RELACION ENTRE RESULTADOS EN UN REACTOR A ESCALA LABORATORIO Y OTRO A ESCALA NATURAL (CASO REAL) Dautant Semprum Rafael, López Herrera Hernán * Departamento de Ingeniería Sanitaria, Escuela de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería Universidad de Carabobo, Bárbula, Estado Carabobo, Venezuela El presente trabajo tiene como objetivo mostrar el estudio de tratabilidad, la ingeniería ambiental utilizada y el funcionamiento del sistema de tratamiento biológico empleado para la remoción de la carga orgánica de los efluentes industriales de una empresa papelera, ubicada en la Cuenca del Lago de Valencia, Estado Carabobo, Venezuela, la cual fabrica papel sanitario, toallas, servilletas y papel "Tissue" en general; generando aguas residuales que eran pretratadas en un proceso físico-químico a base de coagulación, floculación, sedimentación; sin embargo, los niveles de contaminación orgánica expresados en términos de DBO y DQO descargados a la salida de este tratamiento debían ser reducidos de acuerdo a la reglamentación vigente, por lo que se procedió a realizar un estudio a escala a fin de analizar la factibilidad de implementar un proceso biológico. Palabras claves: biodisco, disco biologico rotativo, RBC, reactor biológico INTRODUCCION La Cuenca del Lago de Valencia, es una de las cuencas en degradación, debido al mal uso de los recursos, en especial, el agua. La vida de la flora lacustre y de la fauna ha sido imposibilitada por la alta contaminación, con todo tipo de residuos industriales y de materia orgánica, por lo que se hacen imprescindibles plantas de tratamiento realmente efectivas, capaces de eliminar o reducir hasta límites aceptables, los principales contaminantes y satisfacer las normas definidas que regulan la disposición y de esta manera, no interferir con la lógica y racional utilización, los beneficios que ella aporta a la comunidad y el equilibrio ecológico de la región. En el campo de Tratamientos de Aguas de Desecho, los llamados sistemas biológicos son ampliamente utilizados, ya que con ellos se logra lo que la naturaleza haría por sí misma. La intensidad del tratamiento depende, además de las condiciones del problema, del mayor o menor grado de preservación que exigen los cuerpos receptores para así conservar su calidad físico-química y biológica que las circunstancias y el medio le imponen. Un sistema de tratamiento biológico a escala, permite simular las condiciones reales y, mediante estudios experimentales en el laboratorio, obtener resultados precisos para el tratamiento de un tipo específico de agua residual. En base a los análisis de laboratorio, se deduce: 1.- Si el agua residual en estudio es susceptible de ser tratada con las operaciones unitarias y proceso seleccionado. 2.- Obtener datos que se utilicen para diseñar y operar instalaciones de tratamiento a escala real.
Se estudia la cinética de crecimiento bacterial analizando el Modelo de Monod, llegando al desarrollo matemático de los Reactores Biológicos, unidades donde ocurre la oxidación biológica, basada en la degradación del material orgánico por microorganismos y en el control de los principios básicos que gobiernan el crecimiento de estos. OBJETIVO El objetivo de este trabajo es el de mostrar la relación entre los datos obtenidos en un reactor biológico a escala laboratorio tipo Discos Biológicos Rotativos (Biodiscos) y el tratamiento a escala real; diseñado y construido con los resultados de estudio a escala laboratorio. PLANTA A ESCALA LABORATORIO Elementos Constitutivos. El diseño del reactor está constituido por un sedimentador primario, reactor biológico y sedimentador secundario, construidos con láminas de acrílico transparente (6 m.m. de espesor) para permitir una visualización continua de los fenómenos que ocurrían en el reactor y sedimentadores. Reactor Biológico. El reactor biológico consta de un cajón de 1,15 m. de largo, 1 m. de ancho y 0,60 m. de alto, dividido en cuatro etapas por medio de mamparas del mismo material y que poseen ventanas de 5 x 3 cms. para permitir el recorrido del líquido de una etapa a otra. (Figs. 1 y 2) Fig. 1 Planta del Reactor Biológico Fig. 2 Corte Reactor Biológico Placas de Polietileno. El biodisco está constituido con 20 placas facilitadas por la Empresa ICO, S.A. de C.V., Guadalajara, México; que tienen 46,5 m 2 de área superficial para crecimiento biológico, distribuidos de la siguiente manera: 8 discos en la primera etapa (2 veces el tamaño de las otras) y 4 discos en cada una de las etapas restantes. Estas placas contendrán espacios que dejarán pasar el flujo para el crecimiento biológico adecuado. La configuración de estos espacios deberá ser tal que permita el paso de aguas negras y aire sobre todas las superficies biológicas activas.
Eje Central Principal. Un eje central de acero macizo, soportará las cargas resultantes de los soportes, las placas de polietileno y la biomasa. El Eje utilizado en el estudio será cuadrado (1" de diámetro) para que los discos queden perfectamente fijos. Dicho Eje será redondeado en ambos extremos, el cual estará soportado por chumaceras. Chumaceras. Las chumaceras en los extremos del eje serán deslizables y autoalineables, de tipo puente. Sistema Motriz. El sistema motriz será una unidad de motoreductor de 0,2 Hp. con una velocidad de salida de 15 rpm, corriente trifásica. Para obtener la velocidad deseada, se realiza la disminución mediante los piñones. Unidad de Bombeo. El líquido fue llevado desde el tanque de almacenamiento hasta el sedimentador primario, por medio de una bomba dosificadora fija solenoide, modelo (A48-A), marca ADVANCE, con una capacidad de 0,004 Hp. y un caudal máximo de 7,5 lt/hr. Tanque de Distribución. Representado por un tanque de material plástico de 200 litros de capacidad colocado en el piso. Tanque de Almacenamiento. Representado por un tanque de material plástico de 1000 litros de capacidad colocado a una altura de 1 metro desde el piso. ARRANQUE DE LA PLANTA A ESCALA LABORATORIO. Para realizar el arranque de la planta se llena el reactor con aguas blancas hasta alcanzar un altura de agua de 54 cm., ya que los discos deben estar sumergidos por lo menos un 35% de su diámetro (90 cm.) en el tanque. El agua se deja aerear por 3 días consecutivos; se extraen 36 lts. de agua y se agrega 35 lt. de lodos provenientes del digestor aerobio de una Empresa de la zona, distribuidos en cada una de las etapas; por 15 días consecutivos se alimentó el reactor manualmente con aguas residuales industriales traídas de una Empresa Papelera, (aproximadamente 20 lt. diarios), hasta que se puso en funcionamiento la unidad de bombeo, desde este momento la alimentación de la planta se lleva a cabo usando agua residual industrial que proviene de la salida del sedimentador primario de la Empresa estudiada. El funcionamiento de la unidad de bombeo consiste en llevar agua del tanque de almacenamiento al sedimentador primario en donde se separan los sólidos sedimentables. a continuación por rebose se alimenta al biodisco, en donde se transforman los contaminantes solubles en sólidos sedimentables, los cuales se separan del agua tratada en el sedimentador secundario por medio de un aereador mecánico. No se requieren controles de flujo de ningún tipo. El agua residual pasa una sola vez, sin recirculación. En el transcurso del arranque fue necesario realizar una disminución en la velocidad del motoreductor, se llevó de 6,3 rpm a 3,3, rpm, diariamente se tomaron muestras a la entrada, en cada etapa y salida de la planta para realizar los análisis que se mencionan a continuación: - Oxígeno Disuelto (O.D.) - Sólidos Sedimentables (SS)
- Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) - Demanda Química de Oxígeno (DQO) - Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV) - ph Bases de Diseño a Escala. En esta sección se presentan los diferentes criterios de diseño para la planta a escala piloto de biodiscos. Demanda Bioquímica de Oxígeno a la Entrada. La concentración de la demanda bioquímica de oxígeno se estimó en 1.200 mg/lt; siendo un valor representativo para estudios futuros. Carga Orgánica. La carga orgánica se estimó en un valor de 10 Kg DBO/1000 m 2 -d. Caudal de Alimentación. Se tomó en cuenta el caudal máximo que suministra la bomba dosificadora utilizada, siendo de 180 lt/d. Carga Hidráulica en el Sedimentador. La carga hidráulica en el sedimentador, se estimó en 5 m 3 /m 2 -d. Todos los valores antes mencionados se asumieron a fin de realizar estudios futuros. Diseño de los Sedimentadores a Escala. Estos Sedimentadores poseen una configuración de media tolva, con cuarenta centímetros (40 cm.) de largo y sesenta centímetros (60 cm.) de altura, siendo el volumen igual a 15 litros. Diseño del Biodisco a Escala. Basándose en los biodiscos que han sido diseñados y patentados por el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), construidos por ICO, S.A. de C.V., Guadalajara, México, de los cuales se conocen que están fabricados con 250 placas de 3,60 m. de diámetro y un área total de 9.300 m 2. Para el diseño del biodisco en estudio se consideró una escala de 1:200 en relación al biodisco de 9.300 m 2, de donde se obtiene un área efectiva de placas de 46,5 m 2. El diámetro de cada placa es de 90 cm., de donde el área por placa será: A= n x 0,90 2 /4 x 2 x 1,83 = 2,32 m 2 (1) por lo que se requieren: N = A 1 /A (2) N = 46,5 m 2 /2,32 m 2 = 20 placas
Volumen del reactor: Se tomaron como bases de diseño para el mismo, un largo de 1,15 m.; ancho 1 m. en la parte superior; 0,70 m. en la parte inferior y 0,60 m. de altura. El volumen del reactor (Vr), resultó de 667 litros. El volumen real ocupado por el líquido en el reactor es de 59 litros. DESCRIPCION TECNICA DEL BIODISCO - Número de etapas. 4 - Diámetro exterior en metros. 0,90 - Area de Discos Primera Etapa en m 2. 18,56 - Area de discos segunda, tercera y cuarta etapa en m 2 9,28 - Longitud del eje central en metros. 1,20 - Potencia instalada en Hp. 0,20 - Velocidad de operación en rpm. 3,30 Definición de Símbolos: DBO: Demanda Bioquímica de Oxígeno (mg/l) DQO: Demanda Química de Oxígeno (mg/l) SST: Sólidos Suspendidos Totales (mg/l) Q: Caudal de entrada al sistema (l/día) So: Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) a la entrada del reactor biológico (mg/l) S: Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) a la salida del reactor biológico (mg/l) E: Eficiencia de Remodelación (%) Co: Carga Orgánica (Kg DBO/día) V: Volumen (m 3 ) t: Tiempo de retención hidráulico (hr) Xr: Concentración de microorganismos en la purga de lodos (mg/l) SSV: Sólidos Volátiles Suspendidos (mg/l) Pl: Producción de lodos (Kg SVS/día) (purga de lodos) Qw: Disposición de lodos (l/día) CV: Carga sobre Vertederos ( m 3 /m 2 -día) Ac: Area Total de Contacto (m 2 ) Acpb: Area total de contado por biodisco (m 2 ) COo: Concentración Inicial de Sólidos. C torta : Concentración de torta de lodos (%) C.S: Carga Superficial (m 3 /m 2 día) Resultados Estudio a Escala Laboratorio. Tabla 1 Parámetro Entrada Salida E (%) D.Q.O. (mg/l) 1120 165 85.30 D.B.O (mg/l) 330 8 97.5 S.S.T. (mg/l) 313 37 88.20
PLANTA A ESCALA REAL La planta de tratamiento diseñada y construido una vez concluido el estudio de simulación tiene los siguientes datos Reactor Biológico (Biodisco): Q diseño = 10L/S, So = 364 mg/l COo = 315 Kg/DBD-d, Pl = 126 Kg/SSV-d Ac = 18662 m 2, Xr = 8000 mg/l Acpb = 9300 m 2, Qw = 23 m 3 /d Sedimentador Secundario: V = 72 m 3, t = 2.00 hr, C.S. = 30 m 3 /m 2 - d, C.V = 75 m3/m 2 - d Tanque de Oxidación química V = 27 m 3, t = 45 min Tanque de Almacenamiento lodos. V = 30 m 3, t = 1.30 d Filtro prensa lodos Ql = 23 m 3 /d, Co = 0.8%, C torta = 18% RESULTADOS PLANTA A ESCALA REAL Tabla 2 Parámetro Entrada Salida E (%) D.Q.O. (mg/l) 930 92 90 D.B.O (mg/l) 520 19 96
CONCLUSIONES 1.- El efluente residual específico o desecho líquido proveniente de la planta papelera pudo ser tratado biológicamente. 2.- El sistema de tratamiento a escala empleado, deriva información importante como es la eficiente capacidad de remoción de contaminante orgánico, medida como DBO, la velocidad de consumo de la carga orgánica de las bacterias, factores de crecimiento y muerte de un lodo aclimatado que recibe un agua residual específica, permitiendo la evaluación efectiva de los procesos de tratamiento y operaciones unitarias que serán utilizadas en el diseño real. 3.- Los reactores biológicos a escala representan un método funcional y efectivo para evaluar la degradación de efluentes que contienen un alto grado de carga orgánica de acuerdo a la velocidad de consumo de dicha carga, por las bacterias; y de los factores de crecimiento y muerte bacterial.
4.- El diseño a escala es funcional y eficaz en lo que se refiere al método empleado (BIODISCO) y al tipo de tratamiento escogido (película fija). 5.- Los resultados obtenidos en el reactor biológico a escala, cumplen con el objetivo propuesto y responden a las necesidades de los tratamientos biológicos aerobios para degradar el efluente de la Industria de papel estudiada. 6.- Durante el estudio de tratabilidad del efluente en el sistema de Biodisco, se logró obtener aguas de buena calidad, acorde a la reglamentación vigente, plasmada en las Normas Técnicas emanadas por el Ministerio del Ambiente. 7.- La Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) es un parámetro importante y significativo en los sistemas de tratamiento. En este sentido, los resultados obtenidos estuvieron por debajo de la concentración máxima permisible según Gaceta Oficial No 5021 Extraordinaria Decreto 883 del 15-12-95. 8.- La Demanda Química de Oxígeno (DQO), presentó una remoción del 90%, aunque si se compara con el porcentaje de remoción de la DBO 96% se observa que es menor, esto se puede deber a la presencia de materia orgánica como el lignino presentes en el efluente de Industrias papeleras, pues este es muy resistente al ataque biológico. 9.- Los sólidos Disueltos y los Sólidos Suspendidos Volátiles presentaron resultados bajos que demuestran la eficiencia de la Planta a Escala Laboratorio. 10.- La carga orgánica a la entrada del sistema resultó un valor medio en comparación al estimado en el diseño. La remoción a la salida del sistema fue significativa. 11.- Para el funcionamiento de la Planta a Escala Laboratorio de Biodisco, no se presentaron problemas técnicos en donde fuese necesario un personal especializado debido a que la instalación de equipos es sencilla. 12.- En el reactor biológico no se presentaron olores desagradables, generando así una solución para las plantas de tratamiento ubicadas en zonas cercanas a residencias. 13.- Se puede observar el comportamiento similar entre los resultados obtenidos en el estudio de simulación y la planta a escala natural. 14.- Las remociones en términos de DQO y BDO las plantas a escala laboratorio y escala real, se mantuvieron en el mismo orden; del 85 al 90% en el DQO y del 96 al 98% en el DBO. RECOMENDACIONES 1.- Realizar estudios futuros con cargas orgánicas mayores a la utilizada en este estudio.
2.- Continuar estudios sobre las variables cinéticas referentes a: razón de utilización de sustratos requerimientos de oxígeno, factores de carga orgánica, crecimiento bacterial, producción de lodos, que permitan definir la cinética biológica a seguir. 3.- Estudiar el comportamiento para cada una de las etapas de los parámetros como la Demanda Bioquímica de Oxígeno, la Demanda Química de Oxígeno, Nitrógeno Total, Fósforo Total, para determinar el porcentaje de remoción de cada una de ellas. 4.- Tratar efluentes que provengan de otras industrias que tengan una concentración de sustrato mayor a la usada para así verificar como es el comportamiento del Biodisco con estas características. 5.- Los Biodiscos son recomendables para cualquier planta de tratamiento de aguas residuales con cargas orgánicas biodegradables. REFERENCIAS ALVARADO, O.: (1.979), Contaminación Causas y Efectos. APHA, AWWA y WEF:(1.995), Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater American CORDIDO, C: (1.988), Filtros Percoladores Escala, Pp. 164 DAUTANT, R.: (1.981), Tratamiento Biológicos de Aguas Residuales. Pp. 169 DU SAIRE, P: (1.992), Factibilidad Técnica y Economía para convertir una Planta de Aguas Residuales de Operación en paralelo a Operación en Serie. Pp. 182 EHLERS, V. Saneamiento Urbano y rural. Pp. 297 GACETA OFICIAL DE LA REPUBLICA DE VENEZUELA: No. 4418: Reglamento de Clasificación de las Aguas del Lago de Valencia. ICO, S.A. de C.V.: Biodiscos. LOPEZ, H.: (1.983), Disposición y Tratamiento de Excretas, Pp. 297. MENDOZA, S. y Otros: (1.990), Caracterización de Medios Sintéticos en Filtros Percoladores a Escala. Pp. 173. MERCK, E.: Análisis del Agua. Pp.246 METCALF & EDDY: (1.977), Tratamiento y Depuración de las Aguas Residuales Pp. 618 SAWYER, C.: (1.978), Chemister for Enviromental Engineering, PACHECO, A., (1.981), Manual de Laboratorio de Calidad Ambiental I. Calidad del Agua, Pp. 168 RIVAS, G,: (1.978), Tratamiento de Aguas Residuales, Pp. 534.
CURRICULUM VITAE Nombre: Rafael Dautant. Ingeniero Civil, Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (I.T.E.S.M.), Monterrey, México, Ingeniero Civil por reválida Universidad de Carabobo, Valencia, Venezuela, 1.984. Maestría en Sistema de Control de Contaminación Ambiental (I.T.E.S.M.), Monterrey, México. Experiencia Profesional: Proyectista de los Sistemas de Tratamiento de Efluentes de Ford Motor de Venezuela, S.A., Mantex, S.A., (antes Celanese Venezolana), Industrias Químicas Carabobo, S.A.,(filial de Sandoz), C.A. Venezolana de Pigmentos, Productos Quaker C.A., Pro-Agro, C.A. Laboratorios Elmor, S.A. Papelera Venepal, C.A., Gates de Venezuela, S.A., Laboratorios Up-Jhon, C.A., Empaques Corrugados, S.A., Helados EFE, C.A., Telares Texfin, C.A. etc. Director Técnico de la Empresa Diseños Ambientales C.A. (DISA, C.A.), Valencia, Venezuela, Profesor en el área dew pregrado y postgrado de la Universidad de Carabobo, Vicepresidente de Asociación Venezolana de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (filial de AIDIS). Nombre: Hernán López Herrera. Ingeniero Civil, Universidad Central de Venezuela, 1.960, Especialista en Malariología y Saneamiento Ambiental, Escuela de Malariología y Saneamiento Ambiental - Maracay 1.962., Master in Public Health University of Michigan 1.964. Experiencia Profesional: Profesor de las materias de Ingeneiría Sanitaria y Ambiental y Acueducto y cloacas, Facultad de Ingeniería Universidad de Carabobo, Jefe del Departamento de Ingeniería Sanitaria de la escuela de Ingeniería Civil, Director de la Escuela de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería Universidad de Carabobo Director Cursos de Postgrado en la Escuela de Malariología y Saneamiento Ambiental "Dr. Arnoldo Gabaldón", Director de la Escuela de la misma Escuela. Actualmente, Director de la Estación de Promoción y Desarrollo Tecnológico de la Facultad de Ingeniería Universidad de Carabobo, Presidente de Asociación Venezolana de Ingeniería Sanitaria y Ambiental,(filial de AIDIS).