Atentamente.

. "_._.^.."" I"""""*-,-..."

SCSNCHEZ CILVERA MAURICIO MANUEL

. .

. f

PJo FkG

1.0 HES~MEN .......................................... 1

3.0 iNTHO~UCCION.. ................................... 4

4 . O ANTECEDENTES.. .................................. . 6 4.1 Prccesa d e conversibn..,.,.......................e 4.2 Tipas d e reactares . . . . . ......................... ..15 4.2.1 R e a c t o r e s a n a e r a b i o s d e pr-imek-a generaci6n. . ... 15 4.2.2 F;eactot-Ps ans.er-mbios d e s e g u n d a g e n e r a c i b n . . ... 17 4.2.3 Eeactotws a n a e r o b i o s de tercera g e n e r a c i b n . . .. .19 4.3 I n B c t t l a . ......................................... .20 4 . 3 . 2 Importancia d e l i n ~ c u l a . . . ) . , . . . . . . . . . . , , . . , . . - . - . - ~ ~ Ti

5 . 0 C K G C T E R I S T I C A S DEL REACTQR 5.1 D e s c t - i p c i 6 n d e l d ' i s p o s i t i v a e x p e r i m e n t a l . ....... .26 5.1.2 Caracteristicas d e l a g i t a d o r . . ................ -29 5 . 1 . 3 C a l e n t a n i e r i t ~..............,......~.-.-.~. =..-.....~.l 5 . 2 D i s t t - i b u c i a n . d e l equipo en planta.. .s2

- - ............. . & . O ACTIVIDADES DESARROLLkDGS . 6 . 1 I n s t a l a c i 6 n de. la r e r i r c u f a c i b n . . ............... .&.d f C

6.2 M o d i f i c a c i d n a, la a g i t a c i 6 n ................ =..=..~.i " 6.3 C o n t r a 1 , d e kernpet-atura.. .c./ 6 . 4 L'dlvula c h e c k . . ................................. .3? 6.5 Evacuation b e l agua.. ........................... . 4 0 6.A R c t i v i d a d e s parllelas ............................ ~~)

6.6.1 Sistema e l ~ c ~ r i c o .............................. ~~1

" ........................

7 . (3 DI SCUS I ON Y COMENTAR I C G 7 . 1 R e c i r r u l a c i b n . . ................................. .42 7 . 2 ~ g i t a c i b n . ....................................... ~3

7.4 ' d d l v u l a C h e c k . .................................. - 4 4 7 . 5 E f l u e n t e . . ........... :. ......................... . 4 4 7 . 6 t-lebidot- d e gas.. ................................. -45

" / . 3 C a l P n t a d o r . . .................................... .43/

.: r .

l. O RESUMEN

La producci6n de lodos de inóculo se Vi0

suspendida por problemas. que venía presentando en su funcionamiento el reactor piloto UASB de 600 litros localizado en la planta de tratamiento de aguas residuales de Ciudad Universitaria en la UNAM. Esto se aprovechd para hacer las modificaciones necesarias y garantizar la continuidad de la producción, aumentar la eficiencia, la calidad del producto'y terminar con el aspecto provisional que tenía el reactor

. Entre las modificaciones realizadas se cuenta la

instalación de la recirculaci6n utilizando tubería de 3/4" de diámetros de PVC a traves de los tubos sedimentadores uniendo las cuatro corrientes en un sólo punto formado por una caja de recolección. Esta está formada por un cople y tapas de' 4.0" de PVC, con una salida de 1/2 pulgada que conecta con la bomba de recirculaci6n. Al sistema de agitación se le modificó su geometria y material, haciendolo más resistente. i

I

I

Se instal6 una vAlvula check en la linea de entrada al reactor, como elemento de seguridad para evitar el vaciado accidental del reactor. Con el mismo objetivo se conectd la recirculaci6n antes del calentador, asegurando que este sistema no se

,"sobrecaliente y pueda ocasionar fuga de .lodos.

También se diseñ6 y construyó un nuevo calentador para sustituir el anterior, que no era eficiente y no pensitia un mantenimiento adecuado. El nuevo calentador se construyó utilizando un niple de 30 cm de acero

' galvanizado de '4 .O pulgadas de diámetro, con tapones en los extremos y salidas de 3/4" de diámetro. A este dispositivo se le adaptaron 5 resistencias de 400W cada una para poder alternar su usó, y reducir SU

mantenimiento Para un funcionaraiento más eficiente se

Complement6 con un,control-indicador de temperatura.

. Por parte de los talleres del Instituto se instaló un tablero, con los tomacorriente, e interruptores necesarios y un techo para protección del equipo eiectromec8nico.

I .

r .

I

. 1

f ; J i . J

$f

8

fg ,!# :*g

.

I ... I .,.. . ,?

2 . OBJETIVOS *

2.1. Operar el reactor tipo UASB a nivel piloto, para continuar 1.a producción de lodos de inóculo anaerobio.

2.2. Escalar. las condiciones de operaci6n ! seleccionadas en laboratorio.

2.3. Identificar e instalar l o s arreglos mecdnicos e hidr6ulicos necesarios para asegurar la continuidad del proceso, aumentando la calidad y cantidad de la produccidn de lodo5 de inóculo.

,:y,.. ::,x.

. :;, :&%

e

. ,,. .+- ' +.$ f.'.. < ?,:f; 5 ; ,., .I I .,

"y. . . .I . .. ' ..

1 ?&

...>'f; '1C . &I ,.I,%

iQ

,

i: 'ni; ' f.:+$

,i.$$ < .ad

;:t

~,

*

. I

3 INTRODUCCION . En MBxico, en general las aguas residuales son

tratadas en forma aerobia y principalmente por el sistema conocido como lodos activados, el cual puede tratar dichas aguas. en forma eficiente, cuando es operado en forma adecuada. Desafortunadamente, rara vez son bien

' operados y ademds los costos de instalación, operacidn y mantenimiento que presentan son elevados

Los procesos aerobios generan gran cantidad de biomasa, parte de la cual tiene que ser desechada del sistema como lodos de purga. En México, dichos lodos

' rara vez reciben un tratamiento;' la práctica más común consiste en verterlos bien sea en el drenaje (D.F.), en algún cuerpo receptor (rio, lago, etc. ) o en terrenos en donde sufren una putrefacción representando a s i un foco contaminante

Una forma adecuada para disponer de los lodos de ' purga es el tratarlos por medio de la digestidn w

t anaerobia, lo que permite su estabilizacibn, para que posteriormente se disponga de ellos sin que representen un peligro para el medio ambiente.

La digestión anaerobia no sólo se limita al tratamiento de lodos de purga; cualquier agúa residual susceptible de ser tratada por sistemas aerobios también puede ser tratada de forma anaerobia con eficiencias similares y con costos mucho menores. Una comparación de los costos de operación, considerando la energía requerida por e,l sistema, la disposición de la biomasa generada en lechos. de secado y la obtención de un subproducto (CH4), arroja en general una .diferencia de

./

. .

t

, .I

:r .. . I .- ,

160 $ 1 (dolares) menos por tonelada de DQO tratada para los sistemas anaerobios que para los aerobios (Speece, 1983). 4

Dentro de los sistemas anaerobios, los reactores del tipo lecho de lodos de flujo ascendente (UASB por sus siglas en inglés) parecen ser los idóneos ya que además de las ventajas inherentes a la digestión anaerobia presentan una construcción relativamente simple, 'no requieren material de soporte ni equipo electromecdnico, con excepción de la bomba de alimentación. Además, por tener una alta concentración de microorganismos en su interior, soportan altas cargas orgánicas y muestran una baja sensibilidad a los cambios de alimentación

. .

Esta forma de tratamiento, prácticamente inexistente en México representac por los bajos costos y altas eficiencias - que implica una respuesta a la creciente necesidad de tratar las aguas residuales que se generan en el pais. S i n embargo, para poder difundir este tipo de tratamiento es necesario superar la desventaja má5 importante que tienen los sistemas anaerobios que es su. largo tiempo de arranque. Esta etapa puede ser acelerada en forma notable si se cuenta con un buen inóculo.

Se ha establecido que el mejor inóculo para un reactor UASB son los lodos provenientes de otro reactor del mismo tipo y que trate aguas de desecho similares. Al no ser posible contar con un inóculo, granular, se han buscado fuentes alternativas del mismo. Aparentemente la mejor opción la ofrecen los lodos activados de purga adaptados en anaerobiosis (Arias y Noyola, 1988; Garcia et al, 1988; Wu et al, 1986). '

En este .. trabajo se presentan áctividades tendientes a la producción de inóculo adecuado para sembrar reactores tipo UASB. . .

i

I '

.l..

x

4-ANTECEDENTES

Ha sido desde hace muy poco que la via anaerobia recibe la debida atención como una alternativa de' ,

tratamiento de aguas de deshecho. Esta creciente popularidad pude deberse a que el tratamiento anaerobio -combina un importante nrimero de beneficios con pocos inconvenientes en comparación con los sistemas aerobios convencionales (Lettinga et al; 1983) . S;:,.

, a

I , ,

>:..

.v:

:>

La digestión anaerobia ha sido aplicada a efluentes . tales como agua. de desecho de procesadoras de alimentos, aguas de desecho muy diluidas e incluso a efluentes mas complejos como los de la industria del papel y los de la extraccióir del carbbn. Las bacterias .t ,

anaerobias también han sido capaces de biodegradar 4 , sustancias tóxicas a concentraciones bajas- y medias !i (fenol j~ 2000 mg/l, formaldehído p 400 mg/l ) , con una aclimatacidn previa (Speece, 1983).

..+N

' i .

!$ i

+. . c ,

e :+ ' * . i *?' #, a & I

La aceptación de la anaerobiosis como método de ; tratamiento se basa en Los significativos avances en el desarrollo de reactores y la exitosa aplicación del ..ir I

4.: :-c : ::.: -T.._ :.a :p

- .*

'.*

tratamiento anaerobio, simple y económico, todo esto apoyado en los adelantos que se han dado en la coyprensión de la biocenosis implicada en este proceso

ILettinga et al, 1983; Speece,1983).

Entre los beneficios que presenta la digestión anaerobia se encgentra el de ser más econdmica q-ue los procesos de tratamiento aerobio tanto en instalación como en operación y mantenimiento. Una'comparación de la

. . .

energía requerida para la operacidn de un sistema anaerobio y un. de lodos activados arroja datos significativos al respecto (véase Tabla 1).

como se puede observar el proceso anaerobio, no s610 requiere de un consumo menor de energía, sin0 que ademas proporciona energía, como un subproducto del tratamiento.

Tabla 1. Comparación del consumo de energía entre el tratamiento aerobio y anaerobio.(Lettinga et al; 1982)

SISTEMA AEROBIO .. SITEMA ANAEROBIO

0.8 a 1.0 KgO,/KgDQO "e

0.5 a 1.0 KWh/Kg02 "m

400 a 1000KWh/lOOOkgDQO 7 a 15KWh/lOOOKgDQO

Oxígeno requerido

Consumo de energía

14.40 a 3600MJelect/lOOOKgDQO 25 a 54MJe~ect/1000k~DQ0 Producción Be energia

I 185 a 305m3Ch4 (PTN)/lOOOkgDQO 6720 a 11130MJ CHA/lOOOKaDQO

En la etapa que se encuentra actualmente la tecnologia anaerobia, son pocas las desventajas que no han podido ser superadas, siendo la más relevante el hecho de que el arranque dei proceso es lento. Esto se explica por la baja síntzsis celular que pyesentan los microorganismos anaerobios; para alcanzar a cantidad de biornasa necesaria para el correcto fruncionamiento del reactor pueden pasar de 3 a 6 meses. Sin embargo, es. posible acelerar- esta etapa si se cuenta con el inóculo adecuado. La obtención de éste será tratado'más adelante.

f

. .

1 '

.. , .- .

. Se ha mencionado que uno de los factores que ha contribuido a la aceptación de la digestión anaerchia es el avance logrado5 en la comprensi6n de la comunidad microbiana encargada de efectuar el proceso de conversión de materia orgdnica por esta vía metabdlica.

.:. , .

4.1 Proceso de Conversih. La materia orgánica presente en el agua residual

es transformada en metano por una comunidad heterogénea compuesta de bacterias no metanogenicas (Quimioheterótrofas) Y bacterias metanog6nicas (Quimioheterótrofas y autótrofas); dicho proceso puede ser. explicado por el diagrama propuesto por Kaspar en 1977 (Gujer & Zehnder 1983) Vease figura 4.1.

La materia orgdnica compleja (biopolimeros) , como proteinas, carbohidratos y lipidos que se encuentra en el agua residual, en general no puede ser asimilada. por las bacterias hasta que sea hidr6lizada por acción de enzimas extracelulares (producidas Po= las bacterias fermentativas), a polímeros más simples ' y monómeros orgánicos solubles. Tales sustancias pueden entonces ser utilizadas por los organismos fermentadores'"(aminodcidos y azucares) y por oxidantes (bcidos grasos) . En esta, ,etapa son producidos acetato, hidrógeno y compuestos intermedios, estos últimos provenientes de la fermentaci6n. Los compuestos intermedios (dcidos grasos ' I

volátiles como propionato y butirato) , son finalmente ."*,

transform'ados, por otro grupo de oxidantes anaerobios, en '. .;.. . , q

acetato e hidrógeno que son los precursores del metano. ! .$

Dos sistemas microbianos distintos se encargan de convertir el acetato y el hidrógeno en metano. El primero constituido por las bacterias conocidas como metanogénicas acetoclásticas, siendo más importante en- magnitud, ya que se estima que el setenta por ciento .del metano proviene de la decarboxilación . . del acetato. El

;t I

?*I. ' ::. ' :.; '

'e ! . .

P .. ,

. i

, I,,

. , :. , , >:

,,: . , , I

':. ' ' , . . I:

y$, ~

;,:$ ::'$ , .: $

... .. 4.

:4

:.:.'. Ll"l . .

- . ..,

* ,

:r -

segundo grupo es el de bacterias metanogénicas hidrogenófilas. .

Oentro del proceso de conversión son . identificables seis etapas (ver Fig.4.1) i

1, Hidrólisis de biopolimeros a) proteínas, b) Carbohidratos, c) Lípidos.

2. Fementaci6n de amino&cidos y azdcares a acetato, hidrógeno y productos intermedios,

3. Oxidación anaerobia de acidos grasos y alcholes de cadenas largas,

4. Oxidación anaerobia de productos intermedios, i

i

como ácidos voldtiles (excepto acetato). .

5. Conversión 'de acetato a metano,

6. Conversión de hidrbgeno a metano.

Hay algunos detalles dentro del proceso que

merecen especial atencibn. Uno es la dependencia de los oxidantes anaerobios sobre las bacterias hLdogenófilas. La obtención de hidrógeno en esta etapa proviene de la oxidación de Piridin dinucleótidos reducidos (NAD(P)H); esta reacción tiene un potencial redox de -0.32 v a pH =

7 (Wolin, 1976 citado. por Gujer & Zehnder, 1 9 8 3 ) , que con base en consideracjpnes termodinámicas se verá inhibida por presiones parciales elevadas' de H2. Tales condiciones definen la interrelación entre los oxidantes anaerobios y oxidantes beta, también conocidos como bacterias acetogénicas productoras obligadas de hidrcSgeno(0HPA por sus siglas en inglés) ,por un lado y las bacterias metanogénicas hidogenófilas. Estas últimas

/

j,

Y .

L

I

-1 I Carbohidrotor I 1-1

Fermentación

I I

Productos intcrmrdior propionoto, but irato . .

1 I

S436

Oxidoc iÓn onaerobia

AcetotrÓficas

100 “10 D O0

. .

Figura 4.1. Diagrama del proceso de conversidn de la materia orgsnica particulada a metano. (Gujer & Zehnder; ’1983).

*

I

I

r. c

se encargan de consumir el hidrógeno -producido por las OHPA, manteniendo la presión parcial de dicho gas a niveles adecuados y asi propician las condicione% terrnodin6micas necesarias para que la conversidn de los ácidos superiores en acetato e hidrógeno pueda ser consumada. Este tipo de relación entre dos especies se le conoce como sintrofía.

La degradacien de NAD(P)H y los dcidos superiores sa lleva a cabo de acuerdo a la siguiente reacción (oxidación beta) (Jeris & McCarty, 1965, citados por Gujer & Zehnder 1983).

Existe otro grupo de oxidantes anaerobios que se encargan de consumir los productos intermedios, ácidos grasos volAtiles provenientes de la fermentación (butirato y propionato), para producir acetato e hidrógeno. El butirato-se cree que es degradado de la misma forma que los ácidos de cadenas m6s largas de acuerdo a la reacción anterior (a)

Sin embargo, el propionato no parece ser degradado de la misma manera. Kaspar & Wuhrman propusieron la siguiente reaccidn para la degradación del propionato (Gujer & Zehnder, 1983):

CH3COO- + HC03- + H+ + 3Hz

. . : 7 ; a armonía entre oxidación del propionato, desc boxilación del acetato y oxidación del hidrógeno es crucial para un proceso de digestión anaerobia estable. Las condiciones óptimas para las tres reacciones son muy limitadas y ., principalmente controladas por la concentración de propionato, acetato e hidrógeno libres. En un digestor estabilizado las . . concentraciones típicas

3r

Y

0. .

de acetato y propionato oscilan entre loo4 y mol con presiones parciales de hidrógeno inferiores a bar. S610 entonces las condiciones termodin6micas para la degradación del.propionato son satisfechas.

Los sistemas biológicos son susceptibles de fallar por una mala nutrición de l o s microorganismos. Cuando un sistema anaerobio no funciona adecuadamente y se incrementan los niveles de ácidos orgánicos de cadena larga incluyendo al propiónico, se puede deber a dos causas:

1.- Mala nutrición de los organismos acetogénicos (OHPA) encargados de convertir dcidos superiores y productos intermedios de degradación en acetato.

2 .- Mala nutricidn de los metanogénicos hidrogenófilicos, encargados de mantener un nivel de hidrdgeno suficientemente bajo para que sea termodinámicante posible la reacción de conversión de dcidos superiores a acetato.

I

. Por otra parte, altos niveles de .acetato indican una mala nutricidn de las bacterias acetocldsticas.

Las necesidages .de la comunidad anaerobia para su desarrollo han sido tipificadas y presentan las siguientes características:

El requerimiento de nitrógeno para el proceso anaerobio es una pequeña fracción, entre 20 y 50%, de aquel requerido para el proceso aerobio. A slf vez el requerimiento de fdsforo es.aproximadamente 1 15% del requerimieneo de nitrógeno. El contenido de azufre en las celulas anaerobias es de aproximadamente el 2.6% - Materia orgánica seca (Speece, 1983).

La relación C:N:P:S, está definida por ¡a sintesis celular ; dicha relacion para . . ,el 'caso de la anaerobiosis

7

9 a.

* . *,r *

.I,

. .

es 100:5:1:1, mientras que para las bacterias aerobias es 30:5: 1: 1. Esto se debe a que los organismos anaerobios

!

presentan una menor síntesis celular.

\

En muchos estudios de tratamiento anaerobio, la causa de malos resultados -aparentemente- fue la ausencia de nutrientes traza, entre los cuales hierro, cobalto, nickel, y sulfur0 han sido probados como nutrientes obligatorios; molibdeno, tungstenó (wolframio) y selenio también se reportan como metales traza requeridos. El extracto de levadura es frecuentemente usado como proveedor de nutrientes traza (Speece,1983).

Adem&s de los nutrientes, existen otros factores ambientales que influyen en la digestión anaerobia como: pH, alcalinidad, temperatura, compuestos tóxicos.

1

pH: El tratamiento anaerobio puede desarrollarse correctamente dentro de un pequeño intervalo de variación en el pH, 6.2 a 7.8, con el 6ptimo entre 7. O y 7.2 (McCarty, 1964) . Fuera de este rango la digestidn puede continuar aunque en forma muy inef iciente hasta un pH de 6.2 en dande las bacterias *metanogénicas son'.afectadas severamente. La influencia del. pH sobre el proceso está relacionada con la concentración de Acidos grasos voldtiles, ,ya que éstos son tóxicos en su forma no ionizada y a medida que. baja el pH la fracción de ácidos no disociados aumenta.

I

Las ' bacterias acidogénicas paseen una mayor actividad que las metamogénicas, lo cual puede provocar bajas en el pH por acumulación de ácidos. El sistema rea.=ciona ante estas situaciones mediante la alcalinidad que es su medio. amortiguador. Una alcalinidad relativamente alta (superior a 1000 mg/l); es indispensable para evitar cambios repentinos en el pH

.

I

L

.

(Rojas 1988; Jonguitud et al, 19823, y permitir que e l

sistema pueda seguir operando adecuadamente. . Temperatura: la temperatura dptima para el

crecimiento de bacterias metanogknicas es de 37OC para el intervalo mesofilico con, sus límites entre 30 y 4OoC

(McCarty, 1964) En este rango es donde se presenta el mayor desarrollo de biomasa. Por ' otra parte, la temperatura tiene efectos sobre el tiempo que requiere el tratemiento. En el. intervalo termofilico (SO-6O0C ) es donde se encontró el menor tiempo, pero las dificultades en la practica hacen que el operar 'un sistema en éste intekalo sea altamente problemático (Jonguitud et al,

Compuestos tóxicos: Los organismos anaerobios encargados de la degradacidn de la materia orgánica pueden ser inhibidos por la presencias de sustancias tóxicas.

1982) .

Generalmente l o s tóxicos presentes en l a s aguas residuales tienen bajas concentraciones, razón por la cual ejercen sobre la biota metanogenicas un efecto bacteriost6tico reversible; tales compuestos se pueden agrupar en tres categoría's:

-Compuestos cuya toxicidad est& relacionada con el pH, como .&cidos grasos volbtiles, amoniaco y H2S.

-Compuestos con m a inmediata e irreversible toxicidad, como solventes organices y algunos venenos fuertes .

-Compuestos cuya conqentración los definir& como tóxicos o no tóxicos, comy l o s iones metálicos.

I 4 . 2 Tipos de Reactores. ,Para llevar a cabo la digestión anaerobia se han

propuesto una serie de configuraciones diferentes que buscan optimizar el proceso. Tales configuraciones pueden ser agrupadas por la forma en que se encuentra la biomasa en su interior o bien por el grado de evolución tecnológica cpe presentan. En el primer caso, se distinguen dos grandes bloques: reactores con crecimiento celular en suspensión y reactores con biomasa fija.

Por otra parte, y de acuerdo a la evolución tecnológica de la anaerobiosis, se presentan tres generaciones de reactores: La primera comprende aquellos procesos en donde la biomasa se encuentra en suspensión; en la segunda generación,' los microorganismos son retenidos en el reactor, ya al proporcionarles un medio de soporte para que se adhieran 'en forma de biopelícula, o bien por medio de su sedimentación; l o s reactores de tercera generación tambih son de biomasa fija, pero el soporte es expandido o fluidizado. con altas velocidades de flujo.

\~

4.2.1 Reactores Anaerobios de primera generación. San aquellos reactores con crecimientos celular en

suspensión; presentan periodos de retención .largos (desde 4 hasta más de 30 días), lo que repercute directamente en el tamafio de los reactores.

Fosa séptica: Puede considerarse como un digestor convencional a escala muy reducida en donde las condiciones anaerobias estrictas no siempre son cumplidas, ya que existen zonas anóxicas. Su función primordial es la hidr6lisis de la materia orgánica en suspensión. Para lograr una buena eficiencia es necesario que la fosa descargue en un sistema de zanjas de absorcidn colocadas en el suelo, el cual se encargará de realizar la estabilización de la materia orgánica.

<

. .

Tanque Imhoff: Es uil sistema- que crea dos compartimientos distintos, el de decantación y el de digestión. Esto impide que los productos de Ib hidrólisis sean evacuados con el efluentes lo que se traduce en mejores eficiencias de tratamiento.

Lagunas Anaerobias: Se trata de estanques profundos (hasta 1C metros), en donde las condiciones anaerobias prevalecen, excepto en una pequeña zona de la superficie. Las condiciones meteorológicas influencían grandemente la operacidn de estos sistemas, registrandose una baja sensible en la eficiencia 'durante el periodo invernal. Los malos olores asociados a estos sistemas son un punto particularmente problematico. Los tiempos de retención son muy variables, en general gayores a 7 dias .

Digestor Convencional: Este sistema se ha aplicado principalmente para la estabilizaci6n de los lodos de purga del proceso lodos activados. Consta de un tanque cerrado s i n agitación ni calentamiento, en donde el desecho a tratar se estratifica en zonas definidas. La parte donde se lleva a cabo la mayor actividad microbiana representa aproximadamente el 30% del reactor. Presenta bajas

trata en la

eficiencias, y su volumen es considerable. '. j

Digestor .'Anaerobio completamente mezclado: Se de una variante realizada al digestor convencional, E

cual se introdujo un mezclado vigoroso del medio de *>.',I

, ,

. I

' i . . -

reaccióq-,asi como un sistema de calentamiento. Con estas modifpaciones se logró mayor eficiencia en la remoción <; (. de materia orgánica. Debido a la mezcla, el efluente presenta un alto contenido de sólidos suspendidos, por lo

i , r ! , S .. . . I _ /

. ,'

<,' . ,

que se desarrollci una digestor completamente

variante que une en serie un mezclado con un digestor

v

:. I t

i'

a. . .

u .

". . . _"

convencional; en este último se realiza la decantación de &lidos. .

Digesti6n.de dos etapas: La diferencia en tasas de !

. crecimiento y en requerimientos ambientales entre las [

1, bacterias fermentativas y las metanogénicas sugirieron la idea de separarlas fisicamente, optimizando cada una de las dos etapas o fases. En la primera etapa se lleva a .

cabo la aoidogénesis (pH 6.6) , el tiempo de retencidn de este reactor es menor de 1 4 horas. La segunda fase es la correspondiente a la metanización; el tiempo de permanencia en estkreactor es mayor 6 10 días.

I'

!.

Reactores de contacto anaerobio: Consiste en un k

reactor completamente mezclado acoplado a un sedimentador que separa la biomasa y dsta es recirculada al reactor. . t

Con esto se logra independizar al tiempo de retención l,

'celular del.tiempo de retención hidráulico, permitiendo un incremento del primero sin que la permanencia del agua en el reactor se modifique, lo cual se ve reflejado en menores'volumenes del reactor y en mayor estabilidad del proceso. El tiempo de. retencidn hidráulico es del orden

4:

1

i i.

e de 5 días y y 30 días. activados.

el tiempo de retención celular varía entre 15 Es e1,equivalente anaerobio de los lodos

4.2 .2 Reactores anaerobios de segunda generación. El progreso en este tipo de reactores se

manifiesta en tiempos de retención hidráulicos sustancialmente menores (de 0.5 a 3 días), lo que, ,implica una importante reducción en los voluqenes una mayor estabilidad y facilidad en su operación. Esto se logra al retener la biomasa dentro del reactor mediante la fijación- de una pelicula de nicroorganismos 'sobre medios de soporte, o bien por medio de la sedimentación de floculos ..microbianos con buenas

de Yeactor, y

. * .-

3

f r 1

características de decantaci6q. Con esto, la limitación provocada por la reducida tasa de crecimiento de las bacterias anaerobias es prhticamente eliminada. 4

Filtro anaerobio: El filtro anaerobio fue introducido por Young y McCarty (1969) . Consiste en un reactor .de flujo ascendente empacado con soportes de pldstico o piedra (3 a 5 cm de diámetro) . Inicialmente recomendado para sustratos solubles y medianamente concentrados, se ha aplicado a una amplia gama de sustratos y concentraciones. Este reactor puede soportar cargas de hasta 10 kgDQO/m3d. Como 'la distribución del soporte es desordenada, la relacidn que existe entre la superficie de contacto y el volumen puede en algunos casos ser menor a 100 m /m . 2 3

Reactor tubular de película fija: Van den Berg. y Lent2 (1979) desarrollaron un reactor tubular de flujo ascendente o descendente. El soporte utilizado en este caso consiste de tubos o placas dispuestas de tal forma que se crean canales verticales. Con el ordenamiento del material de soporte se logran superficies de contacto importantes; - por lo tanto, la relacien área/volumen es

hasta 30 kgDQO/m3d.

buena ( 150 m 2 3 /m ) . Las cargas orgánicas pueden alcanzar ,

Reactor anaerobio de lecho de lodos con flujo ascendente (UASB) : Lettinga presenta un reactor de película biológica pero sin medio de soporte en el cual la biomasa s'e aglomera para formar granos o llpelletstl de hasta 5mm de diámetro. Su principio de funcionamiento se basa en Ia buena sedimentabilidad de l o s granos formados

. dentro del reactor. Estos granos cuentan además con una. ' alta actividad metanogénica, lo que explica buenos resultados del proceso. El reactor, como su nombre lo indica, es de flujo ascendente y en la parte superior

, .

*, -.

_L

est& provisto de un sistema de separación sblido-liquido- gas, el cual evita el arrastre de l o s sólidos suspendidos en el efluente y favorece la evacuación del gas. Uh

. punto muy importante en el diseño es la distribución de las entradas de agua residual, ya que una mala repartición puede provocar que ciertas zonas de 13 cama de lodos no sean alimentadas, desperdiciando a , s i su actividad.

El no requerir material de empaque es su principal ventaja, lo que se traduce . en menores costos: ademas puede soportar cargas altas, hasta 40 kgDQO/m3d.

. Por otro parte, el punto dgbil del proceso es la lentitud con que se forman los granos, elemento indispensable del sistema. Esto puede ser solucionado mediante una inoculación adecuada.

4 - 2 . 3 Reactores anaerobios de tercera generaci6n. Estos reactores se encuentran adn en nivel piloto

o semi-industrial. Son reactores de biomasa fija, pero el soporte utilizado es lo suficientemente pequeño y ligero para que pueda ser fluidizado con altas velocidades de f l u j o . Presentan tiempos de retencidn ,menores a- 12 horas, la superficie de soporte es muy elevada y no presenta problemas de taponamiento. Sus grandes desventajas son la energía requerida para fluidificar el medio y su operacidn delicada. su desempeño ha sido prometedor en laboratorio pero no asi en escala piloto, por .lo menos en el caso de agua residual doméstica (Jewel1 e?,-al 1981; Switzenbaum et al 1984 citados por Noyola, 1989) . /

Lecho fluidizado: Este reactor desarrollado por zTeris (1982), .. aprovecha el flujo ascendente para fluidizar un lecho de arena, haciendo que 'se incremente el volumen que ocupa más de 50%. La superficie de soporte

.( - ,. .

2 3 *disponible es mayor a 200 m /m . Puede soportar cargas superiores a 40 kgDQO/rn3d.

! . .

0

Lecho expandido: Jewel1 en -1982 (Speece, 1983) desarrolló un reactor de lecho expandido, el cual usa un flujo ascendente menor al requerido por .el lecho fluidiiado, ya que el soporte aumenta el volumen ocupado en un 20%. En general presenta las mismas características que el lecho fluidizado.

En el estado actual de la biotecnologia para el tratamiento de aguas residuales; los reactores anaerobios de segunda generación ofrecen la alternativa mas atractiva de tratamiento, en comparación con las otras dos generaciones, ya que los de primera generación ocupan

' una gran cantidad de espacio y no todos tienen una .eficiencia aceptable: mientras tanto, los reactores de tercera generacidn se encuentran todavía en un nivel de desarrollo.

Dentro de los reactores de segunda generación, el UASB parece ser el mas prometedor ya que puede soportar altas cargas orgfinicas. .'Ademas, requiere la menor inversión, por no' necesitar material de ,soporte para la fijación de la pelicula.

4.3 Inóculo

4 . 3 . 1 Importancia del inócul O

como se ha explicado brevemente en el inicio de ... este capítulo, las bacterias anaerobias presentan una

síntesis -celular muy baja que se refleja en tasas de crecimiento reducidas. El crecimiento lento de los microorganismos anaerobios afecta directamente al proceso de arranque del reactor, ya que de no contar con un buen

inóculo, el 'periodo que tarda .la biomasa en alcanzar la cantidad necesaria para el correcto funcionamiento de un digestor anaerobio puede durar hasta 6 meses. Por tal motivo, es importante contar con un inóculo adecuado, tanto en calidad corno en cantidad, que permita acelerar la etapa de arranque del proceso.

4.3.2 Obtención del inóculo El desempeño de un reactor depende de las

caracteristicas de los lodos que contenga. Para el caso del reactor UASB, un buen lodo debe tener buena sedimentabilidad, alta actividad metanogenica y forma granular. El material idóneo para la inoculación del UASB son los lodos provenientes de otro reactor del tipo 1echo.de lodos que trate aguas de desecho similares. Sin embargo, dado que estos reactores no se encuentran en México, la obtención de inóculo por este método no es viable, por lo que se han tenido que buscar fuentes alternativas de inóculo.

Se han realizado inoculaciones utilizando diversas fuentes tales como lodos de tanques de vinazas, lodos de separadores de grasas, lodos granulares de digestores piloto en operacibn, líquido de fermentación de pulpa de caf8, sedimentos de ríos, lodos de fosa séptica (Garcia et al 1988; citado por Gonzalez Ugalde, 1988), lodos activados de purga adaptados y estiercol de vaca. Las mejores opciones a l o s lodos granulados para inóculo son lodos de fosa s8ptica y el lodd activado adaptado (

Noyola y.:?riones, 1988), Se ha demostrado que es factible la trysformaci6n de lodos aerobios en inóculo de reactores UASB (Wu et al, 1986; Arias y Noyola, 1988) y el lodo obtenlhlo, presenta características que lo hace adecuado para ,inocular reactores anaerobios del tipo lecho de lodos (Sanchez, 1988)

En el ihstituto de Ingenieria -UNAM se realizó un estudio enfocado a la transformación de los lodos activados de purga en inóculo anaerobio para reactore9 UASB (S&nchez,1988), tratando que este tuviera una buena sedimentabilidad, alta actividad metanogénica, , alta capacidad de remocidn de sustrato y buen contenido de biomasa activa. Para obtenerlo se empleó un reactor tipo UAS'B, a escala laboratorio de 5.6 L, operado a 35B2'C. Se hicieron tres corridas alimentando el reactor con lodos activados en diferentes diluciones: sin diluir, dilucidn 1:l y dilución 1:lO.

Con base en los resuitados obtenidos, se evaluaron las corridas para determinar en cual se produjo el indculo de mejor calidad. Se -encontró que en la segunda corrida se obtuvo un lodo con mejor sedimentabilidad, produccfdn de gas y conformación granular. La corrida se efectao bajo las siguientes condiciones (Sanchez, 1988):

-Velocidad ascensional. 0.02 m/h. -Concentración de lodos en la alimentación 1.68

gSST/l. '

-Car:ya organica de lodos. 1.264 gSST/ld. -Tiempo de retención 4idráulico 1.15 días. Posteriormente, como continuación del estudio, se

realizo un trabajo encaminado a obtener un lodo de características idóneas para inocular reactores anaerobios del tipo lecho de lodos, considerando el efecto de una ligera agitación del manto de lodos sobre los parametros que definen a buen inóculo (González Ugalde, 1988) . Para tal propósito se efectuprón 2 corridas usando lodos activados frescos diluidos con agua cruda provenente del desarenador de la planta de tratamiento de aguas residuales de Ciudad Universitaria. Las condiciones de operación se muestran en la siguiente tabla.

/

Tabla 4.3.2 Condiciones de operación del reactor .. >

UASB de laboratorio (Gonzdlez Ugalde, 1988)

t criterios "Diluci6n (1 lodo/l agua)

"Gasto (l/h) *

"TRH (días)

'Velocidad ascencional (m/h) m Temperatura ( OC)

Carga orgdnica (gSST/l . d)

Duración (días)

'Rompimiento macdnico de natas

lacorrida

lor20

0 . 8 4 ,

28 . O 0

0.28

o . 12

35.00

2.70

no

2.acorrida - 10:20

0.84

28.00

o.ia 0.12

35.00

4.00

si - , .-: '

Con base en los resultados que arrojó el estudio, se establecid que el lodo obtenido a alta carga orgdnica, velocidad ascencipnal relativamente, elevada y con agitación, presenta una sedimentabilidad e indice volum4trico de lodos que lo hacen adecuado para inocular reactores anaerobios de tipo de lecho de lodos ( I V b 70

.

ml/g) Apartir de este estudio se procedió al

escalamiento a nivel piloto. A nivel piloto se trabajó en un reactor de 600 .

litros de polietileno, aislado y alimentado con lodos de la caja partidora del tanque de aeración de la Planta de Tratamiento-de Ciudad Universitaria (PTCU). Esté reactor funciona a 3OoC, con 3 días de tiempo de residencia . hidráulica, y agitado a 3 rpm. Algunos de los resultados se muestran en la Tabla 4.3.3. La eficiencia global

.* 8 .

.. . .

durante esta etapa fue de 92% de remoción de DQO; el -~ indice de lodos IVG320 ml/g est6 lejos de los valores recomendados (inferior a 80 ml/g) . Sin embargo, es- indice se abatió al almacenar los lodos 15 días

. obteniendose un IV-35 ml/g. La apariencia de los lodos presentaron una textura granular floculenta. (Calderón, 1988).

En este miSmo reactor tuvo lugar una corrida de 152 días durante los cuales se alimentó en promedio 197.8 l/día, con temperatura promedio en el lecho de 32OC

y un TRH de 3. días. Algunos de los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 4.. 3 . 4 . La éficiencia global de remocidn de DQO fue del 9 1 % , y los lodos producidos tenían una velocidad de sedimentacidn de 2.51 m/h. Los lodos no tienen el IVL recomendado pero éste se alcanzo con sólo 8 días de maduración, favoreciendo con esto la formacidn del grano (Miirquez, 1989).

i

‘, I -

,

Tabla 4 i 3 . 3 comparacion de las condiciones de operación para . . I . ,.I

PARAMETRO I TEMPERATURA optimo

Rango general de operaci6n. d

D

,

PH Optimo

Limites generales'

PRODUCCION DE GAB' Por Kg de SSV infl

,

COMPOSICION DE 1

688 Metano , ,

CONCENTRACION ALCASINIDAD Operacidn nomal

I

1

CAMA DE SOLID08 VOLATILES Tipo convencional'

S

REDUCCION DE SOLIDOS VOLATILES'

35OC

19' Inf. 27' E f l . 32'. Interior.

7.0

7.03 Efl. 7.08 Inf.

o . 5m3 (TPN) 54%

374 mg/l

O . 85 KgSS.V/m3/d

os mezclado UASB

15 . 9OC Inf. 25.8:C

E f l . 29.6 C Interior.

6.2 - 7.8

o . 091 m3 (TPN)

70%

542 mg/1

O . 037 KgSSV/m3/d

* .

73%

. 5. CARACTERISTICAS DEL =ACTOR . .

5.1.Descripción del dispositivo experimental b .. .:I . . El sistema a escala piloto fue construido y .i

.presente trabajo se hicierón madificaciones, que ,serdn . . *:

detalladas más adelante. .:, ~ .{

El cuerpo del reactor esta formado por un tanque - '*

cilindrico con una tolva inferior en polietileno'de alta I.' .:

. .* '

cs.!;

operado por Calder6n (1988) y Mdrquez (1989) . En el ?!? t..' 1

' .,!

:'"

1 A-

. ,.

. .

":, 2 ' q . .., . .I . .

_ . . ..1 '.. %

densidad, y tiene un volumen nominal de 600 L. El tanque , P

.t' se encuentra montado en una estructtlra metálica que lo :Y

I ,,,'4

sitúa a 60 cm del suelo (Fig 5.1.). Como se trata de un . * ; B A / ,

reactor tipo UASB, la alimentación se efectúa por su a :.1

parte inferior a fin de permitir el flujo ascendente.

.9

'.,%

, :w

Este reactor, a diferencia del reactor UASB tradicional, presenta 4 puntos perimetrales para la . descarga de agua y lodos flotados, situados a una distancia de 0/4 entre si y a 16 cm por debajo de la arista superior del reactor. En cada uno de estos puntos se conectó' 'un tubo de PVC (DN 6") el cual ademds de permitir la salida del efluente por la parte superior, funciona .como clarificador y en su momento, cuando el

I , 3 manto de lodos alcanza la unión entre el reactor y los tubos, es capaz .de acumular, en su interior, el. lodo .q .+ producido. '"4y1

!?$

,..$

4 . :-.; ,~ I

La evacuacion de los lodos sedimentados que ya no - ..f , . forman parte del volumen activo del UASB, se lleva a cabo

por vdlvulas de esfera (DN l"), colocadas en el fondo de cada tubo. Estos tubos se hallan unidos al reactor por coples, tipo I V Y 8 @ , de tal forma que la rama angulada o secundaria de 1.a pieza se insertó en los orificios practicados al reactor (Fig 5.2). Para evitar el desprendimiento de los tubos del reactor por efecto del

/

I22 m

"- o Dlrn"- . . -+

F.- -- 0.41m.. +,

' I., , -

h

1

U

0.35 m,

i t

0.15m. b

1

I

. .

,

" . -.

i

I

1

.- . " ----- -

i

. ,

0.15m.

/-

*

peso que almacenan (aproximadamente 40 Kg más el peso del material), estos est6n soportados en la base con unos perfiles metálicos unidos a la estructura de metal. ( F i g 5.3)

' Debido a la necesidad de cuantificar la produccidn de gas, el reactor se encuentra perfectamente sellado para evitar fugas, Para obtener un sello adecuado en la boca del reactor, este cuenta en la parte superior con una tapa hermética y flejada.

Esta tapa hermetica esta oraaada en dos puntos, el primero al centro con dihmetro de dos pulgada para permitir a través de ella e l paso de la flecha del sistema de agitacidn. Para evitar que el gas escape por este punto, existe una via. que penetra por abajo del nivel del liquido, creando un sello hidráulico. El segundo orificio se ubica' hacia la periferia de la tapa y su función es conducir el biogds al dispositivo de medición donde se lleva a cabo el registro ,del gas producido; esto se logra a travis de una manguera de 1/2" de diAmetro. La Fig,S. 4 muestra el reactor hasta esta etapa . 5.2 Características del agitador

En reportes anteriores (Sánchez,1988; Gonzdlez Ugalde, 1 9 8 8 ) , se ha óbservado que las burbujas arrastran sólidos y pueden provocar la formación 'de natas y hacen flotar parte . d y i lecho de lodos. Por otra parte se establece que una ligera agitación de los lodos favorece la formación de un lodo con buenas características de sedirnentabilidad y compactaci6n (González Ugalde, 1988). Por esta razbn, se dispuso de un elemento que permitiera romper .las natas, así corno agitar levemente al manto de lodos . Este elemento (Fig 5.5) estaba originalmente

, . . /

-. .?

S < . ~ .'

.

motor

I 0.18m

.

O. 15 m .Ip I

/ /

I

!

constituido por una barra o flecha de acero al carbdn, recubierta por un tubo de 1/2" de PVC, La estructura principal estaba formada por tubos de PVC de 1/2 pulgada; unidos a la flecha en un dngulo de 45'. Las barras transversales eran cintas de pl6stico flexible, que estaban tensadas unicamente por grapas en los extremos.

El rompenatas o cepillo que se observa en la* parte superior era de acrilico de 3 m de espesor (lamina acanalada). Todo este sistema era impulsado por un motor eléctrico con motorreductor ajustable para que girara a 3 r p m .

5.3 Calentamiento Para que el reactor opere en el rango mesofílico,'

es necesarib- mantener la temperatura interior entre 3'0 y

4OoC. Como la temperatura promedio de los lodos de purga se encuentra en 16'C se requiere de un sistema de calefacción.

El reactor, a pesar de tener un área de transferencia de calor relativamente grande, presenta perdidas de calor por conducción pequeñas, ya que se encuentra aislado. La pdrdida más significativa de calor, esta representada por los tubos clarificadores, los, cuales estdn abiertos a la atmósfera y no fueron aislados en su totalidad.

Para estimar la potencia requerida se hizo el

Considerando 'm=l40ml/min = 2.33ml/s=2.33g/s

Cp=4.186 J/g°C (del agua a 16OC) Q=mCpAT

siguiente calculo.

. ~lT=26~C=(4'2~C-l6~C)

, . I

. .

El c6lculo tedrico ar.roj6 una potencia requerida $;j de 254W, que quedaría cubierta con 2 resistencias de 200W ' , :!

cada una. Sin embargo, la eficiencia de dstas era baja, esto debido a la disipación de calor hacia el exterior del cambiador de calor, así como a una capacidad . .

calorífica un poco mayor correspondiente a los lodos activados.

. I . .

I ,

.. . > *

!,.d.:

'., . I

. . 1 . ,

, I _ I

I ,,,; 1

.'I : y:q .' >f. : $<y

. .. ; ::; I ;. I

..S/

El calentador consiste de un niple de fierro galvanizado de 0.511 de diámetro y 50 cm de longitud, el cual' tenia enrrolladas 6 resistencias eléctricas

2;) !

...

. .

. .. . , flexibles de 200W de potencia cada una y divididas en 2 . ,

, I

.. .

sistemas independientes de 3 resistencias, las ' cuales .,

serían alternadas cada 24 horas, con el fin de prolongar 'i ' . . i

la vida tatil de las resistencias, ,.%'.I r .' i

./ I

Las resistencias se conectaron en paralelo. Cada .Y:

..:<S , ' .; Ij > , . .

._ I ,>< juego de resistencias. fue conectado a un interruptor y y. .. .., .

,'!$I ,.,,y,, . éste a su vez a un variador domtSstico de corriente (reostato de 1200W) que regulaba la cantidad de calor suministrado al influente. Para proteccidn y seguridad, una vez montado, el conjunto resistencia- niple fue aislado e impermeabilizado.

- 5.4 Distribucidn de equipo en planta El reactor esta instalado en la planta de

tratamiento de aguas residuales de Ciudad Universitaria, Fig 5.6 (area obscura).

El influente se toma de la caja partidora de la línea de recirculación de lodos act'yados. Al inicio de la linea de alimentaci6n se e cuentra colocada una rejilla a fin de impeair la, entrada de sólidos .:t

I

P , . .. .. ,

suspendidos de gran tamaño, corno ramillas y hojas (muy Qi frecuentes dentro del sistema de lodos activados de la planta) , los &ales podrían llegar's- obstruir la entrada ;

\ del reactor.

X !

GGi

;$

.l.,*,

. ,' . * ' . ,

. .

CAN D TAR I G ao TA COL BF CP SS CL C A W FG CAT CLO

CAN

@ 1

Colector cop i I C 0

"

4

I Colector . Institutos

D Colector zona antiguc

I

Línea 2

CÚrcomo de aguot negms Dcsareodor Tronsportodor de a r m s Indicador de gosto . Biodisco Tonque de mrocidn Cárcamo doble de Iodos . Biofiltro Cojo parTidoro Sedimentodor secundorio CÓrcamo de Iodos . . C+como agua de lavado y pluviales Filtro de gmvedad Cdrcorno de quos tmtodas Clorador

sp

1 J

Diagrama de. flujo de la PTCU

A cisterna de consumo

A tanque regulador de tormentas

La línea. de alimentación está construida con manguera tramada de 1/2 de didmetro. El transporte de lsdos se hace con una bomba peristdltica masterflex (Cole-Parmer) de 6 a 600 rpm y un cabezal No 24.

Después de .la. bomba, se encuentra colocado el calentador y finalmente el lodo ya caliente ingresa al reactor..

La producción de gas se medía con un gasómetro doméstico marca Kromschroder; capacidad de hasta 5 m3/h.

El diagrama del arreglo experimental anterior se presenta en la Fig. 5.7. Como se- mencionó, con este sistema trabajarón Calderón (1988) y Márquez (1989). A

continuación se presentan.las modificaciones realizadas a durante el presente trabajo.

I

J 1 1

J

I Lodor

= : 2.d: 5. Diagrama de flujo

6. ACTZVIDADES DESARROLLADA8 . 6.1 Instalaci6n de la recirculación

Al adoptar la recirculación se planteo como objetivo mejorar la calidad del grano mediante el aumento en la velocidad ascencional. Para la instalación de la recirculación se perforaron los tubos recolectores de 611DN, a 38 cm abajo de los orificios de descarga del agua. Utilizando conectores macho-hembra de 3/411 y empaques para lograr un buen sello, se conecto un tubo de 8 cm de longitud a un codo de 45'; que en su extremo opuesto tiene un tramo de tubo de' 15 cm orientado hacia la parte superior del reactor (en su interior) , con el fin de succionar los lodos fl-otados.

En el exterior de los tubos de 6", el conector esta unido a un codo de 90' del cual. sale un tubo de 60 cm de longitud antes. de un codo de 45O, que a su vez esta unido a un tubo de. 3 5 m antes de la rnangera que lo une al cilindro colector de las cuatro corrientes. (Fig 6.1)

Este cilindro de recolección esta formado por un * cople y dos tapas de 4 .Ot1, todo en PVC. Este aditamento

esta perforado enalos-tapas Rara,la entrada de l o s tubos de 3/4" y una salida de 1/2¡l que conecta a la bomba. Todas estas perforaciones estdn adaptadas a conectores macho-hembra y empaques en ambos extremos de la unión..

Para poner en funcionamiento este sistema fue necesario someterlo a una serie de pruebas hidráulicas, . ,- utilizando silicdn para corregir las Eugas, que fuer n numerosas.

9 El rompe natas y . la recirculación disminuyen la

acumulación de lodos en la parte superior del reactor. , recirculación toma el agua de la parte superior 'bprocurando mantener los lodos maduros fuera de su alcance

I

.

w Q

' i

Con objeto ' de protejer el grano de los esfuerzos cortantes del sistema de recirculación.

6.2 Modificaciones a la agitación

Ante la necesidad de modificar e l sistema de

i ~

I i

I

agitacidn (como se explica en la discusión), se llegó al diseño presentado en la Fig 6;2 . Las barras de aluminio í estdn colocadas de manera transversal, y sujetas a la !

barra eje por soleras de aluminio y tornillos de acero inoxidable, Para evitar que el esfuerzo al que se ve

i

i

sometidas pueda modificar su posición,' se les acondicionó con empaques entre el aluminio y la barra.

Este elemento tiene como objetivo: -No impulsar fuera del reactor lodos inmaduros. -Romper las fldculas asociadas COR burbujas, .que

son las responsables de la formación de natas en la superficie

Como rompe natas se utilizd lamina de aluminio, reforzada por solera en su parte inferior, y asegurada a la barra por una extensión de esta misma solera al rededor del tubo de 2" de diámetro, que conforma el sello hidráulico.

I

6.3 Control de temperatura Lo primero que se hizo en este sistema fue la

instalación de un control-indicador de temperatura, el cual permite establecer la temperatura a la que se desea tener el lecho y luego de alcanzar ésta, la mantiene constante (Fig 6.3). .I ~ .

-

El nuevo elemento calefactor/ es un niple de 4 . 0 "

de didmetro y 30 cm de largo cerrado en los extremos con tapas' de acero galvanizado. , Estas tienen acoplado un tubo de entrada :y salida de 3/411 de diámetro y 10 cm de largo

. 4 .

* .

4

I

I

. . . . ."

. 1

Las 5 resistencias son sumergibles ' (tipo cafeiera) , de 400W. En su colocación fue necesario aislar los extremos en contacto con eh tubo de acerb utilizdndose popotillo de cable eléctrico, con el fin de evitar cortos circuitos. Las resistencias se conectarón en paral.elo con interruptores para poder alternar su uso. Todo este sistema fue sometido a una serie de pruebas hidrtiulicas y eléctricas

Dentro de las ventajas que presenta este sistema esta la posibilidad de trabajar sólo las resistencias necesarias para mantener constante la temperatura, de esta manera se puede alternar el uso de las resistencias y alargar los intervalos de mantenimiento

Para evitar problemas con la acumulaci6n de residuos y la transferencia de calor, se colocó la unidad con una inclinacidn aproximada de 30' con respecto a la vertical. 6.4 Válvula Check

para evitar un vaciado accidental del reactor, se instaló una vdlvula check en la manguera de entrada al reactor. Esta vdlvula permite el paso $el influente hacia el reactor,_mk no su regreso por esta misma vía.

m reclrculación fue conectada antes del calentador, permitiendo de esta manera que aunque no halla alimentación de la caja partidora, en el calentador confinúa pasando liquido, lo que evita su sobrecalentamiento.

/

6.5 Evacuación del agua I

Se tomaron medidas para eliminar l o s problemas de taponamiento a nivel de la- descarga del efluente. Para ello se utilizó malla de alanbre que cubrió la parte superior.de los tubos de sedimentación.

Como los lodos flotados se acumulan a la altura del desborde ' de líquido y no antes, se añadid un dispositivo en "Tn de tubería de PVC de 1/2" de diámetro (Fig B . S . ) , con sus ramas 15 cm bajo el orificio y 10 cm sobre Bste. .

De esta manera, solamente se evacúa agua, sin el riesgo de que se f o m e un sifón, ya ~ x e la ffT" tiene un brazo abierto en su parte superior,

I . . - . . . .

Desde el moments en que se instal6 este dispositivo se dejarón de presentar taponamientos, que

habían sido frecuentes. - . ' X .

En la Fig 6.6 se muestra el aspecto final del reactor.

/

6.6 Actividades paralelas Dentro dé estas actividades estuvo el espesamiento

de lodos en dos tanques, de 1150 litros y de 1000

-" .i i

7

t

litros, con e@ fin de disponer de mayor volumen de lodos estabilizadosi que serdn usados como inóculo junto con los producidos por el reactor en la planta de tratamiento que se construye en la UAM-I

6.6.1 Sistema eléctrico Durante el periodo de este trabajo se instalo de

manera definitiva el tablero eléctrico, con los .tomacorriente e interruptores. También se instal6 un techo metálico para protección del equipo electromecánico.

i

”_ - - - - . . - ..... _ _

””””””_

Eflurnte

I

1 - I

l

b”--””- ”“”””” a

Fig 6-6 Diogrok de f l u p con aumento en la velocidad ascencional

7. DISCUSION Y COMENTARIOS

7.1 Recirculación . Para su instalación se consideró que no debía

tomar los lodos que desbordan, pues éstos estan en' una etapa final de formación, lo cual no convenia pues este .

l'odo, al verse sometido a un esfuerzo cortante por el paso a través de la tubería y la bomba disminuye su tamaño y velocidad de sedimentación.

Para que la recirculación nunca pare, aún en l o s

momentos de descarga de lodos, las tubos que succionan los lodos flotados deben quedar a un nivel tal que al momento de la descarga no se alcance éste. Si se para el sistema se puede dificultar su arranque, desequilibrar la temperatura, y no se 'debe de perder de vista que el nuevo calentador depende del continuo funcionamiento de la recirculaci6n.

Con estos requerimientos cubiertos, se tiene que la recirculación es de tubería de 3/4" de diámetro de PVC, con un colector central de las cuatro corrientes de 4.0 de diámetro conectado a la bomba de recirculaci6n por una tubería' de 1/2'#~ La recirculación succiona la parte inferior de la cama de lodos flotados, impidiendo de esta manera que los tubos se llenen de aire al momento del vaciado de lodos, mantenindo el funcionamiento de la recirculacidn.

La cantidad de lodo que se puede retirar sin ocasionar probl'emas son 60 litros cada 3 o 4 días, dependiendo de la calidad del influente y de la cakga orgdnica aplicada,

- - ._, L .

.. i

'7.2 Agitación. El sistema de agitacidn fue necesario modificarlo

debido a los siguientes sucesos. . A) El motor y su reductor de -velocidad por estar

colocados en la parte superior del - reactor, no permitier6n.apreciar de manera oportuna que lo Único que giraba era el eje del notor y no así el eje de salida del reductor de velocidad. Cuando esto fue evidente se procedid a desmontar y desarmar el notor, encontrdndose desgastado en una sección de su circunferencia. Por otro lado, se procedió ha destapar el reactor encontrhdose que el agitador estaba desarticuladó y sumergido en un lecho de lodos demasiado espeso. El agitador no pudo ser recuperado en su totalidad debido a que el medio había degradado las uniones y separado las piezas.

Ante esta situación, se procedió a desarrollar un nuevo diseño para sustituir el agitador, encontrandose como lo m8s adecuado utilizar metal en lugar de PVC, y modificar la geornetria del agitador para no tener un agitador muy pesado y facilitar el trabajo del motor.

-

Con base en lo anterior, se eligió el aluminio por SU resistencia a la corrosich, resistencia mecdnica, y ba j o peso 2

' 7.3 Calentador Los problemas solucionados en este dispositivo

fueron qué no alcanzaba más de 3OoC en el lecho, ya que

la pérdida de calor hacia el exterior era importante, particularmente en las lin.eas de recirculación, que no estdn aisladas. La resistencia no podía ser empleada convenientemente debido a la falta de un control

- indicador de temperatura, sin el cual la unidad se calentaba demasiado, ablandando las mangueras llegando a ocasionar fugas y pérdida de lodos. '

f

-Debido la estas fugas, la instalacidn eléctrica del cambiador d& calor se encontraba en corto circuito, inutilizandolo y haciendo peligroso su manejo.

En vista de esto, se procedi6 a plantear un nuevo intercambiador, tomándose la decisión de introducir las resistencias en un recipiente, el cual permitieria dar un mantenimiento general de manera rápida Y eficiente; ~

ademas este sistema est6 gobernado por un control ,indicador de temperatura (termostato) que permite - mantener constante la temperatura deseada.

7.4 Válvula Check La necesidad de conservar el contenido del

reactor en óptimas condiciones llevó a buscar sistemas de seguridad que permitieran protegerlo ante cualquier eventualidad. La necesidad se hizo patente cuando, al parar el. sistema de lodos activados ' de la. planta, se dejó de alimentar lodos al ractor. P o r esta situación. el -

calentador estuvo trabajando sin liquiso, sobrecalentando el niple. Esto ablandó la tuberla de plástico gue teminó por desprenderse ocasionanda la fuga de parte de 10s *Iodos del l e a , hasta que se cerró la llave de paso del UASB.

Com la instalación de una valvula check en la línea de alimentación, entre el intereambiador y el reactor, se evita todo riesgo de vaci$do.accidental.

7 5 Ef luente

1 ~

' I I

I

1) .Existe flotamiento de lodos en esa &rea v ..

cuando un sdlido suspendido grande se introducía en el orificio, se inutilizaba el tubo de descarga.

2) Por el desnivel que existe en el piso sólo dos de los cuatro orificios pueden descargar.

3) LQS tubos de sedimentación en su parte superiok estaban descubiertos. En esta area existen arboles de pino, los cuales constantemente estdn desprendiendo ramillas que caían dentro de los tubos.

Por estos problemas, cuando la evacuación se tapaba, el nivel de liquido ascendia, hasta desbordar por el orificio donde entra el eje del agitador.

Con la instalación del dispositivo en "T" se eliminó este problema.

7.4 .Medidor de gas. Desde el inicio d e l presente trabajo el medidor de

gas presentó problemas, pues no.registraba la producción de gas. Por mucho tiempo se pensó que esto se debia a fugas en el sistema, situación' que llevo ha abrir el tanque , desarmar el agitador, y revisar el ' sistema, desde el sello hidráulico, el sello de la tapa superior, sellos del orificio de salida y entrada del medidor sin encontrar ninguna fuga. En vista de esto se procedió a revisar el medidor, el cual se encontraba 'oxidado y ;

pegado por haber estado manejando gas hhedo en presencia *

de HZS, condiciones para las cuales no fue fabricado. Actualmente se esta trabajando en l o s talleres de

instrumentacidn del Instituto de Ingeniería UNAM en la construcci6n de un medidor de gas húmedo.

4 Y .

8 RECOMENDACIONES

El reactor. al término de estas modificaciones

p.resentará un mejor funcionamiento, siempre y cuando se

le preste la operacidn y mantenimiento adecuado, para lo

cual se recomienda:

A. 1) Diariamente

All Eliminar residuos acumulados en la rejilla

que esta dentro de la caja partidora, al inicio de la

línea de alimentaci6n

A.2 * Romper los lodos flotados de los tubos

sedimentadores y eliminar sólidos de la ItT1@ de descarga

del efluente.

A.3 Verificar que el circuito de la recirculaci6n

est6 funcionando y quela bomba d9 recirculación no esté

' ccavitando por acumulación de biogás. En caso de ser así,

se recomienda aflojar la manguera de salida 'de la bomba,

y permitir la salida de todo el gas, hasta que empiece a

- - a salir agua.

A . 4 .Revisat, el funcionamiehto d e l agitador (motor

y reductor), revisar que las revoluciones por minuto sean

cuatro.

B) Revisar el calentador y control de temperatura, la cual debe ser constante. Se debe 'tener

mucho cuidado en ir alternando las resistencias; de np/

ser as1 el consumo de energía se elevaría por la

presencia de incrustaciones y con esto aumentaría la frecuencia del mantenimiento.

..

. .

si se cumple con los puntos anteriores, el reactor

,podr& estabilizarse en sus .condiciones de oFeración y la

producc,ión de.lodo sera constante en calidad y cantidad. ,

Inconvenientes que se deben corregir. I

Para hacer mas eficiente la recirculación es necesario eliminar las variaciones de diametro en la .

. tuberia, de aquk la necesidad de sustituir l o s tramos que aún quedan de manguera. También es necesario cambiar la cabeza de la bomba centrífuga por otra que tenga diámetro de entrada y salida de 3/4'*.

- i - -

I

.

I

9 . BIBLIOGRAFHA

1. Arias A. y Noyola A. (1988) tlTratamiento de un agua residual urbana mediante el reactor anaerobio de lecho de lodos (UASB): en Avances en inaenieríg Cuimica, Leyva R.,

. Medellin F. y Navarro J. Editores, UASLP, PP. 477-483.

2..'Briones R., Rodriguez D. y Noyola A. (1988) It Tratamiento de un agua residual de tipo dómestico con reactores anaerobios avanzados y lirio acuático", Memorias I SimDosio nacional sobre Inaenieria Ambiental, 3.vstituto Ingeniería UNAM, Pp.215-223.

3 . Eckenfelder W O W Gestion des euaxs usées urbaines et industriell-es, France, Technique f docunentation (Lavoisier), Traduit de l'amcricain par L Vandevenne, 1976, PP. 316-320.

4 . Garcia S. . , Silva G. y Guyot J. P (1988) "Selecci6n de fuentes potenciales .de inóculos natt;urc?Ses para digestores anarobios.tt XIX Concrreso Nacional de Microbiología. Monterrey N. L.

5. González Ugalde L. (1988) "Efecto de la agitación en la transformación de lodos activados de purga en inóculo anaerobio para reactores de tipo lecho de lodos.#@ Provecto terminal, Divisien de Ciencias Bdsicas e Ingeniería UA"A, 79 Pp. 6. Gujer W.& Zehnder A.J.B (1983) ltCor:Versión processes in anaerobic digestión" Water Science & Tec;hnoloav. Vol 15 PP. 127- 167.

7 . Hulshoff P o l L. W., ZeeQw de W.J., Velzeboer C.T.Mand Lettinga G . (1983) tlGranulatión in IJASB-reactors'' Water Science & Technoloav. VOL 15 Pp. 291--304. 8 . Jeris J.S.(1983) ItIndustrial wastewater treatment using anaerobic fluidized bed reactors" Water Science & Technolosv. Vol 15 Pp 169-176.

9. Lettinga G . , Velsen van A.F.M., Hombs S.W., Zeeuw de W . and Xlapwijk .A. (1980) Wse of the upflow sludge blanmet (USB) Reactor concept for.biologica1 wastewater treatment, especially for anaerobic treament." Biotechnolosv and Bioinainerinq. vol XXII Pp 699-734.

10. Lettinga G., Zeeuw de kJ., Hulshoff Pol L.E, Homba S.W., Grin P.C., Wiegant W.M., Velsen van A.F.M.(1982) - I'Anaerobic wastewater treatment using the UASB treatment process" en Avances en disestión Anaerobia. I1 curso reginal de la OEA IfCombustibles por fermentaciónva. UAM-ICAITI.

,

lío' Lettinga G., Homba S . W., Hulshoff Plo L.W., Zeeuw de i I

W.J.8 Jong de P.# Grin P. and Roessman R. (1983) "Design Operation and economy of anaerobic treatment" Water Sciece 6 Technolorry Vol 15 Pp 177-195 * ' i

I

12. McCarty P.L (1964) Anaerobic watewater treatment I fundamentals. pub Works 95: No 9, 107-112; N6 lo, 123-126: i

No 12 95-99. i i i i ! ~

13. Metcalf C Eddy, 1nc.Wastewater Encfineerina:Treatment, ~isDosol.reuse., Second yEdition, Bostcn, McGraw Hili, 1979, Pp 275.

14. Noyolla A. , Guyot J.P. y Monrroy O. (1988) "Comparación experimental de dos tipos de reactores anaerobios avanzados.88 Memorias sobre el Drimer SimPosio Nacional sobre Jnaeniería Ambiental, Instituto de Ingeniría UNAM, Pp 179- 197. \

15 Noyola Robles A. (1989) Los procesos anaerobios en el tratamiento de aguas residuales." en Memorias I seminario Jnternacional sobre Biotecnoloaia en la aaroindustriq

1989 . icafetabera. INMECAFE, ORSTOM, UAM-I, Jalapa Ver. 12-15 abril

16. Rojas Chacón O. (1988) "Factores ambientales que inciden en la aplicación de los procesos anaerobios.Il Manual del, curso de tratamiemto de a m a s residuales. Hedellin Colombia.

17. SAnchez S.. (1988) *!Tratamiento de lodos activados de purga y su transformación en inóculo d8 reactores anaerobios del tipo lecho de lodos~8,peDorte para acreditar Servicio Social., Departamento de Biotecnología UAM-I, 70 PP.

18. Speece Richard E. (1983) #'Anaerobic biotechnology for industrial wastewater treatment'.I? Enviroment Science & Technolosv. Vol. 17, Pp 416a-427a.

e

.

i

.