguas Claras, del municipio de Villavicencio-Meta,
corresponde a clima tropical, una humedad promedio del 85% y la temperatura promedio se
encuentra en un rango de 20 a 35°C (IDEAM, 2018).(ver Figura 3).
Figura 4. Esquema representativo del bioreactor de lodos activados. Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 29
7.5 Temporalidad del estudio
La investigación se ejecutó en un periodo de cinco (5) meses; iniciando el 10 de agosto, y
finalizando el 6 de diciembre de 2018, evaluando la eficiencia de remoción trabajando en un
sistema a baja cantidad de aire.
Para llevar a cabo el desarrollo de la investigación, se determinaron las siguientes fases.
Diagrama de flujo:
Figura 5. Diagrama de flujo de la metodología. Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
Fase 1: Modelo experimental y variables a modificar. Las variables que se controlaron
fueron inyección de aire y tiempos de retención, manejando una presión constante de 5 psi para
que la solubilidad del gas se mantenga, en este caso el oxígeno se homogenizará en la mezcla, por
ende, las bacterias consumen la materia orgánica, incrementando la eficiencia. No obstante, la
inyección de aire se redujo con una válvula reguladora a -15% y -30% con respecto al valor
requerido por diseño en el sistema de tratamiento, así mismo, se establecieron los tiempos de
retención hidráulico, por medio de la ecuación:
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 30
TRH = Vr/Q (Gamonal, 2013) Ecuación (4)
TRH: Tiempos de retención hidráulico
Vr: Volumen del biorreactor
Q: Caudal
Los tiempos estimados fueron 6h y 3h, puesto que es el tiempo que las bacterias están en contacto
con el agua residual, los cuales se calcularon mediante la Ecuación 4. Por consiguiente, se
manejaron caudales de 0,57 m3/día para el tiempo de 6h y caudales de 1,13m3/día para el tiempo
de 3h, teniendo en cuenta el volumen del bioreactor de 142 L (Ver Tabla 1).
Tabla 1. Caudales de entrada para el sistema de lodos activados.
Volumen (L) TRH (h) Q (m3/día)
142 6 0,57
142 3 1,13
NOTA. Descripción de tiempos estimados, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
De esta manera, se implementó el uso del método experimental del diseño factorial 22,
mediante el cual se establecieron las pruebas de variación de inyección de aire y tiempos de
retención hidráulicos, asociado a diferentes caudales, teniendo en cuenta que durante la
investigación se manejó una presión constante de 5 psi, esta se estableció por criterio de los
investigadores considerando las presiones manejadas en la investigación de (Cuadrado & Cuartas,
2017), donde se manejó un rango entre 3 a 9 psi, y una DQO de 374mg/L. (Ver Tabla 2).
Tabla 2. Variables a medir y método de muestro diseño factorial 22.
MODO EXPERIMENTAL DISEÑO FACTORIAL 22
Corridas Inyección de Aire Tiempo de retención Hidráulico
T1 (6 Horas) T2 (3 horas)
Primera
Corrida
-15% A1 – T1 A1 -T2
-30% A2 – T1 A2 – T2
Segunda
Corrida
-15% A1 – T1 A1 – T2
-30% A2 – T1 A2 – T2
Presión constante a 5 psi
DQO 374 mg/L NOTA. Descripción de resultados del modo experimental diseño factorial 22 Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía,
2019
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 31
A1= -15%
A2= -30%T1= 6 horas
T2= 3 horas
Fase 2: Características del agua residual sintética. El montaje del agua residual
sintética, se implementó para controlar el tipo de contaminante que va entrar al bioreactor de lodos
activados, así mismo, para mantener los valores de entrada de DQO DBO y SST en valores
constantes. (ver Tabla 3 y 4).
Tabla 3. Características del agua residual sintética.
COMPUESTO CANTIDAD (mg/l)
Leche en polvo 100
Gelatina sin sabor 35
Almidón 170
Sal común 7
Azúcar 28
Urea 3
Fosfato Bicalcico 40
Sulfato de magnesio 2,5
Jabón de tocador 3 gotas
Aceite de soya 15 gotas NOTA. Datos de cantidades del agua residual por sus caracteristicas: (Lozano, 2012).
A continuación, se ilustra mediante la siguiente tabla los parámetros del ARS y los
resultados del laboratorio de los análisis del efluente. (ver Tabla 4)
Tabla 4. Parámetros del agua residual sintética.
PARAMETROS DEL REFERENTE RESULTADOS DE LABORATORIO
PARAMETROS VALOR MEDIO (mg/l) PARAMETROS VALOR MEDIO (mg/l)
DQO 374 DQO 387
Sólidos
suspendidos totales
230 Sólidos
suspendidos totales
280
pH 7,2 pH 7,1
Nitrógeno
amoiacal(NH3)
1,7 Nitrógeno
amoiacal(NH3)
-
Fósforo libre (P) 5,3 Fósforo libre (P) -
Fosfatos (PO4) 16,9 Fosfatos (PO4) -
Pentóxido de
fósforo (P2O5)
11,8 Pentóxido de
fósforo (P2O5)
-
NOTA. Descripción de los valores del referente y resultados de laboratorio, Adaptado de: (Lozano, 2012).
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 32
Fase 3: Corridas operacionales. Para las corridas operacionales se implementó el diseño
factorial 22 estableciendo dos corridas operacionales cada una con replica para determinar la
remoción del bioreactor. Previo a las corridas se fijaron dos semanas de adaptación, arranque y
estabilización, posteriormente, se dio inicio con los diferentes tratamientos dando un lapso de una
semana entre cada tratamiento, las corridas operacionales están determinadas de la siguiente
forma: a una reducción de inyección de aire del -15%, -30% con tiempos de retención hidráulico
de 6 y 3 horas, caudales de 0,57m3/día y 1,13m3/día respectivamente con una presión constante de
5 psi.
Con base a lo anterior, para determinar la eficiencia del bioreactor se llevó un monitoreo
de los siguientes parámetros, lo cual son importantes para la investigación: (ver Tabla 5).
Tabla 5. Variables dependientes a tener en cuenta en la investigación.
NOTA: Resultados de eficiencia del bioreactor Adaptado de Cuartas y Cuadrado, 2017).
Fase 4: Análisis de los resultados.
Para el procesamiento de los datos se utilizó ANOVA de un factor lo cual genera un análisis
de varianza de un factor para una variable dependiente cuantitativa respecto a una única variable
de factor (la variable independiente). El análisis de varianza se utiliza para contrastar la hipótesis
de que varias medias son iguales, con esto determinara el grado de dependencia (F) y significancia
(Sig.), si el valor de F está por encima de 0,05 quiere decir que va tener dependencia esta relación,
y el valor de significancia analiza que tanto esta dependencia va tener una variabilidad. (IBM®,
2019). Para el uso del análisis de la varianza ANOVA se utilizó el software IBM SPSS Statistics
22.
Parámetro Frecuencia Observaciones Equipo de
medición
pH Una vez por
día
Está relacionado con los lodos activados,
debido al comportamiento en el crecimiento y
eficiencia de las bacterias, siendo un pH entre
7-8 óptimo para la remoción del contaminante.
Equipo
multiparámetro
OD Una vez por
día
Estrictamente determina el oxígeno disponible
que se disuelve en la mezcla de agua, el cual es
captado por las bacterias como fuente
funcional
Equipo
multiparámetro
T° Una vez por
día
La temperatura incide directamente en la
concentración de OD en el agua
Equipo
Multiparámetro
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 33
8. Resultados y discusión
8.1 Establecer las condiciones operacionales para las variables de tiempo de retención e
inyección de aire
8.1.1 Condiciones operacionales.
Las condiciones operacionales iniciales del bioreactor fueron:
Tabla 6. Condiciones de operación del bioreactor.
Inyección de
Aire
Tiempos de
retención (h)
Presión (psi) Carga DQO
(mg/L)
Volumen
Biorreactor
(L)
Caudal
(m3/día)
-15%, -30% 6 5 374 142 0,57
3 5 374 142 1,13 NOTA: Resultados de las condiciones iniciales del biorreactor, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
Las corridas operacionales fueron manejadas por el diseño factorial 22, en el cual se definen
dos variables; tiempos de retención e inyección de aire, para determinar el valor de los tiempos de
retención se llevó mediante la ecuación:
𝑇𝑅𝐻 = 𝑉𝑟
𝑄
Donde:
TRH: Tiempo de retención hidráulico
Vr: Volumen del reactor
Q= Caudal
Por consiguiente, determinación de tiempo retención 3h;
V: 142 L
Q: 1,13m3/día
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 34
𝑄 = 1,13𝑚3
𝑑𝑖𝑎∗
1000𝑙
1𝑚3= 1130
𝑙
𝑑𝑖𝑎∗
1𝑑𝑖𝑎
24ℎ= 47,0833
𝑙
ℎ
𝑇𝑅𝐻 = 142𝑙
47,0833 𝑙
ℎ
= 3,015ℎ
Para 6h;
V: 142 L
Q: 0,57m3/día
𝑄 = 0,57𝑚3
𝑑𝑖𝑎∗
1000𝑙
1𝑚3= 570
𝑙
𝑑𝑖𝑎∗
1𝑑𝑖𝑎
24ℎ= 23,75
𝑙
ℎ
𝑇𝑅𝐻 = 142𝑙
23,75 𝑙
ℎ
= 5,9789ℎ = 6h
Inicialmente se realizó una corrida de adaptación, puesto que era el inicio de los
microorganismos en el medio presurizado, posteriormente se procedió a iniciar las corridas
operaciones de acuerdo con el diseño experimental 22, manejando las reducciones de inyección de
aire planteadas en la metodología.
La aireación fue suministrada mediante un inyector Venturi y controlada por los
investigadores de forma manual mediante una válvula de globo y un flujometro. El flujometro
permitió conocer el volumen de aire que ingresó al sistema el cual fue 1,5 L/min y sobre este valor
hacer reducciones girando la perilla de la válvula hasta conseguir los flujos de aire de 1,275 L/min
(-15%) y 1,05 L/min (-30%) respectivamente.
Se consiguió mantener y controlar la presión de forma manual durante la toma de muestras
mediante un manómetro que permitía conocer la presión dentro del bioreactor y una válvula de
globo utilizada para liberar la presión a medida que sobrepasaba los 5 psi. Este control de la presión
solo fue posible por el monitoriamente constante durante el muestreo, puesto que no se encuentra
automatizado, al final de la jornada se dejaba abierta la válvula de tal manera que la presión se
mantuviera entre los 5psi y 8psi durante la noche, al día siguiente 1 hora antes de empezar los
muestreos se estabilizaba la presión en 5 psi.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 35
Se establecieron los diferentes puntos para muestreo designados de la siguiente manera: el
primer punto (Punto 1) de muestreo se tomó en la manguera que lleva el agua tratada del
sedimentador al Venturi, lo cual se permitió determinar si existe un contacto entre los lodos
generados por el sedimentador y el efluente; el segundo punto (Punto 2) designado se tomó de la
manguera que lleva el agua tratada del bioreactor al sedimentador, lo que permitió conocer la
cantidad de sedimentos que fueron tratados después del tratamiento secundario, y por el ultimo el
tercer punto (Punto 3) fue justo en la salida del sistema, para determinar los valores de salida de la
DQO, DBO y SST (Ver Figura 5 y 6).
Figura 6. Sistema y puntos de muestreo., Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
Por su parte procediendo con la metodología en la Tabla 7 se puede observar las diferentes
variables independientes del trabajo que se midieron diariamente.
Tabla 7.Valores de entrada y salida.
Parámetro pH Oxígeno
Disuelto (mg/L)
Temperatura
(°C)
TRH 6h (-15%) Entrada 7,1 4,37 27
Salida 7 4,44 27
TRH 6h (-30%) Entrada 7,1 4,41 27
Salida 7 4,46 27
TRH 3h (-15%) Entrada 7,2 3,32 28,5
Salida 6,9 3,35 28,5
TRH 3h (-30%) Entrada 7,2 3,34 28,5
Salida 6,9 3,36 28,5
NOTA: Resultados de las variables independientes, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 36
El pH se mantuvo en un rango neutro debido a que era una variable sujeta al agua residual
artificial; el OD fue posible mantenerlo en proporciones óptimas para el desarrollo de los
microorganismos teniendo en cuenta que la razón de la investigación era una disminución en las
cantidades de oxígeno suministradas al sistema; las variaciones en la temperatura no representaron
una alteración significativa en el sistema debido a que teóricamente los microorganismos subsisten
en las condiciones proporcionadas, consiguiendo así un desempeño apropiado para el desarrollo y
operación de la investigación. (Malorga, 2004)
Para la obtención de los datos se llevó un monitoreo diario, y se obtuvo una relación entre
las reducciones de inyección de aire y el oxígeno disuelto, a medida que se reducía la inyección
de aire disminuía también la cantidad de oxígeno disuelto. El factor temperatura también influyó
negativamente en las cantidades de OD (Ver Tabla 7), ya que esta reduce la capacidad de
disolución de oxígeno en el agua. (MARTÍNEZ, ALVARADO, & WILLIAM, 2001)
Con base en lo anterior, se puede afirmar que los valores de oxígeno disuelto fueron
positivos para la investigación, ya que se consiguió que el agua, los microorganismos y el oxígeno
tuvieran una mezcla adecuada. Durante esta investigación se manejó el tipo de microorganismo
mesofilos extraídos de la PTAR ubicada en el Colegio la Fontana en un volumen de 20 L para toda
la investigación, a su vez estos microorganismos solo pueden sobrevivir a temperaturas entre 15°C
-35°C y durante la investigación la temperatura estuvo entre 27 a 29°C. (State water resources
control board, 2017)
8.2 Determinar el efecto de variación en la eficiencia del tratamiento de agua residual
sintética implementando un diseño factorial 22.
El análisis del diseño factorial 22 se llevó a cabo por el método de ANOVA, permite
analizar el efecto de una variable dependiente sobre una independiente, por lo tanto, para
determinar el efecto de la variación se utilizó el software SPSS, generando un análisis estadístico.
Se analizó la influencia de los tiempos de retención hidráulica sobre las variables DBO, DQO y
SST, de la misma manera se llevó a cabo con la tasa de inyección de aire.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 37
De acuerdo con la Tabla 8, se observan los resultados obtenidos de los análisis en
laboratorio de entrada y salida del biorreactor, por las variables determinadas en esta investigación
DBO, DQO y SST, cabe mencionar que a medida que iba avanzando la investigación se hicieron
ajustes al sistema debido a que en la primera correlación 6h de tiempo de retención y -15% de
inyección aire, el sedimentador presento una sobrecarga y este obtuvo un valor mayor con respecto
al valor de entrada, esto fue debido al incremento de sedimentos tapono la válvula de salida (Ver
Tabla 8).
Tabla 8. Corridas operaciones por diseño experimental 22.
Parámetro DBO
(mg/l)
Remoción
DBO (%)
DQO
(mg/l)
Remoción
DQO (%)
SST
(mg/l)
Remoción
SST (%)
TRH 3h
(-15%)
Tratamiento
1
Entrada 283,836 71%
368,618 69%
270 77%
Salida 73,463 110,991 60
TRH 3h
(-30%)
Tratamiento
2
Entrada 330,934 49%
429,785 46%
340 78%
Salida 197,126 256,007 140
TRH 6h
(-15%)
Tratamiento
3
Entrada 283,836
66%
368,618
67%
270
0
Salida 86,16 104,104 290
TRH 6h
(-30%)
Tratamiento
4
Entrada 283,836
73%
368,618
71%
270
94%
Salida 62,07 80,61 20
NOTA: Resultados del diseño experimental, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
En las corridas operacionales llevadas a cabo, se controlaron los valores de entrada
propuestos, valores de DQO que oscilaron entre 326 mg/L a 430 mg/L, manejando una media de
372 mg/L de DQO durante la investigación; por ende, el referente que se utilizó de la guía
experimental para hacer agua residual sintética fue de gran importancia.
La variable tiempo de retención hidráulico (TRH) establecida por la ecuación (4) fue
considerada como el punto de partida para definir los tiempos de retención de esta investigación.
En la Tabla 9 se expresan los resultados de análisis estadístico ANOVA, donde se aprecian el
efecto de la dependencia (F) de los tiempos de retención hidráulicos (TRH) sobre los porcentajes
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 38
de remoción de DQO, DBO y SST. En este caso el porcentaje de remoción de DQO es el más
dependiente con respecto a los otros (SALAZAR, 2008). En cuanto a la significancia (Sig.) el
porcentaje de remoción más susceptible a la variación de los tiempos de retención es la remoción
de DBO, sin embargo, a pesar de que ésta, es más susceptible no tiene un nivel de significancia
representativo.
En general las variaciones con los dos tiempos de retención hidráulicos (6h, 3h) no van a
ser significativas con respecto a los porcentajes de remoción debido a que el valor de significancia
(Sig.) es mayor que 0,05 (SALAZAR, 2008).
Tabla 9. Análisis ANOVA por diseño experimental 22 en relación a TRH.
ANOVA
F Sig.
Porcentaje de remoción de DQO (%) ,971 ,428
Porcentaje de remoción de DBO (%) ,032 ,874
Porcentaje de remoción de SST (%) ,421 ,583
NOTA: Resultados del análisis ANOVA, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
Para la variable de inyección de aire se manejaron reducciones de -15% y -30% con
respecto al valor inicial 1,5 L/min, estas reducciones fueron establecidas a criterio por los
investigadores, en la Tabla 6. El análisis de la varianza determinó que la DBO es la variable con
mayor dependencia (F) a los cambios de inyección de aire respecto a los otros. El valor de
significancia (Sig.) indica que la DBO tiene una relación representativa y fuerte con la inyección
de aire, se debe aclarar que durante la investigación la presión de 5 psi fue constante.
Tabla 10. Análisis ANOVA por diseño experimental 22 en relación a la disminución de inyección de aire (-15%, -
30%).
ANOVA
F Sig.
Porcentaje de remoción de DQO (%) ,574 ,528
Porcentaje de remoción de DBO (%) 60,840 ,016
Porcentaje de remoción de SST (%) 1,459 ,351
NOTA: Resultados del análisis ANOVA, Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 39
8.3 Analizar las concentraciones de salida de la DBO, DQO Y SST en el bioreactor de lodos
activados a escala piloto.
Para el análisis de los datos se utilizaron gráficas de líneas para representar el
comportamiento de los porcentajes de remoción de DBO, DQO y SST con respecto a cada
tratamiento empleado de acuerdo al diseño experimental.
De acuerdo a la Figura 6, se puede evidenciar que el tratamiento con mayor porcentaje de
remoción de DQO fue el Tratamiento 4, debido a que el Agua Residual Artificial (ARA) estuvo
más tiempo en contacto con los microorganismos logrando remover en un 71% la demanda
química de oxígeno. Se puede afirmar que es una remoción considerable teniendo en cuenta que
este tratamiento se llevó a cabo con la reducción de inyección de aire más baja de la investigación.
Por el contrario, el Tratamiento 2 presentó la remoción más baja de DQO debido a que el tiempo
de retención no fue suficiente para depurar la materia orgánica y sustancias inorgánicas existentes
en el agua residual artificial con la reducción de aire más baja.
Figura 7. Porcentajes de remoción DQO con los diferentes tratamientos. Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 40
En la Figura 7, los valores porcentuales de remoción de materia orgánica, con base en los
diferentes tratamientos que se emplearon, donde el Tratamiento 4 presentó una remoción del 73%
de DBO, siendo esta la mayor de los 4 tratamientos, dado que los microorganismos estuvieron en
mayor contacto con agua residual artificial; en contra posición el Tratamiento 2 fue el menos
eficiente. Se puede afirmar que cuando los tiempos de retención hidráulicos son bajos, una
reducción por encima del 15% afecta negativamente la capacidad de los microorganismos para
degradar la materia orgánica.
El fenómeno por el cual la variación en los porcentajes de remoción entre tiempos de
retención entre tiempos de 6h y 3h está condicionado por las bacterias, teniendo en cuenta que son
bacterias aerobias facultativas, al ser sometidas a una reducción oxígeno con un mayor tiempo de
retención facilita la conformación de bacterias facultativas anaerobias, las cuales toman la energía
necesaria para su metabolismo del proceso de fermentación que se lleva a cabo en el licor de
mezcla. (Constanza, Antolinez, Bohórquez, & Corredor, 2015)
Figura 8. Porcentajes de remoción DBO con los diferentes tratamientos. Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 41
Con respecto a los SST, se puede inferir que el sistema tuvo una respuesta optima ya que
3 de los 4 tratamientos tuvieron porcentajes de remoción altos, siendo el Tratamiento 4 con 94%
de remoción de SST el más alto (ver Figura 8), no obstante, durante el Tratamiento 3 hubo una
sobrecarga en el sedimentador, a raíz de esto se efectuó una purga en el sedimentador de esta
manera se controló los niveles de lodos, cabe aclarar que los datos fueron obtenidos después del
sedimentador.
Figura 9.Porcentajes de remoción SST con los diferentes tratamientos. Por Andres F. Ayala & Jorge A. Mejía, 2019
En definitiva, el Tratamiento 1 fue el más efectivo para la remoción de DBO, DQO y SST
teniendo en cuenta que en las tres variables se obtuvieron porcentajes de remoción altos. (Ramos,
2017) en evaluación de un sistema de tratamiento de lodos activados para la remoción de carga
orgánica en las aguas residuales domésticas generadas en el Colegio San Viator demostró que al
operar con tiempos de retención hidráulicos entre 5-15 horas, se obtenían porcentajes de remoción
del 85% al 95%, siendo el sistema de lodos activados del tipo convencional, con base en lo anterior
el Tratamiento 1 representa la mejor alternativa en cuestión de disminución energética dado que
presenta un menor tiempo de retención y una reducción del 15% de inyección de aire.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 42
Conclusiones
Tras describir y analizar los diferentes resultados obtenidos con la aplicación de cuatro
tratamientos se procede a concluir esta investigación de tal forma que sirva para futuras
investigaciones.
Concerniente a las condiciones operacionales: tiempos de retención hidráulico (TRH) e
inyección de aire, el sistema requiere un monitoreo constante para garantizar que estas variables
no sean alteradas por variaciones fortuitas como sobrecarga del biorreactor, colmatación del
sedimentador o en su debido caso una disminución en los flujos de aire y agua por parte del tanque
alimentador y Venturi. Para tener un sistema operando sin inconvenientes, se recomienda operar
con tiempos de retención de 3 horas, reducción del 15% y un sedimentador de 30 litros.
Para determinar el efecto de variación en la eficiencia del tratamiento basado en el ANOVA
se puede inferir que, en esta investigación, los tiempos de retención hidráulicos con respecto a las
tres variables sometidas al análisis de la varianza fueron DQO F= 0,971 Sig. = 0,428; DBO F=
0,032 Sig. = 0,874; SST F= 0,421 Sig.= 0,583, e inyección tiene dependencia en la eficiencia del
tratamiento con una variación mínima dado que el análisis de la varianza para DQO F= 0,574 Sig.
= 0,528; DBO F= 60,840 Sig. = 0,016; SST F= 1,459 Sig.= 0,351.
En cuanto a la eficiencia de la remoción en función de los parámetros analizados: DBO,
DQO y SST, con base en los resultados obtenidos se puede afirmar que el tratamiento más
adecuado de esta investigación fue el Tratamiento 1 ya que las concentraciones de salida de las
tres variables analizadas tuvieron un porcentaje de remoción significativo superior al 65% con
respecto al valor de entrada 283,836 mg/L de DBO, 368,618 mg/L de DQO y 270 mg/L de SST,
durante todo el tratamiento.
Se concluye de manera general que durante esta investigación las reducciones de aire en el
sistema solo pueden llegar a ser eficientes con tiempos de retención mayores al calculado, debido
a que las bacterias lentifican su metabolismo cuando estas no consiguen adicionar oxígeno a los
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 43
procesos catabólicos, por ende, tardan más tiempo en consumir la materia orgánica. (Constanza,
Antolinez, Bohórquez, & Corredor, 2015). Basándose en la resolución 631 del 2015 este sistema
cumple con las concentraciones en el punto de vertimiento.
Este sistema presurizado opera sin necesidad de un equipo de oxigenación, siendo esta la
gran diferencia con respecto a los sistemas convencionales, de tal forma que evita un gasto
energético adicional para el funcionamiento del mismo.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 44
Recomendaciones
Los sedimentadores suelen acumular coloides en el fondo, por ende, se recomienda realizar
una purga de lodos para evitar la colmatación del mismo y tomar valores errados en este punto.
Para futuras investigaciones en biorreactores presurizados se recomienda hacer
reducciones en la inyección de aire solo si se aumentan los tiempos de retención hidráulicos, con
el fin de investigar hasta qué punto los lodos activados son eficientes en la remoción de DBO,
DQO y SST.
Aunque el presente estudio empleo métodos indirectos para medir la capacidad de
consumo y capacidad de remoción de materia orgánica, se sugiere realizar recuento de unidades
formadoras de colonia (UFC) semanales y la identificación hasta género de la microbiota presente,
para determinar efectivamente el rendimiento de biomasa frente al consumo de sustratos, lo que
permitiría optimizar los tiempos de retención y la remoción de contaminantes., sin embargo, en
este sistema empleado la eficiencia siempre se mantuvo en la remoción de materia orgánica.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 45
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EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 49
Anexos
Anexo 1. Cálculos de diseño del reactor de lodos.
1. Caudal de alimentación
𝑄 = 𝑉
𝑇𝑅𝐻
Donde:
Q= Caudal
V= Volumen del reactor
TRH= Tiempo de retención hidráulico
Se calculó el caudal para los tiempos de retención empleados durante esta investigación:
𝑄 = 142 𝐿
3 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 47,33
𝐿
ℎ= 1,136
𝑚3
𝑑𝑖𝑎
𝑄 = 142 𝐿
6 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 23,66
𝐿
ℎ= 0,568
𝑚3
𝑑𝑖𝑎
2. Carga orgánica
La carga orgánica es igual al producto del caudal respecto a la DBO de entrada
𝐾 = 𝑄 × 𝑆𝑜
Donde:
K= Carga orgánica
Q= Caudal
So= DBO de entrada
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 50
𝐾 = 1,136 𝑚3
𝑑í𝑎× 300
𝐾𝑔
𝑚3= 340,8
𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎
𝑚3×𝑑í𝑎
3. Carga orgánica volumétrica
𝐶𝑂𝑉 =𝐾
𝑉
Donde:
K= Carga orgánica
V= volumen del reactor
𝐶𝑂𝑉 =340,8
𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂
𝑑í𝑎
0,142 𝑚3=2400
𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑎
𝑚3×𝑑í𝑎
4. Caudal de purga
𝑄𝑤 =𝑉 × 𝑋
𝜃𝑐 × 𝑋𝑟
Donde:
Qw= Caudal de purga
V= Volumen del reactor
X= Solidos Suspendidos Volátiles (microorganismos) en el reactor
θc = Edad de lodos (tiempo medio de retención celular)
𝑄𝑤 =0,142 𝑚3 × 3000 𝐾𝑔/𝑚3
10 𝑑í𝑎𝑠 × 10000 𝐾𝑔/𝑚3= 0,0048
𝑚3
𝑑í𝑎
5. Concentración en el efluente
𝑆 =𝐾𝑆(1 + 𝐾𝑑𝜃𝑐)
𝜃𝑐(𝑌 ∗ 𝐾 − 𝐾𝑑) − 1
Donde:
θc = Edad de lodos (tiempo medio de retención celular)
Constantes cinéticas
PARÁMETRO VALOR
Intervalo Típico
Y (mg SSV/mg DBO) 0.4-0.8 0.6
Y (mg SSV/mg DQO) 0.25-0.4 0.4
Kd (d-1) 0.04-0.075 0.06
K (d-1) 26.4
Ks (d-1) 120
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 51
𝑆 =120 × (1 + 0,06 × 10)
10 × (0,6 × 26,4 − 0,06) − 1= 1,22 𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂
6. Tasa de utilización de sustrato específica
𝑈 =𝑄(𝑆0 − 𝑆)
𝑉𝑋
Donde:
U= utilización de sustrato
S0, S = DBO5 a la entrada y a la salida
V= Volumen del reactor
X= Solidos Suspendidos Volátiles (microorganismos) en el reactor
𝑈 =1,28 × (300 − 1,22)
0,16 × 3000= 0,8
𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂5𝑒𝑙𝑖𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜𝑠
𝐾𝑔𝑆𝑆𝑉𝐿𝑀 𝑑í𝑎
7. Relación alimento/microorganismos
𝐴
𝑀=
𝑆0
𝜃𝑋
Donde:
A/M= Alimento/microorganismos
S0= DBO5 a la entrada
𝜃= Tiempo de retención celular (3 horas = 0,125 días)
X= Solidos Suspendidos Volátiles (microorganismos) en el reactor
𝐴
𝑀=
300 𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂/𝑚3
0,125 𝑑í𝑎𝑠 × 3000 𝐾𝑔/𝑚3= 0,8
𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠
𝐾𝑔𝑆𝑆𝑉𝐿𝑀 𝑑í𝑎
8. Recirculación de lodos
𝑅 =𝑄𝑟
𝑄∗ 100
Donde:
R= Recirculación
Qr= Caudal de recirculación (25%)
Q= Caudal de entrada al reactor
𝑅 =0,284 𝑚3/𝑑í𝑎
1,136 𝑚3/𝑑í𝑎× 100 = 25%
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 52
9. Producción de lodos
𝑃𝑥 =𝑉. 𝑋
𝜃𝑐
𝑃𝑥 =0,142 × 3000
10= 42,6
𝐾𝑔𝐷𝐵𝑂
𝑑í𝑎
Anexo 2.
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 53
Fuente: Rojas, 2018.
Anexo 3. Tabla de datos Excel.
PARAMETRO Demanda química de oxigeno
(mg/l)
EXPERIMENTO DATO 1 2
Tratamiento 3TRH 6h (-15%) Entrada 368,618 368,618 368,618
Salida 104,104 139,751 121,928
Tratamiento 4TRH 6h (-30%) Entrada 368,618 368,618 368,618
Salida 80,610 133,675 107,142
Tratamiento 1 TRH 3h (-15%) Entrada 368,618 368,618 368,618
Salida 110,991 119,497 115,244
Tratamiento 2TRH 3h (-30%) Entrada 429,785 429,785 429,785
Salida 256,007 209,424 232,716
PARAMETRO Solidos suspendidos totales (mg/l)
EXPERIMENTO DATO 1 2
Tratamiento 3TRH 6h (-15%) Entrada 270 270 270
Salida 290 310 300
Tratamiento 4TRH 6h (-30%) Entrada 270 270 270
Salida 20 15 17,5
Tratamiento 1 TRH 3h (-15%) Entrada 270 270 270
Salida 60 65 62,5
Tratamiento 2TRH 3h (-30%) Entrada 340 340 340
Salida 140 10 75
y = -810,15xR² = 0,964
0
100
200
300
400
500
-0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 -1E-15
DQ
O (
mg/
L O
2)
Absorbancia
Curva Patrón DQO (Rango 0-450 mg/L O2) a 500 nm Solución de K2Cr2O7 (0,1 N)
DQOPatron
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 54
PARAMETRO Demanda biológica de oxígeno
(mg/l)
EXPERIMENTO DATO 1 2
Tratamiento 3TRH 6h (-15%) Entrada 283,836 283,836 283,836
Salida 86,160 105,608 95,884
Tratamiento 4TRH 6h (-30%) Entrada 283,836 283,836 283,836
Salida 62,070 92,930 77,500
Tratamiento 1 TRH 3h (-15%) Entrada 283,836 283,836 283,836
Salida 73,463 90,013 81,738
Tratamiento 2TRH 3h (-30%) Entrada 330,934 330,934 330,934
Salida 197,126 141,256 169,191
PARAMETRO Potencial de hidrogeno (pH)
EXPERIMENTO DATO 1 2
TRH 6h (-15%) Entrada 7,1 7 7,05
Salida 7 7 7
TRH 6h (-30%) Entrada 7,1 7 7,05
Salida 7 7 7
TRH 3h (-15%) Entrada 7,2 6,8 7
Salida 6,9 6,9 6,9
TRH 3h (-30%) Entrada 7,2 6,8 7
Salida 6,9 6,9 6,9
PARAMETRO Oxigeno disuelto (mg/l)
EXPERIMENTO DATO
TRH 6h (-15%) Entrada 4,37
Salida 4,44
TRH 6h (-30%) Entrada 4,41
Salida 4,46
TRH 3h (-15%) Entrada 3,32
Salida 3,35
TRH 3h (-30%) Entrada 3,34
Salida 3,36
EVALUACIÓN NIVELES DE INYECCIÓN REACTOR DE LODOS 55
PARAMETRO Temperatura ( ̊c)
EXPERIMENTO DATO
TRH 6h (-15%) Entrada 27
Salida 27
TRH 6h (-30%) Entrada 27
Salida 27
TRH 3h (-15%) Entrada 28,5
Salida 28,5
TRH 3h (-30%) Entrada 28,5
Salida 28,5