UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA RECINTO UNIVERSITARIO SIMON BOLIVAR FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA RECINTO UNIVERSITARIO SIMON BOLIVAR FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA COMPARACIÓN TÉCNICA-ECONÓMICA DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES GENERADAS POR PLANTAS DE ALIMENTOS. Trabajo de diploma Presentado por: Br. ARLEN RUTH SALGADO VILLALOBOS Br. TANIA VALERIA QUINTANA MAIRENA Para optar al titulo de: INGENIERO QUÍMICO Tutor: MSc. Ing. MARTIN GAUSS Asesor: ING. VIDAL CÁCERES Managua, Nicaragua Agosto,

2 I. INTRODUCCIÓN Actualmente la contaminación y deterioro del medio ambiente es una de las preocupaciones en el mundo, especialmente en países en desarrollo como Nicaragua, donde el deterioro ambiental ha sido notorio en las últimas décadas, producto del incremento y mal manejo de las aguas residuales tanto domésticas como industriales, sobre todo cuando son vertidas sin ningún tipo de tratamiento o con un tratamiento deficiente a cuerpos receptores. Históricamente, las empresas Nicaragüenses han desatendido el impacto ambiental negativo que sus afluentes provocan al ser vertidos al medio ambiente sin un tratamiento adecuado. La mayoría de éstas corresponden a empresas procesadoras de alimentos, tales como queseras, granjas avícolas, cervecerías, mataderos, beneficios de café, entre otras; las cuales tradicionalmente no se han preocupado por proporcionar tratamiento a sus afluentes debido a la falta de aplicación de las leyes ambientales, por lo que se han convertido en fuentes activas de contaminación. Las aguas residuales industriales generadas por estas empresas poseen un alto contenido de contaminantes entre ellos se destacan los sólidos en suspensión, materia orgánica, grasas y aceites, nutrientes y patógenos, razón por la cual se debe brindar un tratamiento adecuado a las mismas. Con la publicación de las disposiciones para el control de la contaminación provenientes de las descargas de aguas residuales domésticas, industriales y agropecuarias contenidas en el decreto del MARENA, el cual especifica los parámetros y rangos de contaminantes permisibles en los efluentes, las empresas nacionales han comenzado el proceso de caracterización, diseño y construcción de sistemas de tratamiento, con el propósito que deben cumplir con las normas antes mencionadas. Existen diferentes tecnologías de tratamiento que las empresas pueden utilizar para tratar sus aguas residuales, separándose en dos grupos principales: sistemas de tratamiento que requieren del uso intensivo de energía eléctrica y sistemas que se basan en la biodegradación natural. Los sistemas intensivos, tales como lodos activados, son más eficientes en la remoción de materia orgánica pero se objeta sus costos y la dependencia de repuestos del extranjero. En cambio, los sistemas de biodegradación natural, entre los que se destacan los filtros anaerobios, biofiltros y lagunas de estabilización, tienen bajos costos, y no dependen de repuestos. De acuerdo a lo antes mencionado, el presente estudio estará dirigido a determinar en el campo, mediante el acceso a sistemas de tratamiento que son representativos de ambas tecnologías, la factibilidad y sostenibilidad técnica y económica de algunas plantas de tratamiento de aguas residuales de la industria alimenticia de Nicaragua, con el propósito de que la información obtenida sirva de guía para la selección de alternativas de tratamiento más adecuadas en función de la capacidad de las empresas. 2

3 II.- ANTECEDENTES Hace 10 años en Nicaragua no existían leyes que obligaran a las industrias a prevenir el deterioro del medio ambiente y proteger el ecosistema, así como el buen aprovechamiento y sostenibilidad de los recursos hídricos. Existe un capítulo de asistencia en el área ambiental, con el objetivo general de revertir el proceso de degradación ambiental de Nicaragua. Para esto se organizó el Programa Ambiental Nicaragua Finlandia (PANIF-MARENA), que se centra en la reducción de la contaminación proveniente de la industria alimenticia (café y queso) y de la pequeña minería de oro, y en donde se ha creado una guía que se dirige a procesadores lácteos y funcionarios de instituciones públicas vinculadas a la industria láctea, con el propósito de mejorar el conocimiento sobre la situación ambiental de las queseras artesanales y semiindustriales del país, y esforzar la implementación de sistemas de tratamiento de los residuos líquidos que reduzcan la contaminación que es generada por estas industrias. En el año 1995 el gobierno de Nicaragua aprobó y publicó el decreto del MARENA, el cual dispone del control de la contaminación proveniente de las descargas de aguas residuales domésticas, industriales y agropecuarias, que obliga a las industrias a cumplir con las normas de vertido a cuerpos receptores, con el objetivo de prevenir la contaminación procedente de estas industrias. En el decreto del MARENA, Arto.75 se contempla el Plan gradual de descontaminación, el cual ha establecido un período de plazo determinado para que las empresas nacionales traten sus aguas residuales, en dos etapas: la primera deberán caracterizar sus afluentes y construir las obras necesarias para las mediciones de caudales, esto se debe ejecutar en un periodo de 2 años después de haberse oficializado dicho plan. En la segunda etapa se dispondrá de un diseño detallado del sistema de pretratamiento en el caso de que sus aguas sean vertidas al alcantarillado y seleccionar una empresa constructora para la construcción, puesta en marcha y plan de monitoreo, este contempla un periodo de 4 años posteriores al plazo de la primera etapa, y 6 años posteriores a los plazos fijados para la primera etapa, cuando no son vertidos a alcantarillados, sino a cuerpos receptores para la construcción de un tratamiento completo. Desde la publicación del decreto del MARENA solamente unas pocas empresas han cumplido con el tratamiento de sus aguas residuales para que sus efluentes puedan ser vertidos a un cuerpo receptor. Sobre la base de las dificultades y resultados proporcionados por estas empresas, se podrá establecer los pro y contra del uso de los diferentes sistemas de tratamiento empleados. 3

4 III.- JUSTIFICACIÓN Nicaragua en los últimos años se ha desarrollado industrialmente en el procesamiento de alimentos, a la vez estas generan grandes cantidades de aguas residuales con altas concentraciones de contaminantes que contribuyen al deterioro del medio ambiente. En Nicaragua existen normativas de carácter reglamentarias que regulan sustancialmente las descargas de aguas residuales a cuerpos receptores como el decreto del MARENA. Este tiene la disposición de armonizar el desarrollo económico del país con el aprovechamiento racional de los recursos hídricos para el uso de generaciones presentes y futuras, por esto es necesario la protección de la calidad del agua. La construcción de sistemas de tratamiento de aguas residuales industriales en las empresas Nicaragüenses depende en gran medida de los costos de construcción, operación, y mantenimiento, además del grado de eficiencia de los mismos. En vista de la falta de experiencia que existe en este campo, las empresas nacionales necesitan una guía sobre la aplicación de las diferentes alternativas de tratamiento de aguas residuales industriales, incluyendo costos y eficiencia técnica de los mismos. Con el presente trabajo se pretende reunir información necesaria que sirva de guía para seleccionar el sistema de tratamiento más apropiado según la carga contaminante de la empresa y factibilidad económica de la misma. 4

5 IV.- OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Evaluar la eficiencia de la remoción de los contaminantes y la sostenibilidad técnicaeconómica de los sistemas de tratamiento de aguas residuales de las plantas de alimentos OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar muestreos en cuatro sistemas de tratamiento, los cuales son las plantas de: LA MONTAÑA, MASIGUITO Y SAN FRANCISCO DE ASÍS (Procesadoras de lácteos), las dos ultimas comparten el mismo sistema de tratamiento, INDAVINSA (matadero de pollos), y Consorcio Cervecero Centroamericano (procesadora de cerveza) que actualmente están operando para conocer la calidad de sus efluentes. Recopilar información actual sobre los costos de construcción, operación y mantenimiento de cada uno de los sistemas de tratamiento. Establecer comparaciones técnicas económicas entre los diferentes sistemas de tratamientos en estudio. Determinar el costo por metro cúbico de agua residual tratada, en cada uno de los sistemas de tratamiento en estudio y realizar comparaciones entre ellos. 5

6 V.- MARCO TEÓRICO DEFINICIÓN DEL TERMINO AGUAS RESIDUALES Es la combinación de los residuos líquidos o aguas portadoras de residuos, procedentes tanto de viviendas como de instituciones públicas y establecimientos industriales y comerciales, a los que pueden agregarse, eventualmente aguas subterráneas, superficiales y pluviales. Las aguas residuales no deben ser conducidas a cuerpos receptores de agua sin un tratamiento previo para eliminar los contaminantes CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES [8] Las aguas residuales se caracterizan por su composición física, química y biológica ya que son esenciales para el proyecto y funcionamiento de las instalaciones, para su recogida, tratamiento y evacuación así como para la técnica de la gestión de la calidad ambiental CONTAMINANTES DE IMPORTANCIA EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES [8] Las normas que regulan los tratamientos secundarios están basadas en las tasas de eliminación de la materia orgánica, sólidos en suspensión y patógenos presentes en el agua residual. Gran parte de las normas implantadas, más exigentes, como también las normas implantadas por el gobierno de Nicaragua en el decreto del MARENA, incluyen el control de la eliminación de nutrientes y de los contaminantes prioritarios. Cuando se pretende reutilizar el agua residual, las exigencias normativas incluyen también la eliminación de compuestos orgánicos, metales pesados y en algunos casos, sólidos inorgánicos disueltos. A continuación se describen algunos contaminantes de interés en el tratamiento de aguas residuales Características Físicas [4] : Las características físicas son aquellas que no alteran la naturaleza del agua residual, entre las más importantes se pueden mencionar: Olor, temperatura, densidad, color, turbiedad y el contenido total de sólidos (término que engloba la materia en suspensión, la materia sedimentable, la materia coloidal y la materia disuelta). Olores Estos son debidos a los gases producidos por la descomposición de la materia orgánica. El olor más característico del agua residual, baja en oxígeno disuelto, es el del sulfuro de hidrogeno (H 2 S), producido por microorganismos anaerobios que reducen los sulfatos a sulfitos. Temperatura [9] Este es un parámetro muy importante por su efecto en la vida acuática, en reacciones químicas y velocidades de reacción, además por su posible aplicación para otros fines. Por ejemplo, se sabe que el agua caliente disminuye la solubilidad del oxígeno mientras un cambio brusco de temperatura puede dar lugar a un alto porcentaje de mortalidad en la vida acuática. 6

7 Densidad La densidad es una característica física muy importante del agua residual dado que de ella depende la potencial formación de corrientes de densidad en fangos de sedimentación y otras instalaciones de tratamiento. Color El color junto con el olor ayuda a determinar la condición de un agua residual y su edad. El agua residual nueva suele ser gris y a medida que los compuestos orgánicos son descompuestos por las bacterias, el oxígeno disuelto se reduce y el agua cambia a color oscuro. Muchas aguas industriales añaden un color específico al agua residual que permite suponer la presencia de un contaminante. Turbiedad La medición de la turbiedad se lleva a cabo mediante la comparación entre la intensidad de la luz dispersada en la muestra y la intensidad registrada en una suspensión de referencia en las mismas condiciones. La materia coloidal dispersa o absorbe la luz, impidiendo su transmisión. Aun así, no es posible afirmar que exista una relación entre la turbiedad y la concentración de sólidos en suspensión de un agua no tratada. Sólidos totales Bajo este nombre se distingue todos los constituyentes sólidos de las aguas residuales, sólidos orgánicos e inorgánicos, el cual esta compuesto por materia flotante y materia en suspensión, en dispersión coloidal y en disolución. Sólidos suspendidos Son aquellos que están en suspensión y que son perceptibles a simple vista en el agua. Son los sólidos que pueden separarse del agua residual por medios físicos o mecánicos, como son la sedimentación y la filtración. Se definen mas exactamente como los sólidos que quedan retenidos por la capa filtrante, de asbesto, en un crisol Gooch (recipiente de porcelana cuyo fondo lleva numerosas perforaciones), de los sólidos suspendidos. Incluyen las partículas flotantes mayores que consisten en arena, polvo, arcilla, sólidos fecales, papel, astilla de madera, partículas de alimentos de basura y otros materiales similares. Sólidos sedimentables Son la porción de los sólidos suspendidos cuyo tamaño y peso es suficiente para que se sedimente en un periodo de tiempo determinado, que generalmente es de una hora. Debe entenderse que son los sólidos que se sedimentan en una hora en un cono Imhoff. Generalmente el resultado se expresa en un milímetro de sólidos por litro de agua residual. 7

8 Sólidos disueltos Este término es utilizado ordinariamente en los estudios de aguas residuales, sin embargo, según la siguiente definición no es técnicamente correcta. No todos estos sólidos están verdaderamente disueltos, puesto que se incluyen algunos sólidos en estado coloidal. De acuerdo con la costumbre, el término incluye todos los sólidos que pasan a través de la capa filtrante de asbesto en un crisol Gooch. De los sólidos disueltos totales, aproximadamente un 90% verdaderamente esta disuelto y un 10% esta coloidal Características químicas El estudio de las características químicas de las aguas residuales se aborda en los siguientes cuatro aspectos: la materia orgánica biodegradable, la medición del contenido orgánico, la materia inorgánica, y los gases presentes en el agua residual. Materia orgánica biodegradable [4] Son sólidos que provienen de los reinos animal y vegetal, así como de las actividades humanas relacionadas con la síntesis de compuestos orgánicos. Son sustancias que contienen carbonos, hidrógeno y oxígeno, pudiendo estar combinadas algunas con nitrógeno y azufre o fósforo. Los grupos principales son las proteínas, los hidratos de carbono y las grasas y aceites, junto con los productos de descomposición. Están sujetas a degradación o descomposición por la actividad de las bacterias y otros organismos vivos; además son combustibles, es decir, pueden ser quemados. Uno de los principales grupos presentes en el agua residual es las grasas y aceites. Grasas y aceites [8] Son compuestos de alcohol (ésteres) o glicerol (glicerina) y ácidos grasos. Los glicéridos de ácidos grasos que se presentan en estado líquido a temperaturas normales se denominan aceites, mientras que los que se presentan en estado sólido reciben el nombre de grasas, químicamente son muy parecidos, y están compuestos por carbono, oxígeno e hidrógeno en diferentes proporciones. La presencia de grasas y aceites en el agua residual puede provocar problemas tanto en la red de alcantarillado como en las plantas de tratamiento. Si no se elimina el contenido de grasa antes del vertido del agua residual, puede interferir con la vida biológica en aguas superficiales y crear películas y acumulaciones de materia flotante desagradables. Medida del contenido orgánico A lo largo de los años, se han ido desarrollando diferentes ensayos por la determinación del contenido orgánico de las aguas residuales. Los métodos empleados para determinar las concentraciones de contenido orgánico son: DBO 5 (Demanda bioquímica de oxígeno) Es la cantidad de oxígeno requerido por un inoculo de bacteria para la descomposición de la materia orgánica, en una muestra, durante 5 días, a una temperatura de 20 o C. Estos microorganismos (bacterias que se encuentran en el agua con contaminación orgánica), transforman la materia orgánica presente en los residuos líquidos. Este método es 8

9 empleado para determinar la cantidad aproximada de oxígeno que se requerirá para estabilizar biológicamente la materia orgánica biodegradable presente, así como medir la eficiencia de los procesos de tratamiento y controlar el crecimiento de las limitaciones a que están sujetos los vertidos. DQO (Demanda química de oxígeno) Es la cantidad de oxígeno requerido para la oxidación completa de la materia orgánica por agentes químicos altamente oxidante en medio ácido para la determinación del equivalente de oxigeno de la materia orgánica que pueda oxidarse. Los resultados de la DQO son siempre mayores que los de DBO 5, por que es mayor el número de compuestos orgánicos que pueden ser oxidados químicamente que los que pueden ser oxidados biológicamente a través de los microorganismos. Materia inorgánica [4] Son sustancias inertes que no están sujetas a la degradación. Ciertos compuestos minerales hacen excepción a estas características, como los sulfatos, los cuales bajo ciertas condiciones pueden descomponerse en sustancias más simples, como sucede en la reducción de los sulfatos a sulfuros. A los sólidos inorgánicos se les conoce frecuentemente como sustancias minerales: arena, grava, cieno (lodo blando) y sales minerales del abastecimiento de agua que producen su dureza y contenido mineral, dentro de los constituyentes inorgánicos tenemos: ph [8] El ph es la medida de la concentración de iones hidrógeno, expresada como el logaritmo negativo de la concentración molar del ión hidrogeno (ph=- log [H + ]). El agua residual con una concentración adversa es difícil de tratar por medios biológicos y si la concentración no se altera antes de la evacuación, el efluente puede alterar la concentración de las aguas naturales. El valor del ph adecuado para los diferentes tipos de tratamientos y para la existencia de la mayoría de la vida biológica puede ser muy restrictivo y critico, sin embargo, generalmente es de 6.5 a 8.5. Alcalinidad La alcalinidad de un agua residual está provocada por la presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos como el calcio, el magnesio, el sodio, el potasio o el amoniaco. De entre todos ellos, los más comunes son el bicarbonato de calcio y el bicarbonato de magnesio. La alcalinidad se determina por titulación con un ácido normalizado, expresándose los resultados en carbonato de calcio, CaCO 3. La forma más común para la determinación de alcalinidad consiste en valorar mediante un ácido fuerte hasta ph 4.3, la cual mide la alcalinidad total (AT), realizando una valoración hasta ph 5.75, la cual mide la alcalinidad parcial (AP), aportada básicamente por bicarbonatos. La concentración de alcalinidad en un agua residual es importante en aquellos casos en los que empleen tratamientos químicos, en la eliminación biológica de nutrientes, y cuando haya que eliminar el amoníaco mediante arrastre por aire. 9

10 Nutrientes [8] El nitrógeno, fósforo, junto con el carbono, son nutrientes esenciales para el crecimiento de las bacterias. Cuando se vierten al entorno acuático, estos pueden favorecer al crecimiento excesivo de una vida acuática no deseada y pueden provocar de esta manera la formación de compuestos tóxicos, por ejemplo: el amoníaco, que en concentraciones mayores de 2 mg/l es letal para los peces. De igual forma, la falta de estos debilita el proceso de crecimiento bacteriano. Cuando se vierten al terreno en cantidades excesivas, también pueden provocar la contaminación de agua subterránea y la eutroficación de los cuerpos receptores de agua Características biológicas Organismos patógenos [9] Los organismos patógenos son evacuados por los seres humanos que se vean afectados con alguna enfermedad o que sean portadores de alguna enfermedad en particular. Dado que el número de organismos patógenos presentes en las aguas residuales y aguas contaminadas son pocos y difíciles de aislar, el organismo coliforme, que es más numeroso y de determinación más sencilla, se utiliza como organismo indicador de contaminantes. La presencia de organismos coliformes se interpreta como una indicación de que los organismos patógenos también pueden estar presentes y su ausencia indica que el agua se halla exenta de organismos productores de enfermedades. Las bacterias coliformes incluyen los géneros Escherichia y Aerobacter. El uso de los coliformes como organismos indicadores son problemáticos debido a que la Aerobacter y ciertas especies de Escherichia pueden crecer en el suelo. Por tanto, la presencia de coliformes no siempre significa contaminación con residuos humanos. Parece ser que las Escherichia coli (E. coli) son totalmente de origen fecal. Algas Las algas pueden presentar serios inconvenientes en las aguas superficiales, puesto que pueden reproducirse rápidamente cuando las condiciones son favorables. La presencia de algas afecta el valor del agua de abastecimiento, ya que puede originar problemas de olor y de sabor. En cuanto a los usos del agua relacionados con el ocio, las algas también pueden alterar el valor de las aguas superficiales debido al crecimiento de ciertas especies de peces y formas de vida acuáticas. Uno de los problemas a los que se enfrenta la ingeniería sanitaria en el campo de la gestión de la calidad del agua es la de encontrar el proceso de tratamiento que hay que aplicar a las aguas residuales de diferentes orígenes de modo que los efluentes no favorezcan el crecimiento de algas y demás plantas acuáticas. La solución puede implicar la eliminación del carbono, así como de las diferentes formas de nitrógeno y fósforo y alguno de los elementos que se hallan presentes a nivel de traza, como el hierro y el cobalto. 10

11 Tabla a [1,3,14] : Comparación de contaminantes de aguas residuales domésticas y agroindustriales. Contaminantes DBO 5 DQO Sólidos suspendidos N T Unidad Agua Residual Domésticas Queseras Mataderos de pollos Cervecerías mg/l mg/l mg/l mg/l P T Coliformes fecales mg/l Unid. 3.3E 7 - * - *Los datos de coliformes fecales no están reflejados en la tabla pero si están presentes en este tipo de aguas CALIDAD DEL EFLUENTE REQUERIDO SEGÚN LA NORMA (decreto del MARENA) Tabla 5.4.-a: Parámetros, rangos y límites máximos permisibles de las diferentes industrias en estudio. Rangos y límites máximos permisibles promedio diario Parámetros Unidad Industria de Matanza de animales Industria Láctea y sus derivados Industria de Cerveza y Malta ph Sólidos Suspendidos Totales mg/l Sólidos Sedimentables ml/l DBO 5 mg/l DQO mg/l Grasas y Aceites mg/l MÉTODOS PARA EL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES [2] En el caso de las aguas residuales industriales, el objetivo principal generalmente es la reducción de contaminantes, por lo que los métodos de tratamiento industrial, generalmente se denominan según la técnica de reprocesamiento aplicada. En consecuencia, los métodos de tratamientos suelen ser similares a los utilizados por las aguas residuales municipales, pero también son específicos solo para ciertos tipos de aguas residuales industriales y posiblemente difieran, en gran medida, incluso dentro de una misma rama industrial. En el caso del tratamiento de aguas residuales municipales, se emplean tres métodos, definidos según su trabajo: Mecánico, Químico y Biológico. 11

12 Tratamiento Mecánico Se basa en las propiedades físicas del agua e incluyen la separación de sólidos sedimentables y materiales no disueltos de las aguas residuales, como grasas y aceites, para su posterior estabilización. Son comunes los sistemas de separación de material grueso (rejillas, filtros y tamices), separadores por gravedad (Sistemas de flotación y sedimentación); también se incluye en este rubro los tanques de homogeneización Tratamiento Químico Consiste en la separación o transformación de las sustancias sedimentables, flotantes y disueltas, mediante el uso de sustancias químicas. En casos especiales se usa la esterilización de las aguas residuales que fueron preclarificadas mecánica o biológicamente. En general los métodos de estos tratamientos comprenden procesos de neutralización, floculación, adsorción, extracción por solventes, destilación oxidación, reducción, entre otros métodos físico-químicos especializados Tratamiento Biológico [11] Se utiliza la actividad de ciertos microorganismos para la oxidación y mineralización de sustancias orgánicas presentes en las aguas residuales, los principales son el tratamiento anaerobio y el tratamiento aerobio. Los términos generales usados para describir los distintos métodos de acuerdo al incremento en el nivel de tratamiento, son: preliminar, primario, secundario y terciario o tratamiento avanzado del agua residual Digestión anaeróbica Este tipo de tratamiento implica la descomposición de materia orgánica en ausencia de oxigeno. De la materia orgánica se obtienen dos tipos de subproductos: el biogás, que es una fuente de energía y el lodo residual. Después de un periodo de descomposición aeróbica, el lodo es transformado en abono orgánico o mejorador de suelos que se aplica para aumentar la fertilidad de campos agrícolas [14]. El biogás consiste en una mezcla de gases cuya composición básica es de metano (CH 4 ) y dióxido de carbono (CO 2 ), siendo estos los compuestos del carbono más reducido y oxidados respectivamente. Además el biogás cuenta con la presencia de nitrógeno, hidrogeno amoniaco y sulfuro de hidrogeno en proporciones menores al 1%. El metano es un gas combustible, incoloro e inodoro, más liviano que el aire. Su combustión produce una llama azul y productos no contaminantes. A pesar de que el ácido sulfhídrico se encuentra en pequeñas cantidades en el biogás, sus efectos son dañinos, ya que posee un olor desagradable y en presencia de agua produce efectos corrosivos en diferentes materiales. El biogás puede ser utilizado como cualquier otro gas combustible y generalmente se almacena en tanques como una campana de acero flotante o bolsas de capas plásticas residentes. Tradicionalmente la aproximación más usual para la compresión de los fenómenos involucrados en la digestión anaerobia ha sido la de dividir el proceso en dos etapas: una ácida primero y una segunda productora de metano. Sin embargo de acuerdo con los desarrollos mas recientes las etapas básicas en las cuales se pueden dividir el proceso son: 12

13 Hidrólisis Se da la transformación por vía enzimática de los compuestos de alto peso molecular, como glúcidos, lípidos y proteínas, en compuestos más sencillos. Las bacterias fermentativas no pueden asimilar las largas cadenas polimétricas presentes en el sustrato, de modo que estas primeramente excretan enzimas extra celulares, que en el exterior convierten los polímeros complejos en polímeros solubles o monómeros de bajo peso molecular (azucares fermentables, aminoácidos, ácidos grasos) que pueden atravesar la pared celular de las bacterias. Algunas enzimas que actúan directamente en este proceso son; lípasas, óxido reductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerazas y ligazas. La velocidad de la licuefacción está determinada por la composición del substrato (biodegradabilidad) y por su naturaleza física (tamaño y porosidad de las partículas). Cuanto más pequeños sean los sólidos, mayor la superficie expuesta al contacto con los microorganismos. Acidogénesis Una ves asimilado por las bacterias los compuestos generados en la primera etapa son trasformados en ácidos orgánicos principalmente propiónico, butírico y acético, en proporciones variables, que dependen de las condiciones internas del digestor. Paralelamente se produce hidrogeno y dióxido de carbono. Esta etapa es realizada por las bacterias fermentativas. Acetogénesis Existen dos procesos principales del metano, el ácido acético y el hidrógeno, de tal forma que los demás productos de la fase anterior deben ser necesariamente transformados a estos dos. Se realiza con las bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno y las consumidoras de hidrógeno. Metanogénesis Es la etapa más importante del proceso, pues es en ella que se produce la remoción de la materia orgánica disuelta en el agua y la recuperación de la energía en forma de metano, y adicionalmente porque del correcto equilibrio entre esta etapa y las anteriores depende la estabilidad del proceso. Esta etapa la realizan las bacterias metanogénicas. En un digestor, la conversión de los fangos orgánicos y de los residuos se lleva a cabo mediante la acción conjunta de diferentes organismos anaerobios. Un grupo de microorganismos se ocupa de la hidrolización de los polímeros orgánicos y de los lípidos para formar elementos estructurales básicos como los monosacáridos, los aminoácidos y los compuestos relacionados con estos. Un segundo grupo de bacterias anaerobias fermenta los productos de la descomposición para producir ácidos orgánicos simples, de los que se presenta con mayor frecuencia en los digestores orgánicos es el ácido acético. Un tercer grupo de microorganismos convierte el hidrógeno y el ácido acético, originado por las bacterias formadoras de ácidos, en gas metano y dióxido de carbono. 13

14 El proceso anaerobio se ve influenciado por algunos parámetros que, a fin de cuentas, regulan el mecanismo por el cual la materia orgánica compleja es descargada a los compuestos más sencillos y estables, convirtiéndose así en variables de control en la puesta en marcha y operación del digestor. Los más importantes son: ph Es un parámetro de control muy importante en el proceso anaerobio, ya que su valor puede influir en la actividad de diferentes microorganismos presentes en la digestión anaerobia. Se recomienda generalmente un rango de ph entre 6 y 8. El ph de una fermentación resulta principalmente de la reacción de productos del metabolismo ácidos o básicos y del sistema tampón. El tampón más importante de una fermentación de metano es el sistema CO 2 /HCO 3. El CO 2 se disuelve en agua, con formación parcial de ácido carbónico que luego se disocia en HCO 3 - /H +. CO 2( g) + CO 3 CO H 2 CO 2( disuelto) 3 + OH CO 2 HCO + H H HCO 2 O 3 H + El ácido carbónico reacciona con iones hidróxilos que proceden de la reacción de amoniaco generado en la degradación de las proteínas. Las causas de descensos del ph son, entre otras: Aumento repentino de la carga Incremento en la toxicidad de la materia prima Cambio súbito de la temperatura En los diferentes grupos de microorganismos se tienen diferentes ph; las bacterias hiodrolíticas operan mejor entre ph de 7.2 y 7.4, las acetogénicas en ph debajo de 6.5 disminuye la actividad metanogénica y solo persiste la actividad de los otros grupos, pero limitada. A un ph menor de 4.5 cesa toda actividad microbiana. Temperatura Según la temperatura presente en el digestor, la fermentación anaerobia puede dividirse de acuerdo al trabajo de las diferentes bacterias en las siguientes fases y rangos de temperatura [3] : Fermentación psicrofílica: (10-20 C) Fermentación mesofílica (20-50 C) Fermentación termofílica (50-60 C) La mayoría de las bacterias que participan en la generación de metano tiene una temperatura óptima en el rango mesofílico de C. Esto significa que una gran parte de las bacterias metanogénicas siempre vivirán a temperaturas menores que su temperatura optima. 14

15 Sustancias de influencia Estas son sustancias producidas durante la fermentación o introducidas al sistema: Antiácidos y desinfectantes Estos son muy perjudiciales para el proceso, por tal razón se debe evitar al máximo su ingreso al digestor anaerobio, ya que pueden causar severos daños en la flora bacteriana. Ácido sulfhídrico Este se forma por la descomposición de la materia orgánica que contiene azufre por la reducción de sulfitos y sulfatos minerales. No se forma en presencia de un abundante suministro de oxígeno. Se trata de un gas incoloro, inflamable, que tiene olor característico de huevos podridos. El ennegrecimiento del agua residual y del fango se debe generalmente a la formación de sulfuro de hidrógeno que se combina con el hierro presente para formar sulfuro ferroso (SFe). Aunque el sulfuro de hidrógeno es el gas formado más importante desde el punto de vista de los olores, pueden formarse otros compuestos volátiles, tales como el indol, escatol y mercaptanos durante la descomposición anaeróbica que pueden producir olores peores que el del sulfuro de hidrógeno. Amoníaco Es otro agente inhibidor potencial del proceso anaerobio y se encuentra en equilibrio químico con el ión amonio de mayor capacidad tóxica. Este es generado por la actividad de las bacterias proteolítica que degradan la proteína sostenida en el sustrato. Cuando el amoniaco se presenta en ciertas concentraciones es tóxico para las bacterias. La capacidad toxicidad no solamente depende de la concentración absoluta en el sustrato, sino también de la adaptación de las bacterias, del ph y otros factores. Por lo general en el alcance de mg/l de NH 4 + (a un ph > 7.4) se debe contar con una concentración inhibitoria de NH3, a concentraciones mayores el ión amonio por si mismo ya es tóxico. Ácidos grasos volátiles Son generados en el transcurso de la fermentación por el trabajo de las bacterias fermentativas y acetogénicas, pero existen sustratos que ya tienen un contenido alto de ácidos grasos volátiles. Aunque son productos del metabolismo, en concentraciones elevadas ellos provocan una inhibición del proceso. Es decir en el caso de la actividad demasiado alto de las bacterias fermentativas o muy bajas de las acetogénicas y metanogénicas puede subir la concentración de ácido acético, propiónico, butírico, etc. A un ph apropiado de 6.8 las concentraciones mayores a 3 mg/l de AGV pueden ser tóxicas, a más de 10 g/l se paraliza la producción de metano. La manera mas practica para determinar la concentración de AGV es por la medida de la alcalinidad. Alcalinidad La medida de la alcalinidad indica la capacidad tampón del medio y por tanto, sobre la resistencia del ph a variar en función de las anomalías de operación. Se recomienda operar a valores superiores a 3 g/l de HCO 3 - por lo que cuando se tiene un efluente de bajo poder tampón puede ser necesaria la adición externa de álcalis. 15

16 Nutrientes Las bacterias necesitan principalmente carbono y nitrógeno para vivir; también necesitan pequeñas cantidades de sodio, calcio, potasio, fósforo, cinc y hierro. Primordial es la relación en la cual se encuentra el carbono y el nitrógeno, pues por lo general los otros nutrientes se encuentran en cantidades suficientes. Se recomienda una relación de C/N de 16:1 y una proporción máxima de 45:1. Biogás El biogás se compone mayoritariamente de metano (CH 4 ) y dióxido de carbono (CO 2 ), que en dependencia del sustrato puede alcanzar valores entre 60 a 90% de metano, obteniendo además otros gases generalmente en concentraciones de trazas, entre los que se encuentran: Sulfuro de hidrogeno (H 2 S), nitrógeno (N 2 ), hidrógeno (H 2 ) y monóxido de carbono (CO). La DQO eliminada de la corriente de entrada, excepto la destinada al crecimiento celular, se recupera en forma de biogás. Por ello la medida del caudal y su composición del biogás producido es un excelente indicador de la eficiencia del sistema. Un aumento importante de la concentración de dióxido de carbono o un descenso en la proporción de metano es indicativo de variaciones simultáneas en el ph y alcalinidad del líquido y anuncia un proceso de acidificación avanzada Tratamiento aeróbico En los procesos aeróbicos la estabilización de los residuos se consigue mediante microorganismos aerobios y facultativos, quienes utilizan el oxígeno para descomponer la materia carbonácea orgánica. Los productos finales de la descomposición aerobia son: el dióxido de carbono, nitratos, sulfatos, agua y material celular, siendo estos productos muy estables ya que toda la energía del sustrato es utilizada en el crecimiento de los microorganismos. A menudo se necesita garantizar el ambiente aerobio. Esto se logra mediante el uso de aireación artificial por medio de difusores u otros sistemas mecánicos. Los procesos aeróbicos mas frecuentemente utilizados en el tratamiento de aguas residuales son los fangos activados, filtros percoladores y estanques de estabilización aeróbicas ETAPAS TÍPICAS DE UN TRATAMIENTO INDUSTRIAL Según el grado de tratamiento, un sistema de tratamiento de aguas residuales consiste de las siguientes etapas: tratamiento preliminar, tratamiento primario, tratamiento secundario y tratamiento terciario. A continuación se describen las etapas de tratamientos y los equipos y sistemas respectivos Tratamiento preliminar El tratamiento preliminar es una operación física ya que se emplea para separar sólidos de gran tamaño, sólidos suspendidos y flotantes, grasas, y compuestos orgánicos volátiles Objetivos del tratamiento preliminar El objetivo del tratamiento preliminar, es la remoción de la mayor parte de los sólidos y 16

17 materiales flotantes, que se encuentran en el agua residual cruda y que pueden ocasionar problemas o bajar la eficiencia en las siguientes etapas del tratamiento, específicamente en tuberías y equipos de bombeo, filtración, aireación, etc. Las operaciones del tratamiento preliminar incluyen la remoción de partículas gruesas, natas flotantes, eliminación del material inerte como piedra, arena y ceniza, así como la determinación de las condiciones hidráulicas del afluente al sistema. En este proceso se incluyen los siguientes equipos: rejillas, tamices, desarenadores, tanques de homogeneización Equipos utilizados en el tratamiento preliminar Rejillas Son aquellos tipos de enrejado que se utilizan para la separación de sólidos gruesos y se ubican transversalmente al flujo. Al pasar el agua el material grueso queda detenido en el enrejado y debe ser retirado manualmente o con dispositivos mecánicos adecuados. Dependiendo del espacio libre entre las barras de las rejillas, se pueden distinguir entre rejillas para material grueso y rejillas para material fino. Debido a que las rejillas suelen estar ubicadas en el canal de ingreso, el retiro continuo del material atrapado constituye una función clave para mantener el funcionamiento ininterrumpido de la planta. Tamices Los primeros tamices eran de disco inclinado o de tambor, y se utilizaban como mecanismo de separación estos consistía en placas de bronce o de cobre con ranuras fresadas. Los tamices se adaptan especialmente para aplicaciones industriales en el caso de sustancias finas, posibles de tamizar. En algunos casos, se puede recuperar de este modo, materiales útiles. Desarenadores Los desarenadores tienen la finalidad de sedimentar las partículas minerales cuyo tamaño varían entre 0.2 y 2.0 mm, que están presentes en las aguas residuales, con el objetivo de proteger las unidades de tratamientos que están aguas abajo contra la acumulación de arena, detrito y otros materiales inertes, también para evitar el desgaste de las bombas. Existen dos tipos generales de desarenadores [9] : Desarenador de Flujo horizontal Atraviesa el desarenador en dirección horizontal, y consiste en un canal por el que circula el agua a velocidad comprendida entre 20 y 40 cm/s, a esta velocidad se produce la sedimentación de las arenas, que se recogen en el fondo del canal, bien de forma manual o mecánica, la velocidad rectilínea del flujo puede ser controlada mediante las dimensiones de la instalación o el uso de secciones de control provistas de vertederos especiales situados en el extremo de aguas abajo del tanque. Desarenador de tipo Aireado Consiste en un tanque de aireación con flujo espiral, en el que la velocidad es controlada por las dimensiones del tanque y la cantidad del aire suministrado al mismo. La velocidad de la rotación transversal o la agitación determina el tamaño de las partículas de peso específico dado que serán eliminadas. Si la velocidad fuese demasiado grande, la arena 17

18 será arrastrada fuera del tanque y, si fuese demasiado pequeña, habrá materia orgánica que se depositara junto con la arena. Con el debido ajuste, se obtendrá una eliminación de casi el 100% y la arena quedara bien lavada. El agua residual se desplaza a través del tanque siguiendo una trayectoria helicoidal y pasa dos o tres veces por el fondo del tanque a caudal máximo, e incluso más veces con caudales menores. El agua residual deberá introducirse en dirección transversal al tanque. La perdida de carga requerida por este tipo de tanque es mínima Tratamiento primario Objetivos del tratamiento primario El objetivo del tratamiento primario es remover a través de los procesos de sedimentación, coagulación, precipitación y flotación, contaminantes que se pueden sedimentar, como sólidos sedimentables y suspendidos y aquellos que puedan flotar, como son las grasas, aceite y espuma. Cierta cantidad de nitrógeno orgánico, fósforo orgánico, gérmenes patógenos y metales pesados asociados con sólidos son también removidos durante esta etapa de tratamiento, pero los constituyentes coloidales y disueltos no son afectados. Entre los diferentes tipos de tratamiento primarios se encuentran, trampa de grasa aireado, sistema de flotación acelerada, tanque de sedimentación primario, tanque Imhoff, etc Equipos utilizados en el tratamiento primario Trampas de grasas Consisten en un deposito dispuesto de tal manera que la materia flotante (aceite, grasa, jabón, etc.) ascienda y permanezca en la superficie del agua residual hasta que se recoja y elimine, la mayoría de los separadores de grasas son rectangulares o circulares y están provistos para un tiempo de retención de 1 a 15 minutos. La salida, que está sumergida, se halla situada en el lado opuesto a la entrada y a una cota inferior a ésta para facilitar la flotación y eliminar cualquier sólido que pueda sedimentarse. Equipo de flotación por disolución de aire (DAF) Los sistemas de flotación acelerada se utilizan cuando los sólidos en las aguas residuales sedimentan deficientemente o no llegan a hacerlo, debido a su bajo peso especifico. A algunas sustancias se les puede hacer flotar en forma natural, reduciendo la velocidad del flujo, sin embargo, otras solo flotan con la adición de compuestos químicos o burbujas de aire. La flotación por disolución de aire no es más que el impulso ascendente de sustancias no disueltas, provocadas por burbujas de aire que se adhieren a la superficie de una suspensión. Para garantizar la flotación debe contarse con una aireación adecuada y asegurarse que las burbujas de aire se adhieran a las partículas suspendidas; para ello se reduce la tensión superficial del agua mediante la adición de aglomerantes, consiguiéndose así la formación de una espuma más nítida. Algunos sistemas de flotación tienen un proceso de generación de espuma antes de flotación en sí, en este caso, se añade aire y agentes floculantes o espumantes al agua antes que pase al estanque de flotación. En la mayoría de los casos, el sistema de flotación es utilizado para tratar el agua que contiene aceites, grasa, sólidos suspendidos, fibras e incluso arenas. De esta forma se logran separar algunos residuos utilizables en la planta de subproductos, además de una reducción de la carga contaminante mediante la separación de sustancias coloidales suspendidas, reduciendo simultáneamente el valor de la DBO 5. 18

19 Tanques de sedimentación primaria [9] Tiene como finalidad sedimentar los sólidos fácilmente sedimentables y el material flotante, por tanto, reducir el contenido de sólidos suspendidos. Cuando se utilizan como único medio de tratamiento, estos tanques sirven para la eliminación de sólidos sedimentables capaces de formar depósitos de fango en las aguas receptoras y de gran parte de las materias flotantes. Si se emplea como paso previo a un tratamiento biológico, su función es reducir la carga en las unidades de tratamiento biológico. Los fangos de sedimentación primaria que estén proyectados y operados eficazmente, deberán eliminar del 50 al 65 % de los sólidos suspendidos, del 25 al 40 % de la DBO 5. Los tanques de sedimentación se diseñan actualmente basándose en la carga superficial para el caudal medio, expresada en metros cúbicos por día y por metro cuadrado del área horizontal. La elección de la carga idónea depende del tipo de suspensión a separarse. El efecto de la carga de superficie y del tiempo de retención en la eliminación de los sólidos suspendidos varía mucho según el tipo de agua residual, proporción de sólidos sedimentables, concentración de sólidos, así como otros factores. Las cargas de superficies que se utilizan en la actualidad dan como resultado tiempos nominales de retención de 2 a 2.5 horas para el caudal medio del proyecto. El volumen de fango producido en los tanques de sedimentación dependerá: de las características del agua residual sin tratar, incluyendo su edad e intensidad, del periodo de sedimentación y el grado de tratamiento que se vaya a realizar en los tanques, del estado de los sólidos sedimentados, incluyendo el peso especifico, el contenido de agua y cambios de volumen producidos bajo la influencia de los dispositivos mecánicos de eliminación del fango o de la profundidad del tanque, y del periodo de tiempo transcurrido entre las operaciones de extracción de los fangos Tratamiento secundario Objetivos del tratamiento secundario Se emplean en procesos biológicos - químicos, cuyo objetivo es eliminar la mayor parte de la materia orgánica, gérmenes, patógenos y nutrientes como nitrógeno y fósforo, a través de los procesos bioquímicos en los cuales los microorganismos son los responsables para la biodegradación. Los microorganismos pueden ser de tipo aeróbicos, anaerobios o facultativos (combinación de aeróbicos y anaerobios). Existen diferentes tipos de tratamiento secundario los cuales se distinguen en sistemas anaerobios, aerobios y facultativos, según los procesos aplicados, y que pueden ser combinados para lograr un mayor grado de remoción de contaminantes. Entre los más usados en Nicaragua se encuentran: Lodos activados, filtros percoladores, lagunas de estabilización, biofiltros, filtros anaerobios, etc Equipos utilizados en el tratamiento secundario Digestor anaerobio Existen muchos tipos de digestores anaerobios, sin embargo todos ellos comparten características invariables; consisten en depósitos cerrados herméticamente, son construidos con techo en forma de domo donde se deposita el biogás, poseen deflectores o sistemas de agitación y se construyen con purgas para la evacuación periódica de los lodos 19

20 generados en su interior. Las diferencias entre los tipos de digestores radican principalmente en la forma de alimentación, su geometría, tiempo de retención, recirculación, la utilización de lechos filtrantes, características de operación entre otros. Sobrecargas orgánicas / choques térmicos [15] Un incremento de carga orgánica o una disminución térmica, provoca una disminución en la actividad de los microorganismos implicados y, por ende, un aumento en la relación carga orgánica y actividad microbiana. Por ellos los efectos finales sobre el reactor suelen ser similares o estar en dependencia del sustrato utilizado, tipo de reactor y rango de temperatura de operación. El fenómeno más importante y temido es el de acidificación total del digestor, el cual se ha esquematizado en una serie de síntomas previos que se presentan a continuación: a) Aumento de la concentración de hidrógeno y gases trazas, como el CO, debido a la imposibilidad de los microorganismos hidrogenófilos, y en su caso los sulfatos y nitratos reductores, de metabolizar el hidrógeno reducido en exceso por los microorganismos acidogénicos. b) Acumulación de Ácidos Grasos Volátiles (AGV), principalmente ácido butírico (HnBu) y ácido propiónico (HPr) en un primer momento. Este fenómeno trae con sigo la disminución de alcalinidad de bicarbonatos, aumentando la relación de alcalinidad intermedia/ alcalinidad total (factor de alcalinidad). Se produce además una síntesis y posterior acumulación de ácidos de cadena más larga, apareciendo también compuestos ramificados. Si se trata de una sobrecarga orgánica los casos a y b van acompañados de un incremento en la producción de biogás. c) Se agota la reserva alcalina de bicarbonato, observándose por tanto un momento en la concentración de CO 2 en gas y una disminución apreciable del ph. d) Por el efecto combinado ph-concentración de AGV se inhibe la actividad de las bacterias metanogénicas acetoclastas, aumentando en mayor proporción la concentración de acetato, obteniéndose como resultado final del ciclo el cese de la metanogénesis y una disminución final del ph, momento en el que se dice que el reactor está acidificado. Las acciones a emprender están basadas en tratar de restablecer la relación carga / actividad de microorganismos, por lo que algunas de las medidas posibles serán; cargar el digestor con lodos activos adicionales (proceso conocido como doping), aumenta temporalmente la temperatura (en el caso de que no se opere en un optimo superior), disminuir la carga orgánica o caudal de alimentación o proceder a una dilución del afluente. Las diferentes actuaciones no son equivalentes, pues la segunda medida favorece un lavado del sistema sobre todo si este no dispone de un proceso de retención eficaz de la biomasa. Sobrecarga hidráulica [15] La sobrecarga hidráulica consiste en la alimentación del sistema a un caudal superior al del diseño, y está vinculado muchas veces con una sobrecarga orgánica. Los efectos que puedan observarse son similares de los antes explicados aunque, si los procesos de retención de la biomasa no funcionan adecuadamente, pueden producirse afectaciones del sistema al ser eliminadas una parte significativa de su biomasa. 20