UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Nombre del proyecto: ESTUDIO TECNICO COMPARATIVO DEL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL POR TRATAMIENTO BIOLOGICO AEROBIO VS ANAEROBIO VS FACULTATIVO Empresa: UTEQ Memoria que como parte de los requisitos para obtener el titulo de Ingeniero Ambiental Presenta Zoranly Korina Hernández Leyva Asesor de la empresa Asesor UTEQ M. en C Amb. Rosalinda Camacho Olguín M. en C Amb. Rosalinda Camacho Olguín Santiago de Querétaro, Junio 2012

RESUMEN El término agua residual define un tipo de agua que está contaminada con sustancias fecales y orina, ya sean procedentes de desechos orgánicos humanos o animales. Su importancia es tal que requiere sistemas de canalización, tratamiento y desalojo. El tratamiento nulo o indebido genera graves problemas de contaminación. Encontrar la mejor alternativa para llevar a cabo el tratamiento de aguas residuales y comparar los procesos de tratamiento biológico: aerobio, anaerobio y facultativo, tanto en proceso, efectividad y costos, es el objetivo del presente trabajo. La revisión bibliográfica en distintas fuentes de los procesos, antes mencionados en cuanto a tratamiento de agua, el análisis de los costos de cada proceso y la eficiencia de remoción de nutrientes son los puntos de enfoque para la investigación. Trabajar una planta de tratamiento de agua residual que tenga en su operación procesos integrados (aerobia-anaerobia) con microorganismos facultativos, son los procesos que presentan una mejor remoción de materia orgánica y nutrientes presentes en el agua residual. (Palabras clave: anaerobio, aerobio, facultativo, PTAR)

ABSTRACT The water having been already used, is a residue which is identified as waste water, waste water, the term defines a kind of water that is contaminated with faecal and urine substances, organic wastes from humans or animals. Its importance is such that requires piping systems, treatment and evacuation. Its zero or improper treatment causes serious pollution problems in the treatment of wastewater find the best alternative to carry out the treatment of wastewater and to compare biological treatment processes: aerobic, anaerobic and facultative is the purpose of work to be presented. The literature review on different sources of the processes, aerobic, anaerobic and facultative regarding water treatment concerns and the cost analysis of each process and the efficiency of nutrient removal are the main points to be treated. Working plant wastewater treatment in its operation have integrated processes (aerobic-anaerobic) in facultative microorganisms, are the processes that have a better removal of organic matter and nutrients in the wastewater.

DEDICATORIA Quiero dedicar este trabajo de investigación a todas aquellas personas que como yo, no sabían que estudiar y que terminaron estudiando ambiental. Esto es sin duda un paso importante que todos damos, pues pensando que no obtendremos nada, somos nosotros los que podremos mejorar el futuro.

AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer de forma especial a: M. en C. Amb. Rosalinda Camacho Olguín por su ayuda y asesoría técnica en esta investigación. Mi hijo David Tadeo quien se durmió mientras trabajaba en la investigación y lejos de ser un obstáculo, fue un impulso. A mis papás por haberme convencido de entrar a ingeniería y por su apoyo en estos 2 años. A mis hermanos por prestarme sus computadoras e internet móvil cuando era necesario. A mi esposo por su apoyo durante las revisiones del documento. A todos mis maestros, por haber compartido sus conocimientos y recordarme que siempre habrá cosas que aprender.

I N D I C E RESUMEN... ABSTRACT... DEDICATORIA... AGRADECIMIENTOS... INDICE... I. INTRODUCCIÓN... 1 II. ANTECEDENTES... 3 III. JUSTIFICACIÓN... 5 IV.OBJETIVOS... 7 V. ALCANCES... 7 VI. JUSTIFICACIÓN TEÓRICA... 8 VI.1.1 tratamiento aeróbico... 10 VI.1.2 Tratamiento anaerobio... 11 VI.1.3 Tratamiento Facultativo... 13 VI.2 Reactores Biológicos... 13 VI.2.1 Reactores Biológicos Aerobios... 13 VI.2.1.1 Parámetros de Control.... 15 VI.2.1.2 Nutrientes... 16 VI.2.1.3 Aspectos generales del proceso... 17 VI.2.1.4 Variaciones al Proceso... 18 VI.2.1.4.1 Estabilización por contacto... 19 VI.2.1.4.2 Aireación decreciente.... 20 VI.2.1.4.3 Aireación por etapas o aireación por pasos (Step aereation).... 20 VI.2.1.4.4 Aireación extendida.... 21 VI.2.1.4.5 Mezcla completa.... 21 VI.2.1.4.6 Sistema de oxígeno puro.... 22 VI.2.1.5 Reacciones Metabólicas... 23 VI.2.2 Reactores Biológicos Anaerobios... 23 VI.2.2.1 Opciones de Tratamiento Anaerobio... 25 VI.2.2.1.1 Reactores De Primera Generación.... 25 VI.2.2.1.2 Reactores De Segunda Generación.... 25 VI.2.2.1.3 Reactores De Tercera Generación.... 26 VI.2.2.1.4 Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (UASB).... 26 VI.2.2.1.5 EGSB.... 27 VI.2.2.1.6 Filtro Anaerobio.... 27 VI.2.2.1.7 Reactor Anaerobio de Contacto.... 27 VI.2.2.2 Reacción General.... 28 VI.2.2.3 Condiciones de operación... 28 VI.2.3 Tratamiento facultativo... 31 VI.2.3.1 Reacción de fotosíntesis... 32 VI.2.3.2 Señales del Buen Funcionamiento de los reactores Facultativos... 38 VI.2.3.3 Problemas del Funcionamiento en Reactores Facultativos... 38

VI.2.3.4 Parámetros De Control... 38 VI.2.3.4.2 Decantabilidad de los Lodos en el Clarificador... 39 VI.2.3.4.3 Tiempo de Permanencia del Lodo Activo en el Decantador Secundario... 39 VI.2.3.4.4 Concentración de Oxígeno Disuelto en el Reactor de Aireación... 39 VI.2.3.4.5 Caudal de Recirculación... 40 VI.2.3.4.6 Extracción de Lodos en exceso... 40 VI.2.3.4.6.1 Características de las Aguas Residuales Brutas... 40 VI.2.3.4.6.2 Calidad Exigida al Efluente... 41 VI.2.3.5 Parámetros Operacionales... 41 VI.2.3.5.1 Carga Másica.... 41 VI.2.3.5.2 Edad del Lodo:... 41 VI.2.3.5.3 Carga Volumétrica... 41 VI.2.3.5.4 Rendimiento en la Depuración... 42 VII.PLAN DE ACTIVIDADES... 43 VIII. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS... 44 IX. DESARROLLO DEL PROYECTO... 44 X. RESULTADOS OBTENIDOS... 45 X.1 Criterios Económicos... 46 X.1.1 Costos de la inversión... 46 X.1.2 Costos de Operación, Mantenimiento y Periodo de Vida útil.... 47 XI. ANÁLISIS DE RIESGO... 48 XII. CONCLUSIONES... 51 XIII. RECOMENDACIONES... 51 XIV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 53!!

INDICE DE FIGURAS Figura 1. Reacción de Asimilación de materia orgánica... 4 Figura 2. Reacciones metabólicas... 23 Figura 3. Reacción anaerobia... 29 Figura 4. Reacción general de biomasa... 30 Figura 5. Diagrama de laguna facultativa... 31 Figura 6. Ecuación balanceada de fotosíntesis... 32 Figura 7. Cargas superficiales límites para reactores facultativos... 34 Figura 8. De donde viene el oxigeno... 36 Figura 9. Tabla de costos... 47

I. INTRODUCCIÓN Las aguas residuales son materiales derivados de residuos domésticos o de procesos industriales, los cuales por razones de salud pública y por consideraciones de recreación económica y estética y debido a la normatividad mexicana, no pueden desecharse vertiéndolas sin tratamiento en lagos o corrientes convencionales. Los materiales inorgánicos como la arcilla, sedimentos y otros residuos se pueden eliminar por métodos mecánicos y químicos; sin embrago, si el material que debe ser eliminado es de naturaleza orgánica, el tratamiento implica usualmente actividades de microorganismos que oxidan y convierten la materia orgánica en CO 2, es por esto que los tratamientos de las aguas de desecho son procesos en los cuales los microorganismos juegan papeles cruciales. Cuando las aguas residuales entran en una Estación Depuradora, sufren un pretratamiento en el que se retiran los sólidos y gruesos de gran tamaño, así como las arenas y grasas. A continuación, el agua pasa al denominado tratamiento primario, donde se eliminan sólidos en suspensión fácilmente sedimentables y algo de materia orgánica. El tratamiento de las aguas residuales da como resultado la eliminación de microorganismos patógenos, evitando así que estos microorganismos lleguen a ríos o a otras fuentes de abastecimiento de agua. La materia orgánica que queda disuelta y en suspensión así como el resto de las partículas sólidas que no se han 1

eliminado en los tratamientos anteriores, son eliminadas mediante los denominados Procesos Biológicos de Depuración, que en la línea de aguas constituyen los tratamientos secundarios. Específicamente el tratamiento biológico de las aguas residuales es considerado un tratamiento secundario ya que este está ligado íntimamente a dos procesos microbiológicos, los cuales pueden ser aerobios y anaerobios. 2

II. ANTECEDENTES El objetivo del tratamiento biológico de aguas residuales es reducir el contenido en materia orgánica, en nutrientes y eliminar los patógenos y parásitos existentes. El tratamiento biológico aerobio es un tratamiento de fácil manejo; las sustancias orgánicas biodegradables disueltas (sustrato) en agua residual suministran una fuente de alimento a los microorganismos. De este modo el agua residual se depura biológicamente. La degradación biológica del sustrato tiene lugar en un tanque de aireación; la aireación del agua residual suministra oxigeno a los microorganismos aerobios. El sistema de lodos activados consiste en desarrollar un cultivo bacteriano disperso en forma de flóculos (lodos activados) en un depósito agitado y aireado, y alimentado con el agua a depurar. Después de un tiempo de contacto suficiente, el licor de mezcla se envía a un clarificador (decantador secundario) destinado a separar el agua depurada de los fangos, un porcentaje de estos últimos se recirculan para mantener en el reactor una concentración de biomasa activa elevada. La asimilación de materia orgánica ocurre de acuerdo con la siguiente reacción: 3

Figura 1. Reacción de Asimilación de materia orgánica (Yañez,1992) Los tratamientos aerobios se pueden clasificar en tratamientos con biomasa suspendida y tratamientos con biomasa fija. Entre los primeros, los más importantes son los lodos activados y las lagunas aireadas, y con biomasa fija se cuentan los llamados filtros percoladores. El tratamiento biológico anaerobio también se usa para la remoción de materia orgánica de las aguas residuales, éste, se caracteriza por la producción del denominado biogás, formado fundamentalmente por metano (60-80%)y dióxido de carbono (40-20%) y susceptible de ser utilizado como combustible para la generación de energía térmica y/o eléctrica. Además, solo una pequeña parte de la DQO tratada (5-10%) se utiliza para formar nuevas bacterias, Sin embargo, la lentitud del proceso anaerobio obliga a trabajar con altos tiempos de residencia, por lo que es necesario diseñar reactores o digestores con una alta concentración de microorganismos (CNA, 1994). Los organismos anaerobios facultativos pueden elegir entre la fermentación y diversos receptores terminales de electrones éstas pueden usar, en ausencia de oxígeno, otros compuestos inorgánicos como aceptores finales 4

de electrones, por ejemplo: nitrato, fumarato, sulfato etc dependiendo de las condiciones ambientales en las cuales se encuentren,. son bacterias que pueden adaptarse para crecer y metabolizar tanto en presencia como en ausencia de oxígeno.usan la fermentación como única vía de producción de energía y esta es bloqueada en presencia de oxígeno, asegurando que el suministro de energía se produzca por respiración, que consume menos glucosa y acumula menos lactato. Las proteobacterias (Proteobacteria) son uno de los principales grupos de bacterias. Incluyen una gran variedad de patógenos, tales como Escherichia, Salmonella, Vibrio, Helicobacter, Neisseria gonorrhoeae y muchos otros. Otras son de vida libre, e incluyen muchas de las bacterias responsables de la fijación del nitrógeno, su morfología es muy variable. La nutrición es usualmente heterótrofa. III. JUSTIFICACIÓN El tratamiento de las aguas residuales municipales y en algunos casos llevan altos contenidos de nutrientes, los cuales no pueden ser removidos por el tratamiento convencional de lodos activados, por lo que resulta necesario implementar una combinación de tratamiento aerobio-anaerobio que nos permita disminuir los nutrientes para que el agua tratada cumpla con la normativa vigente en materia de agua. Sabemos que la degradación anaerobia de la materia orgánica requiere la intervención de diversos grupos de bacterias facultativas y anaerobias 5

estrictas, las cuales utilizan en forma secuencial los productos metabólicos generados por cada grupo. La digestión anaerobia de la materia orgánica involucra tres grandes grupos tróficos y cuatro pasos de transformación: 1. Hidrólisis Grupo I: bacterias hidroliticas 2. Bacterias fermentativas Grupo I: bacterias fermentativas 3. Acetogénesis Grupo II: bacterias acetogénicas 4. Metanogénesis Grupo III: bacterias metanogénicas El proceso inicia con hidrólisis de polisacáridos, proteínas y lípidos por la acción de enzimas producidas por las bacterias del Grupo I. Los productos de esta son fermentados a ácidos grasos con bajo número de carbonos, los productos de fermentación son convertidos a acetato, hidrógeno y dióxido de carbono por la acción de las bacterias del Grupo II, las cuales son conocidas como bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno. 6

Finalmente las bacterias metanogénicas convierten el acetato a metano y CO2, o reducen el CO2 a metano. Estas transformaciones involucran dos grupos metanogénicos que son los encargados de llevar a cabo las transformaciones mencionadas anteriormente. IV.OBJETIVOS Comparar los procesos de tratamiento biológico para aguas residuales: aerobio, anaerobio y facultativo. residuales. Encontrar la mejor alternativa para llevar a cabo el tratamiento de aguas V. ALCANCES Este proyecto, se basa principalmente hacer una investigación acerca de los procesos biológicos para el tratamiento de agua residual y por medio de ella determinar cuál es el mejor sistema para hacerlo. La digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica, como no hay presencia de un oxidante en el proceso, la capacidad de transferencia de electrones de la materia orgánica permanece intacta en el metano producido. En vista de que no hay oxidación, se tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de 7

la materia orgánica digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es convertida en lodo (3 a 10%). En las reacciones bioquímicas que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía libre es liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química en el metano producido. Por otro lado en la digestión anaerobia se llevan a cabo procesos catabólicos oxidativos. Como el catabolismo oxidativo requiere la presencia de un oxidante de la materia orgánica y normalmente este no está presente en las aguas residuales, él requiere ser introducido artificialmente. La forma más conveniente de introducir un oxidante es por la disolución del oxígeno de la atmósfera, utilizando la aireación mecánica, lo que implica altos costos operacionales del sistema de tratamiento. Adicionalmente la mayor parte de la DQO de la materia orgánica es convertida en lodo, que cuenta con un alto contenido de material vivo que debe ser estabilizado. VI. JUSTIFICACIÓN TEÓRICA El término agua residual define un tipo de agua que está contaminada con sustancias fecales y orina, procedentes de desechos orgánicos humanos o animales. Su importancia es tal que requiere sistemas de canalización, tratamiento y desalojo. Su tratamiento nulo o indebido genera graves problemas de contaminación. 8

Comúnmente las aguas residuales suelen clasificarse como: Aguas Residuales Municipales. Residuos líquidos transportados por el alcantarillado de una ciudad o población y tratados en una planta de tratamiento municipal. Aguas Residuales Industriales. Las Aguas Residuales provenientes de las descargas de Industrias de Manufactura. Otra forma de denominar a las Aguas Residuales es en base al contenido de contaminantes que esta porta, así se conocen como: Aguas negras a las Aguas Residuales provenientes de inodoros, es decir, aquellas que transportan excrementos humanos y orina, ricas en sólidos suspendidos, nitrógeno y coliformes fecales. Aguas grises a las Aguas Residuales provenientes de tinas, duchas, lavamanos y lavadoras, que aportan sólidos suspendidos, fosfatos, grasas y coliformes fecales, esto es, aguas residuales domésticas. Aguas negras industriales o la mezcla de las aguas negras de una industria en combinación con las aguas residuales de sus descargas. Los contaminantes provenientes de la descarga están en función del proceso industrial, y tienen la mayoría de ellos efectos nocivos a la salud si no existe un control de la descarga. 9

Las Aguas Residuales son conducidas a una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) donde se realiza la remoción de los contaminantes, a través de métodos biológicos o fisicoquímicos. La salida (efluente) del sistema de tratamiento es conocida como Aguas Residuales tratadas. VI.1 Tratamiento de las aguas residuales El tratamiento de las aguas residuales consiste en una serie de procesos, que tienen como fin eliminar los contaminantes físicos, químicos y biológicos presentes en el agua efluente del uso humano. El objetivo del tratamiento es producir agua limpia (o efluente tratado) o reutilizable en el ambiente y un residuo sólido o fango (también llamado biosólido o lodo) convenientes para su disposición o reuso. VI.1.1 tratamiento aeróbico En el tratamiento aeróbico de las aguas residuales, se incrementa fuertemente el aporte de oxigeno por riego de superficies sólidas, por agitación o agitación y aireación sumergida simultaneas. El crecimiento de los microorganismos y su actividad degradativa crecen proporcionalmente a la tasa de aireación. Las sustancias orgánicas e inorgánicas acompañantes productoras de enturbiamiento son el punto de partida para el desarrollo de colonias mixtas de bacterias y hongos de las aguas residuales, los flóculos que, con una intensidad de agitación decreciente, pueden alcanzar un diámetro de 10

unos mm dividiéndose o hundiéndose después. La formación de flóculos se ve posibilitada por sustancias mucilaginosas extracelulares y también por las microfibrillas de la pared bacteriana que unen las bacterias unas con otras. El 40 50% de las sustancias orgánicas disueltas se incorporan a la biomasa bacteriana y el 50 60% de las mismas se degrada. La acción degradativa o depuradora de los microorganismos en un proceso se mide por el porcentaje de disminución de la DBO en las aguas residuales tratadas. Dicha disminución depende de la capacidad de aireación del proceso, del tipo de residuos y de la carga de contaminantes de las aguas residuales y se expresa así mismo en unidades de DBO. VI.1.2 Tratamiento anaerobio El tratamiento de aguas anaerobio se utiliza principalmente en el tratamiento de agua industriales y domésticas con altas cargas de DBO. Este tratamiento no requiere oxígeno y su producción de lodos es de 3-20 veces menos lodos que tratamiento aerobio (20-150 vs. 400-600 kg biomasa/m3).a pesar de que este tratamiento Es más lento que tratamiento aerobio (requiere > tiempos de contacto o sea > tiempos de retención hidráulica), es más sensitivo a choques tóxicos y requiere mayor tiempo de aclimatación, produce una cantidad de metano suficiente para ser utilizada por algún dispositivo extra y cuentan con la reducción de energía necesaria. Perseveran actividad aun después de días sin alimento si es que el sistema no ha sido operado en días, 11

por lo que es útil en periodos vacacionales. Cuentan con una buena remoción de hidrocarburos clorinados, co-metabolismo, etc. Este proceso requiere de interacciones en sinergia entre cuatro grupos Microbianos: I. Bacterias hidroliticas II. Bacterias fermentadoras III. Bacterias acetogénicas IV. Bacterias metanogénicas Como en todos los tratamientos de aguas, igual se rige bajo varios parámetros para controlar la operación anaerobia: 1. Temperatura 2. HRT (tiempo de retención hidráulico) 3. ph (alcalinidad) 4. Composición del desperdicio 5. Competencia con bacterias sulfidogénicas (bacterias respiradoras de azufre). 12

6. Tóxicos (oxígeno, amoniaco, solventes clorinados, benceno, formaldehido, ácidos volátiles, )etc. VI.1.3 Tratamiento Facultativo En cuanto al tratamiento facultativo Son estanques de tratamiento de aguas residuales donde el proceso se realiza mediante una combinación de bacterias aerobias, anaerobias y facultativas. Un reactor facultativo es profundo. El agua residual a tratar se introduce por la parte inferior del tanque a cierta altura para evitar la agitación de los lodos sedimentados y el efluente se recoge por la parte superior. Podemos considerar que el tanque está dividido por tres regiones: la región inferior donde se trabaja con bacterias anaerobias, la región media en la que se encuentran las bacterias facultativas y la región superior que es donde tenemos las bacterias aerobias. El oxigeno para las bacterias aerobias se obtiene por algas o por aireadores de superficie. VI.2 Reactores Biológicos VI.2.1 Reactores Biológicos Aerobios La selección del tipo de reactor así como su tamaño vendrá dada en cada caso particular en función del tipo de agua, caudal, lugar en el que se vierte, espacio disponible, etc. Por este motivo no existe un estándar de este tipo de plantas. El objetivo de estos equipos es, principalmente, la eliminación de DQO, 13

DBO y sólidos en suspensión de distintos efluentes. Su funcionamiento se basa en la oxigenación, mediante difusores de aire en las aguas a tratar en un reactor de dimensiones adecuadas. Debido a la carga de entrada y al aporte de oxígeno se crean las condiciones apropiadas para el crecimiento de microorganismos, principalmente bacterias, que serán los encargados de degradar la materia orgánica soluble biodegradable. Una parte de esta materia orgánica soluble se asimila para la formación de la estructura de las propias bacterias y otra parte se asimila para la supervivencia de estas bacterias en su función de respiración, así como en la formación de nuevas células. En este último proceso hay un desprendimiento de CO 2 y H 2 O. En este reactor tendremos los sólidos que hayan podido entrar con las aguas residuales y los sólidos correspondientes a los microorganismos que se han formado, y que son los responsables de la eliminación de la carga biodegradable. La concentración máxima de sólidos totales en este tipo de reactores será de 3,500-4,000 ppm ya que por encima de esta concentración los sólidos presentan problemas para decantar. De éste decantado parte de los lodos irán a deshidratación y parte se recircularán al reactor para mantener la concentración de sólidos y mantener el rendimiento del mismo (Bartone, 1985). En el diseño y explotación de un reactor biológico aerobio hay que tener en cuenta una serie de factores para conseguir un rendimiento adecuado. 14

VI.2.1.1 Parámetros de Control. Los parámetros de control son la edad de lodos y la carga de alimentación aplicada, estos deben mantenerse dentro de ciertos rangos establecidos para un tipo de agua residual en particular. El control se logra regulando adecuadamente el caudal de recirculación y el descarte o purga de lodos. ph : El desarrollo de microorganismos está en estrecha relación con un ph óptimo, como la actividad enzimática depende fuertemente del mismo. El rango de tolerancia para microorganismos anaerobios se encuentra entre 6,8 a 7,5 de ph (Böhnke et al., 1993 ). Temperatura: Los lodos activados operan a temperatura ambiente del laboratorio y por lo tanto están comprendidas en el rango de 13,0 a 23,5 C. Oxígeno Disuelto (OD): Aparte del período corto con problemas con los difusores se garantiza una concentración mínima de oxígeno disuelto en el tanque de aireación de 2,0 mg/l, según lo recomendado en la literatura (Ronzano et al., 1995). VI.2.1.2 Nutrientes: El interior celular, aparte de C, H y O, elementos característicos de la materia orgánica, contiene otros elementos como son el N, P, S, Ca, Mg etc., denominados nutrientes y que a pesar de que muchos de 15

ellos se encuentran en el organismo sólo en pequeñas cantidades, son fundamentales para el desarrollo de la síntesis biológica. Se ha determinado a nivel medio que los microorganismos para sobrevivir necesitan por cada 1000 g. de C, 43 de N y 6 de P, y que en las aguas residuales urbanas existen por cada 1000 g. de C, 200 g. de N y 16 g. de P (MOPT, 1991). Si comparamos lo que necesitan los microorganismos para sobrevivir, con las cantidades existentes de dichos elementos en el agua residual, podemos concluir que a título general dichos microorganismos pueden desarrollarse en el agua residual perfectamente. Es interesante comentar que en el caso de determinadas aguas con vertidos industriales, las proporciones de dichos elementos no están equilibradas, siendo necesario a veces dosificar N y P en el agua, para que pueda darse el desarrollo bacteriano y exista depuración biológica. Así, para obtener el máximo partido a este tipo de sistemas de depuración, las aguas de llegada a los mismos no deben llevar aceites ni grasas, así como sólidos gruesos y además contener la menor cantidad posible de sólidos en suspensión. Debido a esto, los reactores biológicos deben tener como etapas previas la eliminación de aceites y grasas mediante separadores de aceites y grasas, la eliminación de sólidos gruesos mediante rejas de desbaste y la 16

máxima eliminación posible de sólidos en suspensión mediante sistemas de decantación. La explotación de un biológico como lodos activados es el sistema de depuración más eficiente económicamente en el caso de que exista espacio disponible y las restricciones de los parámetros de vertido sean las de alcantarillado municipal. VI.2.1.3 Aspectos generales del proceso. En el proceso de lodos activados, los microorganismos son completamente mezclados con la materia orgánica del agua residual, la que sirve de alimento para su propio crecimiento y reproducción. A medida que la población de microorganismos aumenta, se agrupa y forma flóculos para producir una masa activa llamada lodo activado. El lodo activado es de color café, cuando es sano huele a tierra mojada, presenta una estructura granular y sedimenta rápidamente. El agua residual que ingresa continuamente al tanque de aireación del sistema, se une con los lodos activados recirculados provenientes del sedimentador secundario, donde el aire es introducido para realizar una mezcla completa y proporcionar el oxígeno necesario para que los microorganismos remuevan la materia orgánica. La mezcla de lodo activado y agua residual que se produce en el tanque de aireación, se llama licor mezclado, el cual se envía a un tanque de 17

sedimentación secundario o clarificador donde el agua se decanta para posteriormente ser desinfectada, y parte del lodo activado sedimentado se recircula, el sobrante se envía a tratamiento o disposición. El aire es introducido al tanque de aireación, ya sea mediante difusores que se colocan en el fondo o por aireadores mecánicos superficiales los que pueden ser fijos, ubicados sobre plataformas o flotantes. VI.2.1.4 Variaciones al Proceso Lodos activados convencional (Flujo pistón). El agua a tratar y el lodo activado recirculado entran en el tanque de aireación y se mezclan con aire disuelto o con agitadores mecánicos. El suministro del aire suele ser uniforme a lo largo de toda la longitud del canal. Durante el período de aireación, se produce la adsorción, floculación y oxidación de la materia orgánica. Los sólidos del lodo activado se separan en un sedimentador secundario, los tiempos de retención hidráulica varían entre 4 a 8 horas. El pase de burbujas de aire a través de las aguas de desecho coagula los coloides y la grasa, satisface parte de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), y reduce un poco el nitrógeno amoniacal. La aireación también puede impedir que las aguas de desecho se vuelvan sépticas en uno de los tanques subsiguientes de sedimentación. Pero si las aguas de desecho se mezclan con lodo previamente aireado y luego se vuelve a airear, como se hace con los 18

métodos de tratamiento de aguas de desecho utilizando lodo activado, la efectividad de la aireación se mejora mucho. La reducción de la DBO y sólidos en suspensión en el proceso convencional del lodo activado que incluye predecantación y sedimentación final, puede variar desde 80 a 95% y la reducción de las bacterias coliformes de 90 a 95%. Además, el costo de construcción de una planta de lodo activado puede ser competitivo con otros tipos de plantas de tratamiento que producen resultados comparables. Sin embargo, los costos unitarios de operación son relativamente altos. El método del lodo activado es un tratamiento biológico secundario que emplea la oxidación para descomponer y estabilizar la materia putrescible que queda después de los tratamientos primarios. Otros métodos de oxidación incluyen la filtración, estanques de oxidación, y la irrigación. Estos métodos de oxidación ponen a la materia orgánica de las aguas de desecho en contacto inmediato con microorganismos bajo condiciones aerobias. (IMTA, 1993) VI.2.1.4.1 Estabilización por contacto. En esta variante, el agua residual entrante al proceso (efluente primario), es aireada durante un tiempo de 20 a 30 minutos en un tanque llamado tanque de contacto para que los microorganismos absorban los contaminantes orgánicos sin dar oportunidad de asimilar la materia orgánica. El lodo activado pasa a sedimentación y es conducido a un tanque llamado tanque de estabilización donde se airea de 1.5 a 3 horas para degradar la materia 19

orgánica. Parte del lodo recirculado se desecha y el restante se envía al tanque de contacto. VI.2.1.4.2 Aireación decreciente. En tanques de aireación largos y angostos -relación largo/ancho mayor de 8- se presenta un flujo tipo pistón con una demanda mayor de oxígeno a la entrada, disminuyendo hasta la salida. La cantidad total de aire se obtiene como en un proceso de lodos activados convencional, pero su distribución se hace decrecer a lo largo del tanque colocando menos difusores o aireadores. VI.2.1.4.3 Aireación por etapas o aireación por pasos (Step aereation). Esta variante consiste en introducir el agua residual en varios puntos a lo largo del tanque de aireación. En los sitios de alimentación se esparce la demanda de oxígeno, resultando una mayor eficiencia en la distribución del aire inyectado al sistema. Cada incremento reacciona con el lodo que ya se encuentra en el tanque. Por consiguiente, los requisitos de aire casi son uniformes en todo el tanque. La aireación por mezcla completa obtiene mejores resultados dispersando el influente del agua de desecho tan uniformemente como sea posible, a lo largo de la longitud total del tanque de aireación, de manera que se produzca una demanda uniforme de oxígeno a todo lo largo. La aireación extendida es similar, 20

pero el agua de desecho se airea por 24 horas en vez de las 6 a 8 horas convencionales. VI.2.1.4.4 Aireación extendida. Esta modificación consiste en aumentar el tiempo de retención hidráulica en el sistema de 12 a 36 horas en lugar de 6 a 8 horas que emplea el proceso convencional. Este periodo de aireación permite que el lodo sea parcialmente digerido dentro del tanque de aireación. Una variación del sistema de aireación extendida es la llamada zanja de oxidación, que consiste en un tanque de aireación formado por un canal cerrado donde un rotor o aireador mecánico generalmente del tipo cañón introduce el oxígeno suficiente al licor mezclado y mantiene la mezcla en movimiento VI.2.1.4.5 Mezcla completa. Esta modificación consiste en uniformizar la aireación y la entrada del licor mezclado en el tanque de aireación y extraer los lodos de una forma igualitaria a lo largo del tanque. Con este sistema se logra que la demanda de oxígeno permanezca constante en todos los lugares del tanque de aireación siendo más eficiente la utilización del aire suministrado. VI.2.1.4.6 Sistema de oxígeno puro. 21

Desde 1970, ha habido interés por los sistemas que utilizan oxígeno puro en lugar de aire, para eficientar los requerimientos de bacterias aerobias que realizan la depuración del agua. Los tanques de aireación en esta modalidad, se encuentran cubiertos y el oxígeno es recirculado a través de varias etapas que corresponden a diferentes compartimentos provistos por un agitador superficial que realiza la mezcla de agua y lodo permitiendo la inclusión del oxígeno. El sistema permite el uso eficiente del oxígeno proporcionado con bajos requerimientos de energía. El número de etapas depende de la concentración de carga orgánica del desecho, características del agua a tratar y calidad del efluente deseado. El oxígeno empleado se genera en el sitio de la planta, en donde si la planta es grande el aire se licúa y destila en unidades criogénicas; mientras que en plantas pequeñas la separación del oxígeno se obtiene adsorbiendo el nitrógeno del aire, una característica de este proceso es que el contenido de oxígeno disuelto en el licor mezclado del reactor presenta concentraciones de 6 a 12 mg/l, y los contenidos de sólidos sedimentables son altos. El proceso de lodos activados puede convertir casi toda la materia orgánica del influente en sólidos. Dichos sólidos al ser removidos producen un efluente de alta calidad. Desafortunadamente la sedimentación de sólidos floculentos es una operación difícil de realizar, por lo que se requiere un control 22

operacional cuidadoso del sistema. Dentro de las variantes presentadas al proceso de lodos activados, las más utilizadas en México son los sistemas convencionales y aireación extendida en la modalidad de zanjas de oxidación. VI.2.1.5 Reacciones Metabólicas (Materia organica) (Nuevas células bacterianas) Figura 2. Reacciones metabólicas (Metcalf & Eddy, 1997). VI.2.2 Reactores Biológicos Anaerobios Tradicionalmente la digestión anaerobia ha sido utilizada para la estabilización de lodos primarios y secundarios en las plantas convencionales municipales. Las principales aplicaciones de la tecnología anaerobia se presentan en residuos industriales con alta carga contaminante, por el beneficio que reporta en términos de ahorro energético. Los procesos de estabilización anaerobia también se han venido utilizando para el tratamiento directo de residuos líquidos, especialmente como tratamiento primario. Dentro de las nuevas tendencias se manejan procesos relacionados con: 23

Desnitrificación, para la remoción de nitratos, sulfato reducción, para la remoción y recuperación de metales pesados y azufre. Biorremediación, para la destrucción de compuestos tóxicos y peligrosos. Teniendo la siguiente reacción: MATERIA ORGANICA + Microorganismos Anaerobios = CH4 + CO2 Figura 3. Reacción anaerobia (Yañez, 1984) VI.2.2.1 Opciones de Tratamiento Anaerobio Los reactores anaerobios se clasifican de manera similar a los procesos aerobios: Existen reactores de biomasa en suspensión y reactores de biomasa adherida, igualmente existen reactores de baja carga y reactores de alta tasa. Otra manera de clasificarlos es con base en el proceso evolutivo: primera generación, segunda generación y tercera generación. VI.2.2.1.1 Reactores De Primera Generación. Son los denominados reactores de baja tasa. El TRH es igual al tiempo de residencia celular. Se caracterizan por tener la mayor parte de la biomasa acumulada como sedimento y su configuración no garantiza el adecuado contacto de la misma con el sustrato. Se incluyen en esta categoría el tanque 24

séptico, el tanque Imhoff, la laguna anaerobia y el digestor convencional (biodigestor). El sistema de contacto (versión anaerobia de los lodos activados) constituye un proceso de transición entre la primera y segunda generación. Incorpora un reactor mezclado, un sedimentador y la recirculación de lodos. VI.2.2.1.2 Reactores De Segunda Generación. Los microorganismos son retenidos en el tanque por medio de una biopelicula adherida a un soporte (empaque), o bien, por su sedimentación en forma de agregados (flóculos, granos) densos. En estos sistemas se ha separado el tiempo de retención hidráulico del celular y se ha mejorado considerablemente el dispositivo de distribución de agua en su interior. Constituyen los mejores exponentes de este grupo el filtro anaerobio y el reactor de manto de lodos UASB. Los reactores de lecho granular expandido (EGSB) se ubican en una fase de transición éntrelos sistemas de segunda y tercera generación. VI.2.2.1.3 Reactores De Tercera Generación. También retienen los microorganismos en biopelicula o grano compacto y denso, con la particularidad que el soporte se expande o fluidifica con altas velocidades de flujo (reactores de lecho expandido o fluidificado). Los resultados más importantes obtenidos durante el desarrollo tecnológico a través de la evolución de los reactores son la disminución del tiempo de retención hidráulico de días a horas. Permiten la creación de instalaciones muy 25

compactas con un gran incremento de su estabilidad y de las eficiencias del tratamiento del agua residual a temperaturas por debajo de la óptima (35 ºC). VI.2.2.1.4 Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (UASB). El flujo ascendente del agua mantiene en suspensión a la masa bacteriana que forma gránulos o flóculos de fácil sedimentación, permitiendo un buen contacto entre las partículas de materia orgánica y las bacterias, facilitando su digestión. Se pueden manejar cargas orgánicas superiores a 4 Kg./m3.d con agua desde 600 mg./l hasta 50,000 mg./l de DBO5. VI.2.2.1.5 EGSB. Tratamiento de altas velocidades ascensionales y equipadas con un sedimentador para recuperar la bacteria que haya salido del reactor con el efluente, puede manejar cargas orgánicas mayores a 10 kg./m3.d y agua con 10,000 a 50,000 mg./l de DBO5. VI.2.2.1.6 Filtro Anaerobio. Equipo en el que la bacteria se encuentra fija en un soporte para resistir las fuerzas ascensionales altas. Indicado para agua residual donde las materias orgánicas en suspensión sean mínimas y la mayor parte de la DBO5 sea por materia disuelta. 26

VI.2.2.1.7 Reactor Anaerobio de Contacto. Reactores de baja tasa para la digestión orgánica, que requieren de alto tiempo de retención hidráulica. Indicado para la digestión de lodos provenientes de plantas aerobias o lodos primarios, así como para residuos sólidos.vi.2.2.2 Reacción General. La reacción general podría resumirse como: Figura 4. Reacción general de biomasa (ECOMAC, 2004) VI.2.2.3 Condiciones de operación Los niveles de reacción química y biológica normalmente aumentan con el incremento de la temperatura, esto es incierto dentro de un rango de temperatura tolerable para diferentes microorganismos. Las altas temperaturas causan una declinación del metabolismo, debido a la degradación de las enzimas; y esto es crítico para la vida de las células. Los microorganismos tienen un nivel óptimo de crecimiento de 35 C a 55 C manteniendo una buena eficiencia en general. Además de una fuente de carbono orgánico, los microorganismos requieren de nitrógeno, fosforo y otros factores de crecimiento que tienen 27

efectos complejos. Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la concentración óptima para el metano ya que ellas se inhiben severamente por falta de nutrientes. Sin embargo, la deficiencia de nutrientes no debe ser un problema con los alimentos concentrados, pues estos aseguran en más que suficientes las cantidades de nutrientes. Por otra parte, la descomposición de materiales con alto contenido de carbono ocurre más lento, pero el periodo de producción de biogás es más prolongado. Los materiales con diferentes relaciones C : N en residuales porcinos es de 9 a 3; en vacunos de 10 a 20; para humanos es de 10 a 8 y para residuos vegetales es de 10 a 35. La relación óptima se considera en un rango de 30:1 hasta 10:1, una relación menor de 8:1 inhibe la actividad bacteriana debido a la formación de un excesivo contenido de amonio. Los compuestos tóxicos incluso en bajas concentraciones, afectan la digestión y disminuyen los niveles de metabolismo. Las bacterias metanogénicas son generalmente las más sensibles, aunque todos los grupos pueden ser afectados. Un nutriente esencial también puede ser tóxico si su concentración es muy alta. En el caso del nitrógeno, mantener un nivel óptimo para garantizar un buen funcionamiento sin efectos tóxicos es particularmente importante. Por ejemplo, en alimentos de alto contenido de proteína para el ganado, un desbalance por altos contenidos de nitrógeno y bajas disponibilidades energéticas, cusa toxicidad por de amonio. Usualmente, el nivel de amonio libre debe ser mantenido en 80 ppm. Sin embargo, una 28

concentración más alta, alrededor de 1500-3000 ppm, puede ser tolerada. Se debe tener precaución para evitarla entrada al biodigestor de ciertos iones metálicos, sales bactericidas y sustancias químicas sintéticas. Se reportado la reducción de gas cuando se encuentran antibióticos. El Nivel de Carga es calculado como la materia seca total (MS) o materia orgánica (MO) que es cargada o vertida diariamente por metro cúbico de volumen de biodigestor. La MO o sólidos volátiles (SV) se refiere a la parte de la MS o solios totales (TS), que se volatilizan durante la incineración a temperaturas superiores a 500 C. Los SV contienen componentes orgánicos, los que teóricamente deben ser convertidos a metano. Según los requerimientos operacionales para un reactor anaerobio, la eficiencia de la producción de biogás s3e determina generalmente expresando el volumen de biogás producido por unidad de peso MS o SV. La fermentación de biogás requiere un cierto rango de concentración de MS que es muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La concentración óptima depende de la temperatura. En cuanto al tiempo de retención existen dos parámetros para identificar el tiempo de retención de las sustanciasen el biodigestor: 1. El tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB) que se determinan dividiendo la cantidad de MO o SV que entra al biodigestor entre la cantidad de materia orgánica que sale del sistema. El TRBS es asumido para representar la media 29

del tiempo de retención de los microorganismos en el biodigestor. 2. El tiempo de retención hidráulico (TRH) es la relación entre el volumen de biodigestor (VD) y la media de la carga diaria. Estos parámetros son importantes para los biodigestores avanzados de alto nivel, los cuales han alcanzado un control independiente del TRSB y del TRH a través de la retención de la biomasa. VI.2.3 Tratamiento facultativo Estos son una combinación de los tratamientos anteriores e incluyen procesos como son las lagunas facultativas, lodos activados con empaque fijo o móvil, biodiscos, biofiltro, etc. (CONAGUA, 2010) Un reactor facultativo bien diseñado y operado no tiene malos olores ni crecimiento de plantas acuáticas. Usualmente son de color verde el cual es causado por las algas que producen oxígeno por la fotosíntesis. El propósito de un reactor facultativo es remover la DBO bajo condiciones aeróbicas, aprovechando principalmente la simbiosis entre las algas y la bacteria; el reactor también contribuye a la remoción de patógenos a través del largo período de retención hidráulica típico en el diseño, que permite la sedimentación de huevos de helminto, y la mortalidad de bacteria causado por el tiempo de retención hidráulica, por los rayos ultravioletas de la energía solar, y el aumento en ph por las actividades de las algas. 30

A continuación podemos observar los componentes de una laguna facultativa en donde también se puede distinguir una zona anaeróbica en los lodos acumulados (ver Figura 5 Diagrama de laguna facultativa). Figura 5. Diagrama de laguna facultativa con la zonas aeróbica, donde las algas consumen CO 2 y producen O 2 y la bacteria consume O 2 y produce CO 2, y la zona anaeróbica donde los lodos acumulan y digieren, produciendo los gases de CO 2 y CH 4. VI.2.3.1 Reacción de fotosíntesis La Carga Orgánica Superficial por el Método de Radiación Solar es el método más apropiado para el diseño de reactores facultativos es el de la carga orgánica superficial, lo que depende sobre la cantidad de oxígeno producido por las algas en la laguna ver figura 6. Ecuación balanceada de fotosíntesis (Rittmann y McCarty, 2001). : 31

Celdas de algas 2,428 mg 3,776 mg 1 mg 1.55 mg 1 kg 1.55 kg! Figura 6. Ecuación balanceada de fotosíntesis (Rittmann y McCarty, 2001): La ecuación balanceada muestra que 1 kilogramo de algas produce 1.55 kilogramos de oxígeno. La energía del sol requerida para producir un kilogramo de celdas de algas es de 24,000 kilo Joules (kj) (Rittmann y McCarty, 2001). De la energía solar que radia la superficie de una laguna facultativa, solamente un porcentaje es utilizado por las algas como resultado de su eficiencia de conversión; la eficiencia de conversión varía entre las especies de algas y el rango ha sido reportado de 2 a 7% (Arceivala, 1970). 32

Con respecto a los efectos de viento y temperatura en el diseño no se incluye el efecto de reaireación por el viento en el diseño de lagunas facultativas porque, como discutió Oswald hace cuarenta años (1963), la ganancia del oxígeno por reaireación es solamente una fracción de la ganancia por fotosíntesis. Por ejemplo, el oxígeno disuelto dentro de una laguna tendría que tener un déficit de 10 mg/l una condición en que la laguna tendría muy malos olores para obtener una ganancia de 18 kg O2/ha-día por reaireación, un factor insignificante relacionado a las ganancias por fotosíntesis (Oswald, 1963). Se recomienda una profundidad de 1.8 a 2.0 metros en los reactores para mantener condiciones aeróbicas en el primer metro de profundidad y tener espacio por abajo para la acumulación de lodos. La profundidad más utilizada es 1.8 metros. Se recomiendo una relación de largo a ancho en reactores facultativos de por los menos 2/1 y preferiblemente 3/1 para modelar flujo de tipo pistón. Estos reactores tienen la función principal de eliminar la DBO y los coliformes. Para determinar el área de del reactor facultativo se recomienda usar la relación mostrada en la Figura 7. Cargas superficiales límites para reactores facultativos. 33

Figura 7. Cargas superficiales límites para reactores facultativos (Yañez Cossío, 1993) Donde T (ºC) Temperatura del agua Un diseño basado en esta fórmula asegura suficiente oxígeno en el reactor (producido por las algas) y normalmente es posible cumplir solamente un valor límite del efluente de 80mg DBO/l, incluida la DBO de las algas. Las siguientes tablas muestran las áreas específicas necesarias para diferentes cargas (45 y 60g DBO/(hab. d)) y diferentes temperaturas. 34

Se calculan las áreas para los dos sistemas: Reactores facultativos con lagunas anaeróbicas previas "Solamente reactores facultativos El oxigeno es producido por algas fotosintéticas e introducido por aireación de la superficie, este, es subsecuentemente utilizado por bacterias aeróbicas para estabilizar la materia orgánica. Figura 8 De donde viene el oxigeno. Figura 8. De donde viene el oxigeno. (CONAGUA, 2010) Para el mantenimiento de estos reactores, es necesaria la eliminación de sólidos del tratamiento primario, cortar pasto en taludes, eliminación de espumas y macrofitas de la superficie, esto se hace para maximizar la luz incidente, aumentar la aireación y prevenir la cría de mosquitos y reparar los taludes dañados. 35

La acumulación de lodos al fondo de un reactor facultativo puede afectar su funcionamiento, disminuyendo el volumen y por lo tanto el tiempo de retención hidráulica. Se debe calcular la acumulación en el diseño, y se debe medir la acumulación en la operación y mantenimiento de un reactor facultativo para poder preparar para la remoción de lodos. Es posible remover de 2.0 hasta 2.5 ciclos log10 de coliformes fecales y de 2.0 hasta 3.5 ciclos log10 de Escherichia coli en reactores facultativos con tiempos de retención nominales de 7 a 23 días. Si el reactor está bien diseñado hidráulicamente, con un tiempo de retención promedio que aproxima el TRH nominal mínimo de 10 días, se debe obtener una remoción de 2.0 ciclos log10 de coliformes fecales y E. coli en reactores facultativos a temperaturas igual a 25 C. (Oakley,!et!al.,!2000).! Se recomienda que, para drenar el reactor, se detenga el afluente y enviarlo al siguiente tratamiento. Después de vaciar dicho reactor, se remueven los lodos y se secan por un período entre uno y dos meses. La extracción de lodos con la maquinaria debe tomar menos de una semana. Los lodos removidos deben ser almacenados en un sitio que no ofrezca peligro a la población y al medio ambiente por un período de, por lo menos, un año para destruir los huevos viables de helmintos. Es muy importante remover los lodos del fondo de los reactores facultativos cuando se llega a una acumulación media de menos que 0.5 metros, y preferiblemente menos de 0.3m. Ya que se 36

forman una capa muy dura resultado del secado por evaporación, si se permite que lleguen a una profundidad de más que 0.5 m., será casi imposible secar y remover los lodos con maquinaria. Con una profundidad menos que 0.5 m. se secan los lodos fácilmente por medio de evaporación y la formación de agrietamientos. Por esta razón es fundamental diseñar planificar un programa de mediciones de las profundidades de lodos, remoción y tratamiento de lodos, y disposición final. (INAA, 1996). VI.2.3.2 Señales del Buen Funcionamiento de los reactores Facultativos Las señales de buen funcionamiento son los siguientes: 1. El agua del efluente tiene una coloración verde brillante. 2. La superficie del agua en la laguna está libre de natas y sólidos flotantes. 3. La ausencia de plantas acuáticas en la laguna y malezas en los taludes interiores. 4. La ausencia de malos olores en la laguna. VI.2.3.3 Problemas del Funcionamiento en Reactores Facultativos Los problemas de funcionamiento más frecuentes en los reactores son la acumulación de natas y materias flotantes; aparición de malos olores; desarrollo de coloraciones café, gris/negro, amarillo/verde opaco, rosa o rojo, cual es una 37