SEGUIMIENTO DE UN PROCESO ANAEROBIO MEDIANTE ANÁLISIS DEL ÍNDICE DE ALCALINIDAD ALFA.

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Nombre del proyecto SEGUIMIENTO DE UN PROCESO ANAEROBIO MEDIANTE ANÁLISIS DEL ÍNDICE DE ALCALINIDAD ALFA. Empresa (CIDETEQ) Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de INGENIERO AMBIENTAL Presenta Ruiz Islas Stephanie Edith Asesor de la UTEQ Asesor de la Organización M. A. David Mora Villanueva Dr. Adrián Rodríguez García Santiago de Querétaro Qro, junio del 2015

RESUMEN Para que un tratamiento anaerobio a las aguas salobres sea aplicado cotidianamente, es necesario encontrar los valores óptimos de índices tampón, índice de alcalinidad (AI/AP), e índice alfa, y es lo que este proyecto tiene por objetivo. Para este proyecto se analiza el efluente de agua residual salobre, tratada mediante Reactor Anaerobio de Manto de Lodos de Flujo Ascendente (Upflow Anaerobic Sludge Blankett o UASB por sus siglas en inglés), para conocer el valor ideal del índice alfa y de esta manera verificar que el sistema de tratamiento sea eficiente para el agua salobre y obtener la mejor remoción y una buena producción de biogás. El índice alfa es una herramienta importante para verificar que las condiciones en un reactor son adecuadas y de esta manera el sistema trabaje de manera óptima, produciendo así, la mayor cantidad de biogás. Palabras clave: (Índice alfa, consorcio bacteriano, ácidos grasos volátiles). 2

SUMMARY 3

DEDICATORIAS Esta memoria está dedicada a la hermosa persona que me dio la vida, que con su esfuerzo y sacrificio supo sacarme adelante, que nunca se rindió y siempre me apoyó, mi madre Valentina Islas, a mi padre Ramiro Ruiz por ser el mejor papá, con quién compartí momentos gratos y divertidos, sé que puedo contar hoy y siempre, y que también me ha apoyado incondicionalmente sin tirar la toalla. Y por último, pero no menos importante mi hermana, mi compañera de travesuras y juegos, mi cómplice y mi mejor amiga. 4

AGRADECIMIENTOS Mediante este escrito, quiero agradecer a mi familia por ese apoyo tan incondicional, porque sin ellos no estaría aquí, y más importante me motivan a seguir avanzando. Así mismo todo mi agradecimiento a mis profesores de la carrera, a el profesor David Mora por que más que mi profesor es mi asesor en esta etapa de la carrera y desde que le conozco ha sido una persona con quién puedo confiar. Al profesor José Ramón porque siempre cuidó a mi grupo como un papá más, al profesor Julio Díaz que me enseñó a trabajar bajo mucha presión y hacer las cosas cada vez mejor, y a quién gracias a sus tareas casi aprendo plomería. A los profesores Hugo Hernández, Víctor Bazail, Adriana Chávez, Livier Cacho, Gerardo Mendoza. A Juan Camacho porque me apoyó en momentos difíciles y siempre supo cómo sacarme una sonrisa y hacerme feliz. A José Luis Rojas mi mejor amigo, con el que compartí más que risas y momentos geniales, una de las personas más lindas que conozco, aventuras y travesuras, Te quiero. A mis compañeritas lindas, Susy, Vicky, Perlis, Naty, Fer, Ana. De corazón gracias a todos. 5

ÍNDICE RESUMEN... 2 SUMMARY... 3 DEDICATORIAS... 4 AGRADECIMIENTOS... 5 ÍNDICE... 6 I. Introducción... 7 II. Antecedentes... 9 III. Justificación... 14 IV. Objetivo... 15 V. Alcance... 16 VI. Análisis de riesgos... 17 VII. Fundamentación teórica... 18 VIII. Plan de actividades... 25 IX. Recursos materiales y humanos... 26 X. Desarrollo del proyecto... 27 XI. Resultados obtenidos... 29 XII. Conclusiones y recomendaciones... 36 XIII. Bibliografía... 6

I. Introducción Los parámetros de control conocidos como índice tampón (IB), índice alfa (α), e índice de alcalinidad, son indispensables para cualquier proceso en el que se involucren bacterias anaerobias, principalmente a las metanogénicas debido a que son más sensibles a los cambios de ph. Cuando las condiciones dentro del reactor anaerobio son las adecuadas, las bacterias metanogénicas utilizan los ácidos grasos volátiles (AGV), que se han producido, para transformarlos en dióxido de carbono y metano, de esta manera si la carga orgánica es mayor a las bacterias, el proceso de degradación se vuelve lento y entonces aumenta la concentración de los AGV, la acumulación de estos compuestos es perjudicial para estos sistemas. Uno de los problemas más comunes del tratamiento anaerobio es la acumulación de AGV, que provoca una caída del ph (acidificación) en el reactor. Está acumulación ocurre por aumentos repentinos de carga orgánica, disminución de la biomasa (aumento en la relación alimento/microorganismo), tiempos de residencia bajos, entre otros. La acidificación del reactor provoca una pérdida de dinero, tiempo, material y principalmente la eficiencia del tratamiento. Los parámetros de control para el sistema de tratamiento anaerobio son necesarios, si lo que se busca es eficiencia y una alta producción de biogás a bajos costos, según el tipo de agua, se debe verificar la relación entre los AGV y la alcalinidad, para que tenga un buen desempeño del sistema de tratamiento anaerobio, la alcalinidad bicarbonática y la alcalinidad total. 7

El proyecto se desempeña en el centro de investigación y desarrollo tecnológico en electroquímica (CIDETEQ), bajo la supervisión del Dr. Adrián Rodríguez García, como parte del proyecto Optimización y acoplamiento de sistemas de tratamiento de aguas residuales salobres, como parte de la tesis del Estudiante de Doctorado en Ciencia y Tecnología con especialidad en Ingeniería Ambiental, M. H Alain Ricardo Picos Benítez. 8

PROYECTO II. Antecedentes A continuación se presentan brevemente dos casos en los que se realizan investigaciones similares a las que se desarrollan en este proyecto, aunque las condiciones no son las mismas, se toman como referencia algunos datos que son útiles para corroborar que el sistema anaerobio funciona adecuadamente. RELACIÓN ALCALINIDAD ÁCIDOS GRASOS VOLÁTILES Es un trabajo de investigación, en el que se propone la determinación de alcalinidad, como un método seguro y eficaz para el control de la acumulación de AGV en digestores anaerobios. La determinación de la capacidad buffer del sistema, la cual, puede ser utilizada para vigilar el funcionamiento de reactores UASB y la coexistencia en el mismo medio de otros compuestos orgánicos e inorgánicos, en el mismo rango de ph, pero, sin su misma efectividad en el control de la acidificación. Gráfica 1: Análisis para la regresión de datos de la valoración a ph 5.75 y ph 4.3 en sobrenadante de lodos 9

La gráfica anterior muestra un análisis para el coeficiente de ajuste de las dos variables, dando como resultado excelente correlación de un 95% en la regresión de datos, entre la alcalinidad bicarbonática verdadera del sobrenadante centrifugado de lodos anaerobios en el reactor, a ph 5.75 y 4.3. Esto representa el funcionamiento óptimo del reactor, manteniendo una capacidad buffer muy buena. Gráfica 2: Correlación entre las alcalinidades verdaderas determinadas por determinación de alcalinidad En la gráfica 2 se aprecia una correlación existente entre el análisis de la alcalinidad bicarbonática a diferentes valores de ph, que aunque no es óptima si muestra una relación entre las dos variables medidas. El eje x está dado por la alcalinidad bicarbonática verdadera a ph 4.5 y el eje Y por el ph 5.75. (Chacón, 1987) 10

EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LAGUNAS ANAEROBIAS EN EL TRATAMIENTO DE EFLUENTES INDUSTRIALES: Trabajo, en el que se evalúa una laguna anaerobia que procesa los efluentes generados en una industria de producción de levaduras. Se analiza el tipo de comportamiento hidráulico de la laguna y se plantea la utilización del índice alfa, a la salida, como parámetro de evaluación alternativo. La determinación de la concentración de AGV y alcalinidad es realizada por valoración con ácido (clorhídrico, sulfúrico, acético, bromhídrico, etc.), hasta ph 5.75 y 4.3, lo que constituye un procedimiento económico y sumamente sencillo de implementar a nivel industrial. El trabajo se ve reflejado a lo largo de ocho meses, los incrementos y decrementos se muestran en la siguiente tabla. Tabla 2: valores medios mensuales de los parámetros de control En la tabla 2 se presentan los valores promedio obtenidos durante el estudio, también se muestra que el TRH aumentó de 35 a 58 días, hubo variaciones significativas en la concentración de DQO entre los meses de junio y noviembre. 11

Gráfica 3: Parámetros de evaluación. La gráfica anterior muestra las variaciones del índice alfa (AB/AV), se concluyó que el índice alfa resultó ser un parámetro de evaluación de desempeño la laguna anaerobia, puesto que, mostró variaciones de acuerdo a la carga orgánica suministrada y según el trabajo a la temperatura. (Martinez, 2000) 12

EMPRESA CIDETEQ, es el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica, realiza actividades en investigación y el desarrollo de tecnología en electroquímica, además proporciona diversos servicios a la industria; tales como análisis de metales, análisis de aguas, caracterización de materiales y análisis de fallas. Creado el 26 de septiembre de 1991, como una sociedad civil con el propósito de ser un Centro Público de Investigación, con el reto de responder a la necesidad de vinculación entre industriales e investigadores. Desde sus inicios, el CIDETEQ ha sido líder en la investigación y el desarrollo de tecnología en electroquímica, además proporciona diversos servicios a la industria; tales como análisis de metales, análisis de aguas, caracterización de materiales y análisis de fallas. Actualmente, se especializa en desarrollar proyectos y servicios de alto valor agregado a través de sus tres áreas estratégicas: Procesos, Ambiente y Materiales. (CIDETEQ, 2015) 13

III. Justificación La digestión anaerobia es una tecnología que es muy utilizada actualmente, una de sus ventajas es la alta eficiencia y la producción de metano como producto de la degradación de los contaminantes. Estos sistemas requieren de un control estricto de sus variables para obtener buenos resultados. Los parámetros que normalmente son controlados en estos sistemas son: temperatura, nutrientes, ph (acidez y alcalinidad), AGV, TRH, carga orgánica, sólidos suspendidos volátiles (SSV), entre otros. En el presente proyecto se utiliza un sistema de tratamiento anaerobio para un agua residual salobre. Las aguas residuales salobres son difíciles de tratar mediante los procesos convencionales, debido a la inhibición de los microorganismos causada por la salinidad del agua residual. Un reactor UASB es capaz de tratar este tipo de aguas, al inocular el reactor con una biomasa proveniente de un cuerpo de agua salobre, sin embargo, es necesario conocer los parámetros de control óptimos para operar el sistema, de manera que se produzca la mayor cantidad de biogás posible y una alta eficiencia. Para conocer estos valores sería necesario analizar varios parámetros, en este caso, se propone el uso del factor alfa, para conocer el valor óptimo al cual se dan estas condiciones. Se eligió este parámetro, debido a que, es fácil de determinar, barato y confiable. 14

IV. Objetivo Encontrar los valores óptimos de índices tampón, AI/AP, e índice alfa para el monitoreo de un sistema de tratamiento anaerobio que trata agua salobre. Objetivos específicos Estudiar los valores óptimos de índice alfa en sistemas de tratamiento anaerobio convencionales. Encontrar el valor óptimo del índice alfa en un sistema de tratamiento anaerobio de agua residual salobre. 15

V. Alcance En un total de dieciséis semanas, se trabajará con un efluente de agua salobre tratado por digestión anaerobia, las primeras 12 semanas se recolectará muestra para calcular el índice alfa, para al cabo de 14 semanas estimar el valor óptimo del índice alfa en el que el reactor trabaja eficientemente y así proponer este parámetro de control para futuras investigaciones. 16

VI. Análisis de riesgos Los riesgos considerados para que el presente proyecto no se lleve a cabo son debido a la falta de material, una variable importante para lograr generar datos y concluir, es el tiempo, puesto que transcurre y el periodo propuesto para completar el proyecto se hace más pequeño, mientras que las pruebas están frenadas por la falta de material de laboratorio, equipo y reactivos. Así mismo la disponibilidad de los equipos no es buena, puesto que en un centro de investigación el equipo se usa por la mayoría del personal y los tiempos de espera son tardados, sin mencionar el hecho de que la no calibración periódica de los mismos se suma al margen de error ya existente a los análisis. 17

VII. Fundamentación teórica QUÉ SON LAS AGUAS RESIDUALES? Se entiende como agua residual aquella procedente de cualquier actividad, industrial, agrícola y doméstico, conteniendo así otras sustancias (contaminantes) ajenas a ella, esto hace que el agua tenga un cambio químico y físico en su composición. TIPOS DE AGUAS RESIDUALES Domésticas: Resultado de las actividades cotidianas en el hogar, aportando así sustancias comunes para limpieza, para la cocina, y meramente del servicio Sanitario. Agrícolas: Provenientes de la explotación agrícolas o ganaderas y también de la escorrentía que se llega a producir en los terrenos. Industriales: Procedentes de cualquier actividad o negocio en cuyas actividades se involucre el agua. (Lapeña, 1989) Dentro del ramo industrial se encuentran muchas industrias que requieren agua en sus procesos, por lo que el agua residual que cada una genera tiene características muy específicas. Industria metalúrgica: Resulta del uso de agua en contacto con metales dentro del sistema de operación. Industria Química: Contiene residuos químicos, debido a que, se utiliza agua en las acciones donde tiene contacto con sustancias químicas. (Ramalho, Beltrán, & Lora, 1990) 18

Industria Alimenticia: Éstas, se ven involucradas en procesos de producción, o limpieza de alimentos, por lo que contiene altas concentraciones de materia orgánica, proteínas, grasas, carbohidratos. Algunos ejemplos son: la elaboración de pan, cervecera, harinas de maíz, etc. Entre estas aguas, encontramos las que generan aguas residuales salobres, como la producción de harina de pescado, elaboración de conservas y el curtido de pieles. Cabe mencionar, que los tratamientos convencionales para este tipo de aguas no son eficientes, por la salinidad que contiene el agua. (Ramalho, Beltrán, & Lora, 1990) TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES Pretratamientos: Son acciones para retirar del agua residual, aquellos sólidos suspendidos que puedan interferir en los procesos posteriores. Son comúnmente utilizados los tratamientos físicos. (Delgadillo & Rosales, 2005) Primarios: Después de haber pasado por el tratamiento preliminar, aún hay sólidos suspendidos que lograron pasar a esta etapa del tratamiento, cabe destacar que los tratamientos usados como primarios son viables según la economía, la calidad que se requiera y de la etapa secundaria. Son comúnmente utilizados los tratamientos físico- químicos. (Delgadillo & Rosales, 2005) 19

Secundarios: Estos tratamientos son predominantemente biológicos (aerobios, anaerobios o combinación de ambos), ya que las bacterias degradan eficientemente la materia orgánica disuelta, cabe mencionar, que para hacer la selección del tipo de reactor a utilizar, hay que hacer una serie de evaluaciones del agua residual, como la carga orgánica, el proceso del que proviene, contaminantes inorgánicos, por ejemplo. (Delgadillo & Rosales, 2005) Las diferentes tecnologías, del tipo aerobio, que actualmente existen son: reactor biológico de lodos activados, reactor biológico secuencial, filtros aerobios, rotafiltros, lagunas aireadas. En cuanto a los sistemas anaerobios existen los filtros anaerobios, lagunas anaerobias (se utilizan solo como pretratamiento en los sistemas lagunares ya que son un proceso en el que se sedimentan algunos sólidos, mientras hay flotación de materiales y se encuentra biomasa suspendida), reactor anaerobio de mezcla completa, tanques imhoff, fosas sépticas (estos últimos dos, cada vez se utilizan menos debido a su baja eficiencia) y reactores UASB. Terciarios: Son consecutivos al tratamiento secundario, su objetivo es acondicionar el agua a su uso final, o mejorar la calidad del agua tratada, como por ejemplo adsorción, intercambio iónico, por membranas y electrodiálisis. (Delgadillo & Rosales, 2005) Como ya se mencionó, hay variedad de tratamientos, y este proyecto estudia el efecto de la sal en el tratamiento anaerobio, así como, las condiciones con las cuales se puede obtener la mayor eficiencia de remoción de contaminantes y una buena producción de biogás. 20

ETAPAS DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA Hay tres etapas en la digestión anaerobia, dentro de las cuales el agua residual es tratada, la primera etapa es la hidrólisis, en la que las moléculas orgánicas complejas se descomponen en compuestos orgánicos de cadena corta. La segunda etapa es la fermentativa es dividida en dos sub-etapas, una es la acidogénica o acidogénesis, donde los compuestos producidos en la etapa uno son degradados a moléculas de peso molecular intermedios como azúcares, aminoácidos, los AGV, alcoholes alifáticos, metilamina, amoniaco y sulfhídrico. La siguiente etapa es llamada acetogénica, en está, los ácidos y alcoholes producidos en la acidogénesis, son transformados, por la acción de las bacterias, en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono. La tercera y última etapa es la metanogénica, consiste en la producción de metano dióxido de carbono, por la acción bacteriana, y como producto secundario el dióxido de carbono a partir del ácido fórmico y ácido acético, y a su vez del dióxido de carbono, en hidrógeno y metano. (WASTE, 2013) Reactores UASB La abreviación U.A.S.B. se define como Upflow Anaerobic Sludge Blankett (Reactor Anaerobio de Manto de Lodos de Flujo Ascendente). Es una tecnología proveniente de Holanda y Bélgica, que utiliza biomasa para tratar agua residual, dentro de este hay una separación de fases del agua tratada, gas producido y el mismo consorcio bacteriano. 21

Ilustración 1: Esquema general de un reactor UASB Esquema de un reactor UASB donde se muestran 4 zonas básicas. Zona 1: Lecho de lodos. Zona 2 Zona de contacto donde el agua residual entra en contacto con los lodos activados. Zona 3: Es la parte del tratamiento donde se separan las fases sólido, líquido y gas. Zona 4: Esta última es donde se extrae el agua tratada. Los reactores anaerobios son equipos muy sensibles, las simples variaciones del efluente y la carga orgánica pueden afectar directamente a la función de los mismos, para evitar estos desequilibrios dentro del reactor, se deben controlar ciertos parámetros. (Marjiorie Márquez Vázquez, 2011). 22

Parámetros a evaluar: Son aquellos parámetros de control que se evaluarán para verificar el funcionamiento óptimo del reactor, asegurándose así la eficiencia requerida. Los parámetros de control usualmente utilizados son: Temperatura. Biogás. Carga orgánica. Alcalinidad. Alcalinidad Se entiende por alcalinidad a la capacidad del agua para neutralizar ácidos o aceptar protones. Esta representa la suma de las bases que pueden ser tituladas en una muestra de agua. Dado que la alcalinidad de aguas superficiales está determinada generalmente por el contenido de carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos, ésta se toma como un indicador de dichas especies iónicas. No obstante, algunas sales de ácidos débiles como boratos, silicatos, nitratos y fosfatos pueden también contribuir a la alcalinidad. La alcalinidad juega un papel importante dentro de la digestión anaerobia, puesto que es una variable ambiental de la cual se tiene la necesidad de controlar, debido a que esta mantiene la capacidad amortiguadora a los cambios de ph, debido a los ácidos grasos volátiles (AGV) Según (Andrea Pérez, 2008) 23

La capacidad amortiguadora de la alcalinidad debida a los ácidos grasos volátiles ocurre en la franja de ph entre 3.75 y 5.75, siendo por tanto de poca importancia en un proceso anaerobio Puede medirse con los índices de alcalinidad conocidos como índice tampón (IB), índice alfa, e índice IA/AP. (Aguilar, 2002). Índice alfa Es una relación entre la alcalinidad bicarbonática y la alcalinidad total, se recomiendan valores de 0.5 a 0.7 durante el arranque del reactor, fuera de estos límites el sistema no funciona como debe, por lo que se tienen que monitorear los parámetros de control como: temperatura, carga orgánica y el ph. (Andrea Pérez, 2008) Relación del índice alfa con otros parámetros (temperatura, producción de biogás, acidez (ph). El índice alfa es un indicador común de que el reactor opera en condiciones adecuadas, éste es una herramienta que refleja su comportamiento mediante la relación entre los diferentes parámetros, por ejemplo, la temperatura con la producción de biogás, según (Tchobanoglous et al., 1991) se menciona que entre menos temperatura menos cantidad de bicarbonato de sodio se necesita para mantener un ph de 7.0 y cierta concentración de CO 2 en la fase gaseosa. 24

VIII. Plan de actividades PROYECTO: "Seguimiento de un proceso anaerobio mediante análisis del índice de alcalinidad α ALUMNA: Stephanie Edith Ruiz Islas Actividad semanal 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Revisión bibliográfica Montaje del equipo Recolección de muestras Estudio de parámetros de control Determinación de índices de alcalinidad. Análisis de los datos obtenidos Interpretación de resultados Escritura de reporte ASESOR: Dr. Adrián Rodríguez García. 25

MATERIALES: IX. Recursos materiales y humanos Vasos de precipitados 50 y 100 ml Matraz kitazato 100 ml Probeta 50 ml Bureta Pizeta Termómetro Papel parafilm Soporte Universal Pinzas mariposa Frascos de vidrio 1000 ml Bitácora Guantes de látex REACTIVOS: Solución de Ácido Clorhídrico 0.1N. Soluciones Buffer EQUIPOS ph metro portátil; marca: Lutron modelo YK-21PH Balanza Analítica; Marca: Acculab Campana de extracción; marca: Becomer de méxico HUMANOS Asesor UTEQ M. en C. David Mora Villanueva Asesor CIDETEQ Dr. Adrián Rodríguez García Colega de Investigación M. H. Alain Ricardo Picos Benítez Colega de Investigación José Luis Rojas Bautista 26

X. Desarrollo del proyecto Este proyecto está basado en la determinación de índice alfa para aguas salobres, por lo que la principal actividad, es investigar sobre el tema y trabajos afines para tener noción de lo que se está haciendo, plantear objetivos y metas. RECOLECCIÓN DE MUESTRAS Las muestras fueron recolectadas a la salida del reactor UASB (TRH 24h) en un frasco de boca ancha de vidrio de 1L. Para el análisis de la muestra se necesitó solo 50ml de muestra, colectada del frasco de boca ancha. MONTAJE DE EQUIPO Una vez tomadas las 24 muestras, se dispuso a montar el equipo para calcular el índice alfa. El montaje del equipo se hizo con un soporte universal, pinzas para bureta, se utilizaron vasos de precipitado para colocar las muestras. La calibración del potenciómetro (ph meter) se hizo con las soluciones buffer de ph 4, 7 y 10. 27

Ilustración 2: Equipo de trabajo Se colocaron 50 ml de cada una de las muestras en matraces Erlenmeyer de 100 ml para su valoración con ácido clorhídrico 0.1N, a ph 5.75 y 4.3 respectivamente para calcular los índices de alcalinidad, índice tampón (IB), índice de alcalinidad, e índice alfa. Se titulan las muestras con el HCl hasta un ph de 5.75, se registró el volumen gastado y se continuó con la determinación de alcalinidad hasta un ph 4.3, se registró el segundo volumen. Con los valores obtenidos se calcularon los índices buscados. Con los datos obtenidos se hizo una comparación, de los índices, con respecto a los valores de eficiencia de remoción y biogás, para conocer los valores óptimos de estos índices y conocer las condiciones ideales, para tratar eficientemente este tipo de aguas residuales, utilizándolos como referencia en futuros tratamientos. 28

Índices Fórmulas Tampón (IB) Alcalinidad AI/AP Alfa IB = V 2 V 1 + V 2 AI AP = V 2 V 1 α = V 1 V 2 + V 2 Tabla 3: Fórmulas de alcalinidad XI. Resultados obtenidos La hoja de cálculo que se muestra a continuación, es la comparación entre los parámetros de control monitoreados y el índice alfa calculado, partiendo de esto se graficó: la salinidad, eficiencia, producción de biogás y la variación de la temperatura a la entrada del reactor, esto para identificar las condiciones ideales de operación del reactor. 29

Experimentos ph Índice alfa Remoción (%) Metano (LCH 4 /g DQOrem.) Bicarbonato (g) Temperatura ( C) Salinidad ( ) 1 8.80 0.83 82.72 0.0244 33.12 20.4 11.4 2 8.10 0.84 80.58 0.0280 40.14 16.6 12.2 3 8.60 0.79 88.18 0.0684 40.57 17 18.1 4 7.30 0.66 95.19 0.0075 40.25 18 15.1 5 7.40 0.60 73.75 0.0040 34.00 32 12.3 6 7.50 0.62 77.75 0.0124 34.00 30 11.9 7 7.20 0.55 83.97 0.0022 26.00 32 19.9 8 6.90 0.41 72.03 0.0237 28.00 27 13.1 9 6.90 0.40 61.70 0.0226 28.00 23 11.3 10 7.40 0.61 72.90 0.0067 30.00 24 9.5 11 7.40 0.61 67.10 0.0094 29.00 27 11.7 12 7.50 0.68 78.90 0.0109 23.00 28 11.5 13 8.60 0.68 76.22 0.0180 24.00 27 13.2 14 7.20 0.55 74.50 0.0254 25.00 27 11.0 15 7.30 0.61 89.01 0.0323 26.00 28 14.1 16 7.60 0.64 85.84 0.0317 19.10 27 11.5 17 7.60 0.63 77.74 0.0257 18.00 21 14.2 18 7.40 0.60 83.75 0.0081 18.00 22 19.4 19 6.90 0.46 84.68 0.0209 9.00 22 17.4 20 6.80 0.35 84.84 0.0021 4.00 22 15.7 21 6.30 0.19 86.23 0.0097 4.00 32 15.7 22 5.20 0.00 71.92 0.0044 4.00 32 15.7 23 6.40 0.15 41.38 0.0250 6.00 26 10.6 24 7.20 0.279 74.25 0.0055 6.00 28 13.0 Tabla 4: Registro y comparación de parámetros de control 30

Metano índice alfa A continuación, se muestran las gráficas elaboradas con el fin de identificar las condiciones en las que la digestión anaerobia es eficiente para el tratamiento del agua salobre. Comparación entre índice alfa vs producción de metano. 0.08 0.9 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425 0 Metano Experimentos alfa Gráfica 4: comparación gráfica de producción de metano e índice alfa Para analizar la gráfica, se elegirán los puntos que mantengan las mejores producciones de metano, así mismo, que los experimentos seleccionados muestren en las gráficas condiciones óptimas de operación. Los mejores valores encontrados se muestran en los experimentos 15 al 17. 31

Temperatura índice alfa Eficiencia Índice alfa Comparación de eficiencia vs índice alfa 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516171819202122232425 Experimentos 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Eficiencia alfa Gráfica 5: comparación de la eficiencia del reactor vs el índice alfa La gráfica 5, muestra una menor relación entre la eficiencia y el índice alfa, esto para conocer de manera gráfica la relación que existe entre el índice alfa y eficiencia, viendo así que mientras el índice alfa mantiene valores entre 0.55 y 0.65 la eficiencia se ve optimizada, pero si este desciende o aumenta, la eficiencia cae. Comparación temperatura vs factor alfa 35 0.9 30 25 0.8 0.7 0.6 20 0.5 15 0.4 10 5 0.3 0.2 0.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 0 T C in Experimentos alfa Gráfica 6: Comparación de la temperatura contra el índice alfa 32

Salinidad índice alfa El gráfico 6 muestra que cuando la temperatura oscila entre los 22 y 27 C, el índice alfa mantiene cierta estabilidad, por lo que, dentro de este rango de temperatura, se siguen considerando los experimentos 15 al 17, sin embargo, el experimento 16 hace notar que aunque la temperatura aumente hasta los 27 C el índice alfa se mantiene, esto se da por la cantidad de bicarbonato de sodio adicionado al reactor, es decir, muestra que entre menos bicarbonato de sodio mejores condiciones de operación. Comparación Salinidad vs factor alfa 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Experimentos 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 S in alfa Tabla 7: Comparación entre la salinidad y el índice alfa Esta última comparación entre el índice alfa y la salinidad es para hacer notar que la variación en la concentración salina afecta levemente al índice alfa, puesto que se observa que, del punto 4 al 6, y del 11 al 17 se mantiene en un rango de estabilidad, el índice alfa se comporta con cierta tendencia a dicha estabilidad, pero cuando la concentración de la salinidad aumenta o disminuye de tal rango los cambios de ven reflejados en el índice alfa. 33

Cabe mencionar, que para asegurarse de elegir bien el valor del índice alfa a proponer, para aguas residuales salobres, se debe considerar el bicarbonato de sodio añadido, a continuación, se muestra una tabla con los valores de producción de metano, eficiencia, índice alfa, y bicarbonato de sodio añadido, se resalta la importancia económica al agregar reactivos, por lo que la cantidad mínima con una buena eficiencia y una alta producción de biogás es el valor ideal. Exp. Bicarbonato (g) Índice alfa Metano LCH 4 /gdqo removido. Eficiencia (%) Temp. C 1 33.12 0.83 0.0244 82.70 20.4 2 40.14 0.84 0.0280 80.60 16.6 3 40.57 0.79 0.0684 88.20 17.0 4 40.25 0.66 0.0075 95.20 18.0 5 33.12 0.60 0.0040 73.80 32.0 6 34.00 0.62 0.0124 77.70 30.0 7 26.00 0.55 0.0022 83.90 32.0 8 28.00 0.41 0.0237 72.00 27.0 9 28.00 0.40 0.0226 61.70 23.0 10 30.00 0.61 0.0067 72.90 24.0 11 29.00 0.61 0.0094 67.10 27.0 12 23.00 0.68 0.0109 78.90 28.0 13 24.00 0.68 0.0180 76.20 27.0 14 25.00 0.55 0.0254 74.50 27.0 15 26.00 0.61 0.0323 89.00 28.0 16 19.10 0.64 0.0317 85.80 27.0 17 18.00 0.64 0.0257 77.70 21.0 18 18.00 0.60 0.0081 83.70 22.0 19 9.00 0.46 0.0209 84.70 22.0 20 4.00 0.35 0.0021 84.80 22.0 21 4.00 0.19 0.0097 86.20 32.0 22 4.00 0.00 0.0044 71.90 32.0 23 6.00 0.15 0.0250 41.40 26.0 24 6.00 0.27 0.0055 74.30 28.0 Tabla 8: comparación bicarbonato de sodio, producción de metano índice alfa 34

En la tabla 8 los tres experimentos 15-17 se pueden comparar, con referencia a las cantidades agregadas de bicarbonato de sodio, puesto que además de querer encontrar las condiciones adecuadas, se quiere tener el mínimo uso de reactivos, ya que el estudio, por ahora, se realiza a nivel laboratorio, esto se reflejará económicamente cuando el proyecto se maneje a gran escala. Los valores considerados, son los obtenidos en los experimentos 15 a 17 donde se obtuvo los mejores resultados, y en los cuales, hay buena producción de metano, a una temperatura ambiente, sin embargo, el experimento que se considera más viable y sobresaliente es el experimento 16, en referencia a las cantidades adicionadas de bicarbonato de sodio, éste utiliza poco, a una temperatura ambiente, además tiene una de las mejores eficiencias obtenidas en la experimentación y una de producción de biogás alta, comparada con el resto de los experimentos. 35

XII. Conclusiones y recomendaciones El objetivo se ha cumplido, puesto que se llegó a encontrar un valor del índice alfa para tratamiento de aguas residuales salobres que de acuerdo a lo que se quiere, encaja bien, se mantiene a una temperatura menor a 30 C, utiliza poco bicarbonato de sodio, que era uno de los requerimientos desde un punto de vista económico. Después de estudiar cual es el valor del índice alfa con mejores resultados, para ser utilizado como indicador de que el sistema de tratamiento anaerobio para aguas salobres funciona adecuadamente, aunque el tiempo fue corto para esta experimentación, se recomienda a las futuras investigaciones, ajustar los parámetros de control para intentar replicar este, ya que se propone el valor de índice alfa oscila entre 0.55-0.65 y se verifique que es el ideal para este tipo de aguas. En el rango ya mencionado se encuentran eficiencias por encima del 75%, las temperaturas sometidas en este intervalo se encuentran dentro del rango mesofílico (20-34 C), por lo que las bacterias se ven beneficiadas, pero se puede ver en la tabla 4 que entre menos temperatura, menos cantidad de bicarbonato añadida, aunque la concentración salina incremente. 36

Entre las producciones de metano obtenidas, se encuentran dos de las mejores, que son de 0.030 LCH 4 /g DQO removido, incluso de los experimentos con esta producción de metano muestran una relación con la concentración salina, que al verse incrementada hace que la producción de metano se vea inhibida. 37

XIII. Bibliografía Aguilar, M. I. (2002). Tratamiento físico-químico de aguas residuales: coagulación-floculación. EDITUM. Álvaro Andrés Cajigas Ceron, A. P. (27 de Abril de 2005). Importancia del ph y la alcalinidad en el tratamiento anaerobio de las aguas residuales del proceso de extracción de almidón de yuca. Andrea Pérez, P. T. (06 de Noviembre de 2008). Biblioteca Virtual. Recuperado el 20 de Abril de 2015, de universidad del valle: http://bibliotecadigital.univalle.edu.co/bitstream/10893/1636/1/vol.10%20no.2%20art.3.pdf Chacón, O. R. (1987). Relación alcaliniad-ácidos grasos volátiles. La alcalinidad como parámetro de control de AGV en digestores anaerobios. (U. d. valle, Ed.) Colombia. CIDETEQ. (09 de Abril de 2015). Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica. Recuperado el 27 de Abril de 2015, de CIDETEQ: http://www.cideteq.mx/es/antecedentes.html Delgadillo, S. A. M., & Rosales, M. G. R. (2005). Tratamiento de aguas residuales con MATLAB. Reverte. Deublein, D., & Steinhauser, A. (2011). Biogas from Waste and Renewable Resources: An Introduction. John Wiley & Sons. Farràs, R. P. i, & Giménez, A. J. (1997). Bioquímica de los microorganismos. Reverte. Lapeña, M. R. (1989). Tratamiento de aguas industriales: aguas de proceso y residuales. Marcombo. Lorenzo Acosta, Yaniris; Obaya Abreu, Ma Cristina. (2005). La digestión anaerobia. Aspectos teóricos. Parte I. ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar, XXXIXSin mes, 35-48. Martín-González, X. F. (2013). Alkalinity ratios to identify process imbalances in anaerobic digesters treating source-sorted organic fraction of municipal wastes. Biochemical Engineering Journal, 5/76.

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