INTRODUCCION
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUMICA
COORDINACION DE INVESTIGACION
PROYECTO DE INVESTIGACION
TRATAMIENTO DE LODOS DE AGUAS RESIDUALES EN LAS POSAS
SEDIMENTADORAS EN EL RIO CHILI (LA JOYA) POR EL METODO DE DIGESTION
ANAEROBIAPRESENTADO POR:
BACH. GLEDY VICTORIA CALDERON RAMOS
DIRECTOR DE TESIS: ING. M.Sc. SALOMON TTITO LEON
PUNO, SETIEMBRE DEL 2012PERU
INDICE
Pag.
INTRODUCCION
CAPITULO I
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1.1. Planteamiento
1.1.2. Problema
1.1.3. Problemas especficos
1.2. ANTECEDENTES
1.3. JUSTIFICACION
1.4. OBJETIVOS
1.4.1. Objetivo General
1.4.2. Objetivo Especifico
CAPITULO II
2.1. MARCO TEORICO
2.1.1. Proceso anaerobio
2.1.2. Digestin anaerobia
2.1.3. Microbiologa del proceso
2.1.4. Productos de la digestin anaerobia
2.1.5. Eutrofizacin
2.1.6. Lodos
2.1.7. Metales
2.1.8. Nutrientes
2.1.9. Estabilizacin de lodos
2.2. MARCO CONCEPTUAL
2.2.1. Ecosistema
2.2.2. Aguas pluviales
2.2.3. Aguas residuales
2.2.4. Residuos slidos
2.2.5. Contaminacin con materia inorgnica, orgnica
2.2.6. Contaminacin del agua por microorganismos
2.2.7. Oxgeno disuelto (OD)
2.2.8. Nitrgeno total (NT)
2.3. HIPOTESIS2.3.1. Hiptesis General
2.3.2. Hiptesis Especifica2.3.3. Identificacin de
variablesCAPITULO III
3.1. MTODO DE INVESTIGACION
3.1.1. Investigacin documental
3.1.2. Investigacin experimental
3.1.3. Digestin anaerobia 3.1.4. Bio-reactores aerobios
3.1.5. Bio-reactores anaerobios
3.1.6. Limitaciones de los procesos biolgicos
3.1.7. Demanda bioqumica de oxigeno DBO
3.1.8. Determinacin de la demanda bioqumica de oxigeno
3.1.9. Determinacin de la demanda qumica de oxigeno
3.1.10. Determinacin del porcentaje de humedad3.1.11.
Determinacin de slidos sedimntales
3.1.12. Determinacin de slidos suspendidos
3.1.13. Determinacin de nitrgeno total
3.1.14. Determinacin del fosforo total
3.1.15. Medicin de temperatura
3.1.16. Medicin de pH
3.2. Modelo matemtico para la investigacin3.2.1. Identificacin
de variables del proceso para el diseo experimental
CAPITULO IV
4.1. AMBITO DEL ESTUDIO
4.1.1. RECURSOS HUMANOS
4.1.2. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPO
4.2. CRONOGRAMA DE TRABAJO
4.3. BIBLIOGRAFIA
ANEXOS
4
5
5
5
5881113131314141414151721232324252626272829293233
35
3737373840404040444445
4748495050505050
51
51
51
51
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INTRODUCCION El tratamiento de las aguas residuales municipales
comprende varias etapas en las que el objetivo principal es retirar
la materia orgnica que contraiga el efluente, as como disminuir o
retirar completamente la presencia de compuestos txicos y
patgenos.
Como resultado de los procesos primarios y secundarios se
obtienen lodos que por su contenido son considerados en la
normatividad peruana como residuos peligrosos, obteniendo en la
pruebas de CRETIB, la calidad de txicos y biolgico infecciosos.
Estos lodos se generan en grandes cantidades y si son vertidos
en los caudales de ros o lotes baldos causan efectos muy nocivos
para el medio ambiente. Por otra parte su disposicin final es
costosa, debido al manejo, transporte y confinamiento.
La digestin anaerobia, es un proceso en el cual los lodos
provenientes declarificados o procesos secundarios, son
estabilizados mediante la accin de un conjunto de bacterias
hidrolgicas, acidognicas, acetognicas y metanognicas.
Todas ellas son anaerobias y mantienen relaciones de
comensalismo y simbiosis, reduciendo el acetato, metanos y otros
productos de la fermentacin a CO2, metano, trazas de otros gases
como nitrgeno, compuestos de azufre, compuestos orgnicos voltiles y
amoniaco.
Este proceso se lleva a cabo en un rango de temperatura que va
de 30-50 C, con un tiempo de retencin que puede variar, dependiendo
del volumen, la temperatura, el sustrato y los microorganismos
presentes en el efluente, siendo una tecnologa factible de ser
aplicada en el Arequipa y en el Per, es un proceso que minimiza los
gastos derivados de la disposicin y cumple con los requisitos
establecidos por la legislacin, lo que lo convierte, adems, en un
procesos econmicamente atractiva.CAPITULO I1.1. PLANTEAMIENTO DEL
PROBLEMA1.1.1.PlanteamientoLa ciudad de Arequipa, capital de la
Regin del mismo nombre, se encuentra en la Sierra, sobre los 2 335
m.s.n.m. inmerso en el desierto ms seco del mundo, el Desierto del
Pacifico, siendo el Chili el principal rio que atraviesa la
ciudad.
El problema de la contaminacin por las aguas servidas sin
tratar, en la ciudad de Arequipa, se encuentra latente desde hace
ms de 30 aos, luego que la primera Planta de Tratamiento de Aguas
Residuales de Chilina, diseada para tratar 210 L/s fuera ampliada
para tratar 300 L/s, que origino el colapso por sobrecarga de agua
residual y por la elevada concentracin de materia orgnica
proveniente de los aportes industriales ubicados en la zona urbana
y una gran generacin de lodos que son depositados a la intemperie a
un costado de la planta de tratamiento
El gran desarrollo social y econmico registrado en la ciudad de
Arequipa durante el transcurso de las ltimas dcadas, tiene como
consecuencia el constante incremento en la demanda de agua para los
diferentes usos; domstico, agrcola, industrial y pblico; adems de
la creciente contaminacin de las aguas superficiales y subterrneas,
que hacen ms difcil satisfacer cada da su demanda, motivo por el
cual se tiene que sujetar a tratamientos cada vez ms laboriosos y
costosos para poderse reutilizar.Siendo Arequipa una ciudad activa,
con una gran produccin agrcola y un acelerado crecimiento
urbano-industrial, estn siendo sobreexplotados sus mantos acuferos
y al mismo tiempo contaminando el ro Chili debido a la descarga de
aguas residuales provenientes de la ciudad de Arequipa que
transporta el desecho de industrias de diferentes ramas,
localizadas en el corredor industrial. Dichas aguas contaminadas,
no reciben un tratamiento biolgico y son vertidas al ro, el cual se
encuentra en condiciones spticas durante todo el ao y que adems de
continuar como un colector pblico de aguas residuales, ya perdieron
los signos de vida acutica, de esta manera su utilizacin ocasiona
perjuicios tanto al suelo agrcola de la regin, como al rendimiento
y calidad de los cultivos.Es importante sealar la competencia que
se establece por el uso de agua, tanto por la ciudad, como por la
industria y la agricultura, pues las tres necesitan cada vez
mayores cantidades; sin embargo, esta ltima tiende a disminuir e
incluso a desaparecer, considerndose como una consecuencia de la
falta de uso adecuado de los recursos acuferos por lo que se ha
propiciado el uso de las aguas negras del ro Chili, las cuales
aparentemente son benficas, pero tambin llevan al suelo y a los
cultivos contaminantes txicos.
Las descargas no controladas de aguas residuales, municipales e
industriales sin tratar o parcialmente tratadas y recientemente los
escurrimientos de las aguas utilizadas en el riego agrcola,
implican la contaminacin continua de las aguas haciendo cada vez ms
difcil su aprovechamiento para usos mltiples.La contaminacin por
metales pesados est asociada usualmente con las descargas
municipales y en los procesos industriales que van directamente a
los mantos acuferos, sin embargo se relaciona tambin con la
lixiviacin de desechos, descargas slidas y por el intemperismo de
las rocas, que aportan materiales al sistema fluvial. Dentro de los
deshechos antropognicos que alcanzan esta zona, los metales
pesados, tienen un lugar aparte, ya que su presencia no es evidente
a simple vista, estos metales utilizados en procesos industriales y
emitidos al ambiente, alteran los sistemas acuticos en los que son
atrapados y acumulados debido a la dinmica de sedimentacin.El
desarrollo de tecnologas basadas en microorganismos ha
proporcionado excelentes procesos para la degradacin de compuestos
fcilmente biodegradables, ya sea a condiciones aerobias o
anaerobias. Estos procesos son menos costosos porque las reacciones
de degradacin, medidas por la actividad biocataltica de los
microorganismos se producen a velocidades rpidas a temperatura
ambiente.
En el ao 2009 se planific en Arequipa la generacin de energa
elctrica a travs de la central ubicada en la zona de la Joya, la
central prev la utilizacin de un caudal de agua del canal principal
del rio Chili, para luego devolver aguas abajo al mismo canal. La
empresa ejecutora de este proyecto construy pozas de sedimentacin,
los cuales estn orientados a decantar los sedimentos que son
vertidos cuando se realizan las limpiezas de los desarenadores, de
tal manera que los lodos quedan ubicados al costados de stos.A
causa de las lluvias y la generacin de lixiviados en estas posas de
lodos stos son derivados y contaminan con un mayor grado las aguas
del Rio Chili, por la gran cantidad de metales pesados, materia
orgnica, cidos, gases etc, por lo que es necesario y urgente
solucionar este problema con un tratamiento de lodos de aguas
residuales en las posas sedimentadoras en el rio chili (la joya)
por el mtodo de digestin anaerobia1.1.2.Problema
Uno de los grandes problemas en lugares donde existe tratamiento
de aguas residuales es la cantidad de lodos que se acumulan ao tras
ao creando problemas de contaminacin en el medio ambiente, por lo
que es necesario promover la utilizacin de productos naturales que
no resulten nocivos, el presente proyecto de investigacin se basa
en esta premisa y est definida por la siguiente interrogante
Una de las formas de promover el desarrollo de los
microorganismos de carcter anaerobio dentro del sustrato (Materia
Orgnica disuelta en el agua) ser la digestin anaerobia de lodos de
las aguas residuales en las posas sedimentadoras en el rio chili
(la joya) de la ciudad de Arequipa?1.1.3. Problemas especficos
Sera posible demostrar que el tratamiento de digestin anaerbica
de lodos residuales es una tecnologa til para la estabilizacin y el
aprovechamiento de dichos residuos, minimiza el impacto ambiental
que producen y se puede recuperar valor de los mismos y determinar
su cintica qumica.
Sera posible definir la viabilidad de la digestin anaerobia
Sera posible determinar la cintica y el modelo matemtico para el
proceso de digestin anaerbica de lodos de las aguas residuales?
Sera posible caracterizar los lodos a la entrada y salida del
proceso de digestin anaerobia y determinar la velocidad de
degradacin de los lodos
Sera posible caracterizar los lodos a la entrada y salida del
proceso de digestin anaerobia y determinar la velocidad de
degradacin de los lodos
Sera posible definir la tecnologa propuesta, dando a conocer los
parmetros ptimos de temperatura, concentracin y pH.1.2.
ANTECEDENTES
Son muy pocos los trabajos de investigacin relacionados al
tratamiento de lodos de las aguas residuales y los existentes son
muy puntuales y casi no se ha realizado un monitoreo de parmetros
de calidad de agua que involucra un ciclo (un ao) de informacin. En
el 2005 Merma Mamani, Vilma Amalia y Salas Rodrguez, Javier Ernesto
realizaron el trabajo, en la Escuela Profesional de Ingeniera
Qumica de la Universidad Nacional San Agustn de Arequipa Isotermas
de adsorcin del ion nquel mediante Carbn preparado con bagazo de
caa de azcar y su aplicacin en remocin de iones nquel en aguas
residuales. En el presente trabajo de investigacin, se obtienen las
Isotermas de Adsorcin del Ion Nquel mediante carbn activado
utilizando como precursor bagazo de caa de azcar activado
qumicamente con acido fosfrico, en tiempos de carbonizacin
moderados con el fin de utilizarlos en la remocin de iones metlicos
pesados contenidos en aguas contaminadas, utilizando soluciones
preparadas de Ni(II) como modelo. A. Castrejn, J. A. Barrios, B.
Jimnez, C. Maya, A. Rodrguez y A. Gonzlez. Miembros del Instituto
de Ingeniera. Grupo de Tratamiento y Reso. Universidad Nacional
Autnoma de Mxico. Ciudad Universitaria. En el 2008 efectuaron la
Evaluacin de la calidad de lodos residuales de Mxico, para
determinar la factibilidad de aprovechar los lodos generados en
Mxico de acuerdo con lo establecido en el proyecto de Norma Oficial
Mexicana, se evaluaron 18 muestras de diferentes plantas analizando
slidos totales y voltiles, metales pesados, CRETI, coliformes
fecales, Salmonella y huevos de helmintos. De acuerdo con los
resultados se encontr que 14 muestras excedieron los lmites
microbiolgicos, cumpliendo solamente 2 muestras con lo establecido
para bioslidos clase B, mientras que nicamente una muestra fue
capaz de cumplir con los lmites para clase A. Con respecto al
contenido de metales, nicamente 2 muestras excedieron los lmites
propuestos. Con base en lo anterior, se observ que el principal
problema para poder reutilizar los lodos en Mxico deriva del alto
contenido microbiolgico, lo cual requiere incrementar las
eficiencias de destruccin de microorganismos, mediante la
modificacin de las condiciones de operacin de los procesos
existentes o aadiendo procesos complementarios. En el Departamento
de Puno no se ha encontrado ningn trabajo relacionado con el
tratamiento de lodos de las aguas residuales, por lo que se indica
solo algunos trabajos realizados como tratamiento solo de aguas
residuales.
El estudio para el control integral de la contaminacin del agua
de la baha interior de Puno en el lago Titicaca en la Repblica del
Per, se efectu en enero del 2000 por la Agencia de Cooperacin
Internacional del Japn (JICA) y el Instituto Nacional de Desarrollo
(INADE) Per.
En 1981 se inici el primer estudio sistemtico de la contaminacin
del lago Titicaca, a travs de un programa de investigacin entre la
Universidad de Columbia - Britnica; Canad (UBC) y la Universidad
Nacional del Altiplano Puno (UNA), llegndose a determinar que la
zona ms afectada en todo el lago Titicaca, corresponde a la Baha
Interior de Puno. Hasta esa fecha no haban estudios limnolgicos de
la Baha Interior de Puno, donde una poblacin de ms de 90,000
habitantes alteraba obviamente la calidad de las aguas.
El PELT indica que, en 1984 Sarmiento A., realiza un estudio
para determinar la concentracin de nutrientes (Nitrgeno y Fsforo)
en la baha de Puno, determinndose concentracin de fsforo de 113,90
mg/l, nitratos 249,40 mg /l y amonio 774.64 mg/l.
En 1985 Mollocondo H, realiz similar trabajo llegando a
determinar concentraciones de nitratos de 59,61 mg/l, amonio de
142,01 mg/l y 450.76 mg/l. Ambos estudios coinciden que las aguas
de la Baha Interior de Puno se encuentran en un proceso acelerado
de eutroficacin, considerando que Witzel (1982) considera
concentraciones mxima de fsforo de 30-100 mg/l.
En 1991, Northcote, Morales, et al, realizaron trabajos de
recopilacin de informacin y reportaron concentraciones de 4,63 mg/l
de fsforo, 18,86 mg/l de nitratos y 44.14 mg/l de amonio, que se
pueden considerar elevados y concluye que dicho ecosistema presenta
severos sntomas de contaminacin orgnica y alteracin de la
estructura ecolgica.
El PROYECTO ESPECIAL BINACIONAL DEL LAGO TITICACA - PELT, en
convenio con el ORGANISMO INTERNACIONAL DE ENERGA ATMICA OIEA,
realizaron el Proyecto RLAl08/034 - Estudio de la Contaminacin del
Lago Titicaca, realizado en el ao 2002, se ha encontrado
concentraciones de metales pesados en las aguas de los ros de la
cuenca del Lago Titicaca, as como en las mismas aguas del Lago
Titicaca, entre ellos Mercurio (Hg), Arsnico (As), Cadmio (Cd) y
Plomo (Pb), donde en su conclusin final manifiestan los siguiente:
que si bien las concentraciones de metales pesados, no superan los
lmites permisibles para estos parmetros, existe contaminacin con
concentraciones importantes de estos elementos txicos.
1.3. JUSTIFICACION
El tratamiento de las aguas residuales municipales comprende
varias etapas en las que el objetivo principal es retirar la
materia orgnica que contraiga el efluente, as como disminuir o
retirar completamente la presencia de compuestos txicos y patgenos.
Como resultado de los procesos primarios y secundarios se obtienen
lodos que por su contenido son considerados en la normatividad
Peruana como residuos peligrosos, obteniendo en las pruebas, la
calidad de txicos y biolgicos infecciosos.Los posos sedimentarios
de lodos que se han hecho en la central hidroelctrica ubicada en la
zona de la Joya y los lodos de la planta de tratamiento son
generados en grandes cantidades y si son vertidos en los caudales
de ros o lotes baldos, l causan efectos muy nocivos para el medio
ambiente. Por otra parte su disposicin final es costosa, debido al
manejo, transporte y confinamiento.La aplicacin de procesos
anaerobios a los lodos residuales de las tecnologas de tratamiento
de aguas, se ha incrementado considerablemente, esto se debe a que
las circunstancias no son las mismas que hace 10 aos. El dao
provocado en el medio ambiente por los combustibles fsiles y
nucleares es un tema que esta captando ms atencin, tanto a nivel
cientfico, gubernamental como a nivel poblacional. Simultaneo a los
esfuerzos por preservar y sanear el medio ambiente, cada da aumenta
el inters puesto en tecnologas que obtienen energa a partir de
fuentes renovables, que pretenden, adems, integrar al proceso lneas
de reciclaje de efluentes, a fin de obtener procesos limpios.
Los tratamientos anaerobios ofrecen ventajas econmicas
atractivas, lo cual se fundamenta en la posibilidad de tratamiento
de residuos con altas cargas en instalaciones compactas, la
produccin limitada de lodos, requerimientos nutricionales reducidos
y un balance energtico positivo.
La digestin anaerobia es un proceso complejo que puede ser
descrito en funcin de diversas variables interrelacionadas. Por
definicin, la digestin anaerobia es: el uso de microorganismos, en
ausencia de oxgeno, para la estabilizacin de materiales orgnicos
mediante su conversin a metano y otros productos inorgnicos
incluyendo dixido de carbono
Anaerobios
Materia + H2O CH4 + CO2 + Biomasa + NH3 + H2S + calorOrgnica
nuevaEn la Ciudad de Arequipa es una tecnologa que puede ser
aplicable, es un proceso que minimiza los gastos derivados de la
disposicin y cumple con el requisito establecido por la legislacin.
Lo que lo convierte en un proceso econmicamente atractivo, de igual
manera este trabajo de investigacin se podr aplicacin en el
tratamiento de lodos de la Baha del Lago Titica.
PARAMETROLODO PRIMARIO SIN TRATAR
RANGOTIPICO
ST, % (materia seca)5-96
STV, % de ST60-8065
Nitrgeno, % de ST1.5-4.02.5
Fsforo, % ST (P2O5)0.8-2.81.6
Alcalinidad (mg/LCaCO3)500-1500600
Fuente: Elaboracin propia1.4. OBJETIVOS1.4.1.Objetivo
General
Demostrar que el tratamiento de digestin anaerbica de lodos
residuales es una tecnologa til para la estabilizacin y el
aprovechamiento de dichos residuos, minimiza el impacto ambiental
que producen y se puede recuperar valor de los mismos. 1.4.2.
Objetivos Especficos Definir la viabilidad de la digestin anaerobia
Determinar la cintica y el modelo matemtico para el proceso de
digestin anaerbica de lodos de las aguas residuales? Caracterizar
los lodos a la entrada y salida del proceso de digestin anaerobia y
determinar la velocidad de degradacin de los lodos
Caracterizar los lodos a la entrada y salida del proceso de
digestin anaerobia y determinar la velocidad de degradacin de los
lodos
Definir la tecnologa propuesta, dando a conocer los parmetros
ptimos de temperatura, concentracin y pH.CAPITULO II2.1.MARCO
TEORICO2.1.1. Proceso Anaerbico
El proceso anaerbico depende de reacciones de transferencia de
H2 Inter-especies como:
1. Digestin inicial de las sustancias macromoleculares por
Proteasas, polisacaridasas y lipasas extracelulares hasta
sustancias solubles.
2. Fermentacin de los materiales solubles a cidos grasos.
3. Fermentacin de los cidos grasos a acetato, CO2 e H2.
4. Conversin de H2 mas CO2 y acetato en CH4 (metano) por las
bacterias metanognicas.
Las bacterias celulliticas rompen las clulas en celulosa,
celobiosa y glucosa libre; la glucosa es fermentada por anaerobios
en varios productos de fermentacin: acetato, propionato, butirato,
H2 y CO2. Las bacterias metanognicas, homoacetognicas o reductoras
de sulfatos, consumen inmediatamente cualquier H2 producido en
procesos fermentativos primarios. Los organismos claves en la
conversin de sustancias orgnicas complejas en metano, son bacterias
productoras de H2 y oxidantes de cidos grasos, por ejemplo
Syntrophomonas y Syntrophobacter, las primeras oxidan los cidos
grasos produciendo acetato y CO2 y las ultimas se especializan en
la oxidacin de propionato y genera CO2 y H2. En muchos ambientes
anaerbicos los precursores inmediatos del metano son el H2 y CO2
por parte de las bacterias metanognicas: Metanosphaera, Stadtmanae,
Metanopinillum, Metanogenium, Metanosarcina, Metanosaeta y
Metanococcus.2.1.2. Digestin Anaerobia
La digestin anaerobia, es un proceso en el cual los lodos
provenientes de clarificadores o procesos secundarios, son
estabilizados, mediante la accin de un conjunto de bacterias
hidrolticas, acidognicas, acetognicas y metanognicas.
Todas ellas son anaerobias y mantienen relaciones de
comensalismo y simbiosis reduciendo el acetato, metanol y otros
productos de la fermentacin a CO2, metano, trazas de otros gases
como nitrgeno, compuestos de azufre, compuestos orgnicos voltiles y
amoniaco.
Este proceso se lleva a cabo en un rango de temperatura que va
de 30-50 C, con un tiempo de retencin que puede variar, dependiendo
del volumen, la temperatura, el sustrato y los microorganismos
presentes en el efluente.La digestin anaerobia es un proceso
complejo que puede ser descrito en funcin de diversas variables
interrelacionadas. Por definicin, la digestin anaerobia es: el uso
de microorganismos, en ausencia de oxgeno, para la estabilizacin de
materiales orgnicos mediante su conversin a metano y otros
productos inorgnicos incluyendo dixido de carbono.
2.1.3. Microbiologa del proceso
Durante la digestin, las molculas complejas (polisacridos,
protenas, lpidos y lignina) se descomponen en molculas ms pequeas
para dar como productos finales metano (CH4) y dixido de carbono
(CO2). Este proceso consta de 3 etapas, en cada una de las etapas
un conjunto de reacciones son llevadas a cabo por una compleja
poblacin de microorganismos presentes en el digestor, cada una de
las cuales cataliza solo un cierto nmero de estas reacciones. La
mayora de los microorganismos oxidan determinados compuestos
orgnicos a fin de obtener energa para su crecimiento y utilizan
compuestos carbonados especficos para sintetizar sus componentes
celulares. Los productos finales de un grupo de microorganismos
suelen ser el alimento del grupo siguiente, de forma que a lo largo
del proceso existe un delicado balance que es necesario mantener
para que la reaccin se desarrolle correctamente.Como se menciono
previamente el proceso de digestin anaerobia ha sido dividido en
tres etapas de acuerdo a la actividad metablica predominante y a
sus productos finales.
1. La primera etapa es la hidroltica
2. La segunda etapa es la acidognica
3. La tercera etapa se centra en el proceso de metanognesis
Los procesos anaerobios se caracterizan por tener consorcios
bacterianos muy complejos, pero las principales interacciones se
dan entre el reino Bacteria y el Archaea. El proceso (Fig N 1 )
inicia con la hidrlisis de la materia orgnica compleja,
carbohidratos, grasas y protenas que se encuentran en solucin o
suspendidas, son transformadas en sus unidades bsicas es decir
azucares (carbohidratos simples), cidos grasos y aminocidos por el
metabolismo de bacterias hidrolticas y la accin de las enzimas
extracelulares, liberndose tambin CO2 y H2 en el proceso.
Fig. N 1 : Etapas en la produccin de metano a partir de materia
orgnica
Fuente: METCALF & EDDY-1995Estas bacterias son facultativas
por lo que consumen el oxgeno que pueda haber dentro del digestor
contribuyendo a la formacin de condiciones anaerobias. Crecen
rpidamente, tardando en doblarse un mnimo de 30 minutos y pueden
subdividirse en:
Celulticas, hemicelulticas
Aminolticas
Proteolticas Lipolticas
La transformacin a partculas ms sencillas se da a fin de que el
alimento se encuentre en su forma soluble y pueda pasar a travs de
la pared celular y la membrana. Una vez que se tienen estas
unidades, comienza la segunda etapa, la pared celular de las
bacterias acidognicas acta como un tamiz y deja las partculas ms
grandes en el exterior, mientras que la membrana selecciona y gua
el material dentro y fuera del interior de la clula. No todos los
slidos orgnicos pueden ser degradados y no todos entran a la clula.
Estos materiales constituyen la fraccin no biodegradable de los
lodos y son llamados slidos inertes.
2.1.4.Productos de la digestin anaerobia
Al final del proceso de digestin obtenemos biogs y lodos
digeridos en el caso de que se trate de un proceso de digestin
anaerobia de alta carga, que se caracteriza por llevar un rgimen de
mezclado completo, sin embargo, si se trata de un proceso de
digestin convencional tambin tendremos una capa de nata y una de
sobre nadante.
2.1.4.1. GasEl biogs es la mezcla de gas producido por bacterias
metanognicas que transforman material biodegradable en condiciones
anaerobias. Esta compuesto de 60 a 50 % de metano, 30 a 40 % de
dixido de carbono y trazas de otros gases, como nitrgeno, cido
sulfhdrico, monxido de carbono e hidrogeno (ver atabla N). Un metro
cbico de metano a temperatura y presin normales tiene un poder
calorfico neto de 35800 kJ/m3, el biogs tiene un poder calorfico de
aproximadamente 22,400 kJ/m3Tabla N 1: Caractersticas del
biogsComponentePorcentaje
Metano
Gas carbonico
Hidrogeno
Nitrogeno
Monxido de carbono
Oxgeno
cido sulfhdrico
Vapor de agua60 - 80 %
30 - 40 %
5 - 10 %
1 - 2 %
0 - 1.5 %
0.1
0.1
0.3
Caracteristicas del metano
Densidad
Solubilidad en agua
Temperatura critica
Poder calorfico1.09 kg/m3
Baja
673.1 C
22400 kJ/m3
Fuente :Ingeniera de Aguas residuales-Metcalf &
Hed-19952.1.4.2. Lodos digeridosDespus de la capa en la cual tiene
lugar la digestin se encuentra la zona de lodos digeridos que se
compone de aquellos slidos inorgnicos y voltiles que son de difcil
degradacin
Las caractersticas de un lodo bien digerido son los
siguientes:
Debe ser sencillo de separar de la fase liquida
La cantidad de slidos digeridos que salen del proceso debe ser
mucho menor a la que entro debido a que durante la degradacin de
ellos se transformaron en gases, cidos lquidos y agua
Debe tener una apariencia aterronada
Debe tener un color oscuro, si aparecen manchas o coloraciones
verdes, es indicativo de que los lodos no estn bien digeridos
No deben presentar mal olor
La concentracin de slidos voltiles presentes deber ser entre 40
60 % menor que la concentracin a la entrada
2.1.4.3. Factores que afectan la Digestin Anaerobia
Las bacterias metanognicas responsables de la conversin final de
la materia orgnica es un producto estable, son muy sensibles a las
condiciones dentro del digestor. Por lo que disminuirn su actividad
si estas no son mantenidas a niveles ptimos. Existen 5 factores que
reglan la digestin:
Las bacterias presentes
La carga de alimentacin
El mezclado
Las condiciones ambientales
Materiales inhibidores o txicos2.1.4.4. BacteriasLos lodos
crudos que entran al reactor contienen las bacterias necesarias
para lograr la estabilizacin. Por lo que es necesario que durante
la operacin se mantenga el mayor nmero posible dentro del proceso
para realizar el trabajo de biodegradacin, evitando remover mas
lodo digerido del necesario.2.1.4.5. Carga de alimentacin
Dentro de los parmetros del lodo crudo que deben medirse a la
entrada del reactor estn:
La concentracin (que es la concentracin de slidos en un
determinado volumen de agua
La cantidad de slidos voltiles (que indica la cantidad de
material que puede ser usado como alimento por las bacterias e
indirectamente la cantidad de arena)
El factor de carga orgnica Tiempo de retencin hidrulico que se
relaciona con el crecimiento bacteriano y su descarga
Rittmann y McCarty mencionan que el contenido de slidos voltiles
dentro del digestor debe ser aproximadamente mayor al 70% de manera
que la alimentacin al reactor deber monitorearse a fin de mantener
un buen equilibrio
Fig. N 2 : Contenido de slidos en lodos crudosExisten dos
factores de carga distintos:
1. El factor de carga orgnica2. El factor de carga hidrulicaQue
adems de ser indicadores del proceso nos permiten evaluar la
eficiencia del digestor. El factor de carga orgnica es la cantidad
de alimento que entra como slidos voltiles por da. Y se calcula
como kilogramos de slidos voltiles por da por metro cbico por el
volumen activo del digestor.
Kg lodo crudo/da x % contenido slidos voltilesCarga Orgnica =
-----------------------------------------------------------------------
Volumen disponible del digestorLa carga hidrulica es el tiempo
promedio en das que permanece el lquido dentro del digestor y esta
relacionado con su capacidad
La carga hidrulica (tambin conocido como tiempo de retencin
hidrulica) se calcula como sigue:
Volumen del digestor, L
TRH = ----------------------------------
Flujo de entrada, L/dEste tiempo es el mnimo requerido para
asegurar que la materia orgnica y la biomasa activa estn en
contacto.
2.1.5. EutrofizacinSe define como el proceso de enriquecimiento
de las aguas, con nutrientes a un ritmo tal que no puede ser
compensado por eliminacin o mineralizacin total.
La palabra eutrofia procede del adjetivo alemn eutrophe y se
refiere a rico en nutrientes.Los macrfitos y las algas utilizan los
nutrientes disponibles (N y P) para su crecimiento hasta que uno de
ellos se vuelve limitante y la poblacin decrece. Los nutrientes que
ms frecuente limitan el crecimiento son: nitrgeno y
fundamentalmente fsforo. Si los compuestos de nitrgeno estn
presentes y el fsforo ausente no se produce crecimiento de algales.
Si los compuestos de nitrgeno estn ausentes y el fsforo presente,
se puede esperar cierto crecimiento algal por la actividad de las
algas fijadoras de nitrgeno. Si ambos compuestos estn presentes en
cantidades importantes, puede generar el crecimiento importante en
primer trmino de los macrfitos y en segundo lugar el crecimiento
excesivo de algas.
El fenmeno de la eutrofizacin surge como consecuencia de la
presenciaabundante de nutrientes como el nitrgeno y el fsforo en un
medio acutico, los que se han vertido permanentemente en la Baha
Interior losltimos 50 aos, de distintas formas, sea en las aguas
residuales, enlosresiduos slidos urbanos, en los drenajes
pluviales, etc.
Los factores anteriormente descritos vienen causando serios
cambios en la estructura trfica del ecosistema Baha - Puno, entre
las ms importantes se tiene: Eutroficacin severa en ms del 70% de
su rea.
Disminucin de ms del 90% de la flora acutica sumergida.
Reduccin de la vida bentnica en ms del 95%.
Disminucin en 40% de los volmenes de captura de peces.
Limitacin de uso del recurso hdrico para consumo humano.
Contaminacin de la Baha Interior de Puno por aguas residuales,
aguas pluviales y por residuos slidos.Actualmente, los lodos
generados en el tratamiento del agua residual son considerados
residuos peligrosos, de acuerdo con lo establecido en la
NOM-052-ECOL-1993 (DOF, 1993). Sin embargo, estos lodos poseen
caractersticas benficas que pueden ser aprovechadas como son el
contenido de nutrientes y materia orgnica. Esto permite que una vez
que han sido tratados, stos puedan ser aprovechados benficamente
como fertilizantes, mejoradores de suelo, o como cubierta de
rellenos sanitarios. 2.1.6. Lodos
Los lodos se definen como una mezcla que contiene una fase slida
suspendida en un medio lquido, dependiendo de las operaciones y
procesos de tratamiento, la fase slida ser el 12-25 % del peso
total. Los lodos provenientes del tratamiento de aguas residuales
son producto de la concentracin de slidos contenidos en el efluente
(lodos primarios), o de la formacin de nuevos slidos suspendidos
(lodos activados) resultantes de la remocin de slidos disueltos de
las aguas residuales. En algunas ocasiones estos lodos son vertidos
en el medio ambiente sin ningn tratamiento previo. Sin embargo, a
pesar de que esta practica no siempre es ambiental ni econmicamente
viable, muy a menudo se realiza, tal es el caso de los lodos
primarios. Caractersticas de los lodos residuales
A causa de las caractersticas fsico-qumicas de los procesos de
depuracin de aguas residuales, los lodos tienden a acumular una
serie de metales y compuestos orgnicos. Esta propiedad es una
ventaja, cuando se considera la calidad de agua residual tratada,
pero hace que la calidad del lodo dependa, fundamentalmente, de
cuatro grupos de contaminantes principales.
2.1.7. Metales
Los metales son esenciales para los organismos vivos, se usan
pigmentos (fierro, cobre, vanadio), enzimas (zinc), vitaminas
(cobalto) y en otros procesos metablicos. Los metales pesados
comienzan a ser txicos a medida que aumenta su concentracin. En los
lodos encontramos zinc (Zn), cobre (Cu), nquel (Ni), cadmio (Cd),
plomo (Pb), mercurio (Hg) y cromo (Cr) (Tabla 1). Su potencial de
acumulacin en los tejidos humanos y su biomagnificacin en la cadena
alimenticia suscitan preocupaciones, tanto medioambientales como
sanitarias. Los metales estn siempre presentes, a concentraciones
bajas, en las aguas residuales domesticas, pero las concentraciones
preocupantes son sobre todo las que se encuentran en aguas
residuales industriales. El cadmio por ejemplo es un metal toxico
que no presenta ningn tipo de beneficio en el metabolismo humano, y
puede ser transmitido de los lodos al suelo, del suelo a las
plantas, de las plantas al ganado bovino, porcino, o aves y
finalmente de los animales al ser humano.Tabla N 2 : Valores tpicos
para metales en lodos residualesParmetroLodos de aguas residuales
domesticas (mg/kg)Lodos de aguas residuales domesticas industriales
(mg/kg)
As
Cd
Cr
Cu
Pb
Hg
Ni
Se
Zn10 50
10 100
50 200
95 700
200 500
1 11.2
110 400
10 180
1000 - 180090 240
260 2650
960 2300
760 2790
2.6 5
200 900
800 -460
Fuente: Ingeniera de Aguas residuales-Metcalf &
Hed-19952.1.8. Nutrientes
Los lodos contienen cantidades apreciables de nitrgeno (N) y
fsforo (P) (ver tabla 2). El nitrgeno puede estar en una de sus
formas: N (orgnico), NH3-N, NO2-N, NO3 N. Las tres ltimas estn
disponibles para que las plantas las usen como nutrientes, mientras
que los microorganismos de la rizosfera debern convertir el
nitrgeno orgnico a una de sus formas inorgnicas antes de poder
introducirlo en su metabolismo.Aproximadamente el 80 % de todo el
nitrgeno contenido en los lodos estar disponible para las plantas.
El fsforo esta disponible en la misma proporcin encontrada en los
fertilizantes inorgnicos, la tasa de utilizacin del fsforo esta en
un rango de 40-80 %. La peligrosidad de estos nutrientes radica en
su potencial de eutrofizacin para las aguas subterrneas y
superficiales. Sin embargo, se pueden considerar como fertilizantes
valiosos.
Tabla N 3: Rangos de la presencia de N y P en lodos
ParmetroLodo primario
Nitrogeno (N % de ST)
Fsforo (PO5 % de ST)1.5. 4
0.8 2.8
Fuente : Ingeniera de Aguas residuales-Metcalf &
Hed-19952.1.9. Estabilizacin de LodosComo ya henos visto los lodos
provenientes del tratamiento de aguas residuales, poseen
caractersticas que los hacen nocivos para el medio ambiente, por lo
que no pueden ser desechados con facilidad.
El trmino estabilizacin puede considerarse como el proceso o el
conjunto de procesos que dan como producto final un lodo con
caractersticas tales que despus del proceso puede ser usado sin que
comprometa la salud pblica o al medio ambiente.
El mal olor, la proliferacin de patgenos y la putrefaccin tienen
lugar cuando los microorganismos se establecen en la fraccin
orgnica. De esta manera la estabilizacin de los lodos buscara
cumplir con 4 objetivos principales:
Reducir la presencia de microorganismos patgenos Eliminar el mal
olor
Inhibir, reducir, eliminar su potencial de putrefaccin
Reducir los efectos de compuestos orgnicosEl xito de estos
procesos esta relacionado con su efecto sobre la fraccin voltil u
orgnica de los lodos. Para cumplir con estos objetivos se pueden
seguir varias rutas, la primera consiste en la reduccin biolgica o
la oxidacin qumica del contenido de materia voltil, se pueden
agregar agentes qumicos a in de imponer condiciones poco favorables
para el desarrollo de microorganismos y aplicar calor con el objeto
de desinfectar o esterilizar los lodos. Bajo estos principios se
rigen los procesos de estabilizacin.Las tecnologas mas utilizadas
para la estabilizacin de los lodos incluyen:
Estabilizacin con cal
Tratamiento trmico Incineracin
Compostaje
Digestin aerobia
Digestin anaerobia
2.2. MARCO CONCEPTUAL2.2.1. EcosistemaEs el conjunto de
poblaciones de plantas, animales y microbios relacionados entre si
y con el medio, de modo que el agrupamiento puede
perpetuarse.Tambin son los motores productivos de nuestro planeta,
nos provee de todo, desde el agua que tomamos, los alimentos que
comemos, las fibras que usamos para vestir, el papel etc. Los
ecosistemas acuticos como lagos y rios, se caracterizan por una
especial interrelacin continua entre sus componentes biticos
(organismos) y abiticos (ambientales); en este contexto el rio
Chili puede ser considerado, como ecosistema acutico o un
sub-sistema ecolgico que pertenece al gran ecosistema Arequipeo, y
que presenta sus propias interrelaciones, su propia dinmica y sus
propios problemas ambientales.
2.2.2. Aguas Pluviales
El manejo y la conduccin de las aguas pluviales es otro de los
grandes problemas que existen en la ciudad de Arequipa. En la
microcuenca donde se ubica la ciudad de Arequipa, existen dos
quebradas principales, que drenan hacia el rio Chili, siguiendo la
pendiente natural del terreno. Por otro lado se tiene que el rea de
la microcuenca presenta condiciones de alta pluviosidad, de hasta
719 mm/ao, sobre todo en los meses de Diciembre a Marzo. La
intensidad de la lluvia, provoca la erosin de las zonas altas, lo
cual origina el transporte de sedimentos hacia la parte baja y que
Asimismo, tal como se indica ms adelante, no todos los residuos
slidos son recolectados y transportados al lugar de disposicin
final; en la temporada de lluvias, los residuos slidos que
permanecen en la va pblica son arrastrados por las aguas de lluvia,
hacia los drenajes de la ciudad.
Dentro de las fuentes de contaminacin por aguas pluviales, se
distinguen las siguientes: La contaminacin natural proveniente de
superficies no urbanizadas
La contaminacin ligada a actividades humanas y concentradas en
las superficies impermeabilizadas (calles y avenidas),son las
siguientes:
Es principalmente una contaminacin difusa, repartida sobre el
conjunto de la superficie de la cuenca aportante.
Su transferencia al medio receptor es intermitente y ligada a un
fenmeno natural aleatorio como la lluvia
Es extremadamente variable en el tiempo
Los contaminantes son transportados por las aguas.
Los contaminantes transportados por la escorrenta superficial
provienen de: la erosin del suelo, los residuos slidos acumulados,
la circulacin vehicular, los animales, etc.
Los efectos sobre el medio receptor originados por este tipo de
contaminantes son:
Incremento de la turbidez del las aguas del rio Chili, debido al
material en suspensin
Aporte de materia orgnica biodegradable.
Aporte de sustancias orgnicas y minerales
Aporte de bacterias patgenas
Aporte y acumulacin de residuos slidos 2.2.3. Aguas ResidualesLa
contaminacin del rio Chili tiene su origen en el vertimiento de las
aguas residuales de la ciudad de Arequipa. En las ltimas dcadas, la
poblacin se ha incrementado rpidamente, lo cual tambin ha generado
mayor consumo de agua potable y por consiguiente, la generacin de
un mayor volumen de aguas residuales domsticas.
Las aguas residuales son materiales derivados de residuos
domsticos o de procesos industriales, los cuales por razones de
salud publica y por consideraciones de recreacin econmica y
esttica, no pueden desecharse vertindolas sin tratamiento en lagos
o ros. Los materiales inorgnicos como la arcilla, sedimentos y
otros residuos se pueden eliminar por mtodos mecnicos y qumicos;
sin embrago, si el material que debe ser eliminado es de naturaleza
orgnica, el tratamiento implica usualmente actividades de
microorganismos que oxidan y convierten la materia orgnica en CO2,
es por esto que nos tratamientos de las aguas de desecho son
procesos en los cuales los microorganismos juegan papeles
cruciales.
2.2.4. Residuos SlidosLa poblacin se encuentra mayormente
asentada en la capital de la provincia de Arequipa y lugares
anexos, cubriendo el 88.65% de la poblacin total (498,073 hab.)
asentada en la cuenca del rio Vtor-Chili. La poblacin servida de la
ciudad de Arequipa representa al 96.87% de la poblacin servida
total (330,962 hab.) de la cuenca.
El uso del agua de la poblacin servida en la ciudad de Arequipa
es 28.38 millones de m3, mientras que para toda la cuenca es 29.98
millones de m3. El uso de agua realizado por la totalidad de los
pobladores es 32.25 millones de m', correspondindole el 96.74% de
este consumo a la poblacin urbana.
Otra fuente importante de contaminacin de las aguas del rio
Chili son los residuos slidos; se determin que los residuos slidos
son en mayor proporcin de origen domstico o domiciliario, generados
por las familias asentadas en el casco urbano central y en los
asentamientos humanos perifricos (59,9 %) y en menor proporcin de
origen comercial y de servicios (35,8 %) y de mercados (4,3%).
Estudios realizados por IPES indican que la produccin diaria per
cpita en el ao 1995 fue de 0,344 kg/hab/da, habindose registrado
una generacin de residuos domsticos de 33,3 TM/da, residuos
comerciales y de servicios de 19,9 TM/da y residuos de mercado de
2,4 TM/da, lo cual hace una produccin total de residuos slidos de
56,6 TM/da. La cobertura del servicio era de 43,9 % existiendo un
dficit de 56,1 % que equivala a 31,2 TM/da, sin recolectar.
2.2.5. Contaminacin con materia inorgnica, orgnica y
microorganismosLa mayora de la materia orgnica que contamina el
agua procede de desechos de alimentos, de aguas negras domsticas y
de fbricas y es descompuesta por bacterias, protozoarios y diversos
organismos mayores. Ese proceso de descomposicin ocurre tanto en el
agua como en la tierra y se lleva a cabo mediante reacciones
qumicas que requieren oxigeno para transformar sustancias ricas en
energa en sustancias pobres en energa. El oxgeno disuelto en el
agua puede ser consumido por la fauna acutica a una velocidad mayor
a la que es reemplazado desde la atmsfera, lo que ocasiona que los
organismos acuticos compitan por el oxigeno y en consecuencia se
vea afectada la distribucin de la vida acutica. Una medida
cuantitativa de la contaminacin del agua por materia orgnica (sirve
como nutriente y requiere oxigeno para su descomposicin) es la
determinacin de la rapidez con que la materia orgnica nutritiva
consume oxgeno por la descomposicin bacteriana. Inicial de materia
orgnica) del elemento nutritivo. La DBO de una muestra de agua
expresa la cantidad de miligramos de oxigeno disuelto por cada
litro de agua, que se utiliza conforme se consumen los desechos
orgnicos por la accin de las bacterias en el agua. La demanda
bioqumica de oxigeno, se expresa en partes por milln (ppm) de
oxgeno y se determina midiendo el proceso de reduccin del oxigeno
disuelto en la muestra de agua manteniendo la temperatura a 20 C en
un periodo de 5 das. Una DBO grande indica que se requiere una gran
cantidad de oxigeno para descomponer la materia orgnica contenida
en el agua.
El agua potable tiene una DBO de 0.75 a 1.5 ppm de oxigeno y se
considera que el agua est contaminada si la DBO es mayor de 5 ppm.
Las aguas negras municipales contienen entre 100 y 400 ppm pero los
desechos industriales y los agrcolas contienen niveles de DBO del
orden de miles de ppm. La reduccin de los niveles de DBO se hace
mediante tratamiento de las aguas negras.TABLA N4: valores tpicos
de demanda. Bioqumica, de
Oxgeno para aguas de diferente calidadTIPO DE AGUADBO mg/L
Agua potable0.75 a 1.5
Agua poco contaminada5 a 50
Agua potable negra municipal100 a 400
Residuos industriales500 a 10000
Fuente:http://www.sagan-gea.org/hojared_AGUA/paginas/16agua.html
A la descomposicin de la materia orgnica en presencia de oxigeno
se le llama aerobiosis y es el proceso ms eficiente para liberar la
energa de la materia orgnica. Por ejemplo, la aerobiosis de la
glucosa (C16H12O6) se puede representar mediante la ecuacin
qumica:
C6H1206 + 602 -> 6CO2 + 6H20.
................................
(1)
La descomposicin aerbica de las protenas que contienen nitrgeno
y azufre (representadas por la frmula general (CxHyOzN2S) se puede
representar mediante la ecuacin qumica no balanceada:
CxHyOz N2S + 02 >C02 + H2O + NH4+ + S042- ..........
(2)
Protena + oxigeno -----> bixido de carbono + agua + in amonio
+ in sulfato.
Cuando la materia orgnica que contamina al agua se he agotado,
la accin bacteriana de la desoxigenacin de las aguas contaminadas
oxida al in amonio, proceso denominado nitrificacin, se puede
representar mediante la ecuacin qumica inica:
NH4+ + 2 02 > 2H+ + H2O + NO3-
(3)In amonio + oxgeno----->in hidrgeno + agua + in
nitrato.2.2.6. Contaminacin del agua por microorganismosPATGENOS:
Por regla general, se considera que el agua es aceptable para beber
si: a) contiene menos de 10 bacterias intestinales en cada litro de
agua; b) si no presenta mal sabor, olor, color o turbiedad; c) si
no contiene impurezas qumicas en concentraciones que puedan ser
peligrosas para la salud del consumidor; d) si no son corrosivas
con respecto al sistema de conduccin del agua, y e) si no provienen
de sistemas acuferos sujetos a contaminacin por aguas negras u
otros contaminantes. El hombre vive en relacin intima con los
microorganismos sobre su piel y en su sistema digestivo. En estado
de salud, los humanos y los microbios viven juntos para beneficio
mutuo. Sin embargo, algunas personas sanas viven en armona con
organismos que pueden resultar patgenos para otros. Por ejemplo,
algunas personas estn adaptadas a las aguas con bacilos que
provocan disentera en otras personas. Por otra parte, resulta muy
fcil contaminar el agua con microorganismos como las bacterias
intestinales por lo que es muy difcil mantenerla libre de bacterias
intestinales y adems eliminarlas no es posible, ni benfico y
resulta muy costoso. Las bacterias coliformes son microorganismos
inofensivos para el hombre y residen en su intestino grueso y
abundan en la materia fecal. Forman parte de los desechos de las
aguas negras y no se desarrollan en el agua, de manera que un
recuento de las bacterias coliformes constituye un indicio del
grado de contaminacin de esas aguas.
Se considera que el nmero de microorganismos portadores de
enfermedad en el agua es proporcional al nmero total de
microorganismos y que una cantidad total baja representa un menor
riesgo de contraer una enfermedad. Sin embargo, se han dado casos
en que enfermedades virales han sido trasmitidas por aguas que
cumplen estrictamente con las normas de control de bacterias. Por
consiguiente, la presencia de que cualquier impureza tpica de las
aguas negras, inclusive si no son perjudiciales en si mismas,
implica que el agua en que se encuentran no deja de ser fuente
peligrosa de enfermedad. El agua contaminada puede estar sucia, mal
oliente, ser corrosiva, de mal sabor o poco apta para lavar la ropa
con ella. Sin embargo, para el hombre el efecto ms perjudicial del
agua contaminada ha sido la transmisin de enfermedades por
microorganismos que pueden habitar en ella. Por ejemplo, la fiebre
tifoidea causada por la bacteria Salmonella typhi, el clera causada
por la bacteria Vibrio cholerae (1), la disentera provocada por
parsitos como las amibas Entamoeba histoltica y la bacteria
Shiqella, la gastroenteritis causada por virus, bacterias y
protozoarios, la hepatitis infecciosa causada por el virus de la
hepatitis y la poliomielitis causada por el virus de la
poliomielitis. Tabla N 5: Niveles de indicadores de presencia de
bacteriaspatgenas y virus en lodosLodos sin tratarColiformes
totales
Coliformes fecalesStreprococci FecalEspecies de
SalmonellaPseudomonas
aeruginosa
Primario
Secundario
Mezcla106-108107- 108107- 109106- 107
107- 108107- 1091061061064 x 1069 x 1065 x 1063 x 103
1 x 102
103 - 105
Fuente : Ingeniera de Aguas residuales-Metcalf & Hed-1995Las
unidades son nmeros de organismos por gramo de peso seco
2.2.7. Oxigeno disuelto (OD)
El oxigeno disuelto en las aguas residuales indican el grado de
frescura o ranciedad de estas aguas, as como tambin necesidades de
proveerlas o no, de un adecuado control de sus olores.
En efecto indica entre otros, el estado de septizacin y
potencialidad de las aguas residuales para producir malos olores.
El Oxigeno Disuelto (OD) tambin es la cantidad de oxigeno que est
disuelta en el agua y que es esencial para los riachuelos y lagos
saludables. El nivel de oxigeno disuelto puede ser un indicador de
cuan contaminada est el agua y cuan bien puede dar soporte esta
agua a la vida vegetal y animal. Generalmente, un nivel ms alto de
oxigeno disuelto indica agua de mejor calidad. Si los niveles de
oxigeno disuelto son demasiado bajos, algunos peces y otros
organismos no pueden sobrevivir.Gran parte del oxigeno disuelto en
el agua proviene del oxgeno en el aire que se ha disuelto en el
agua. Parte del oxigeno disuelto en el agua es el resultado de la
fotosntesis de las plantas acuticas. Otros factores tambin afectan
los niveles de OD; por ejemplo, en un da soleado se producen altos
niveles de OD en reas donde hay muchas algas o plantas debido a la
fotosntesis. La turbulencia de la corriente tambin puede aumentar
los niveles de OD debido a que el aire queda atrapado bajo el agua
que se mueve rpidamente y el oxigeno del aire se disolver en el
agua.Adems, la cantidad de oxgeno que puede disolverse en el agua
(OD) depende de la temperatura tambin. El agua ms fra puede guardar
ms oxgeno en ella que el agua ms caliente. Una diferencia en los
niveles de OD puede detectarse en el sitio de la prueba si se hace
la prueba temprano en la maana cuando el agua est fra y luego se
repite en la tarde en un da soleado cuando la temperatura del agua
haya subido. Una diferencia en los niveles de OD tambin puede verse
entre las temperaturas del agua en el invierno y las temperaturas
del agua en el verano. Asimismo, una diferencia en los niveles de
OD puede ser aparente a diferentes profundidades del agua si hay un
cambio significativo en la temperatura del agua.Los niveles de
oxigeno disuelto tpicamente pueden variar de 0-18 partes por milln
(ppm) aunque la mayora de los ros y riachuelos requieren un mnimo
de 5 - 6 ppm para soportar una diversidad de vida acutica. Adems,
los niveles de OD a veces se expresan en trminos de Porcentaje de
Saturacin. 2.2.8. Nitrgeno total (NT)
El nitrgeno total en las aguas residuales crudas segn las
diferentes fechas de monitoreo vara entre 8.633 mg/L y 36.35 mg/L,
concentracin que puede ser considerada baja, segn la American
Public Healt Association (100 mg/l), sin embargo este amplio rango
de variacin, al parecer tiene relacin con el horario de muestreo.
El nitrgeno total incluye el nitrgeno amoniacal y el nitrgeno en
enlaces orgnicos (nitrgeno orgnico, nitrito y nitrato). El nitrgeno
total, cuando es vertido en cuerpos de agua, constituye un elemento
importante de eutrofizacin de all, la importancia de su evaluacin.
. (Estudio de la Contaminacin del rio Chili Bellamy, David y otros.
Salvemos la Tierra)
Nitratos (NO3)
La concentracin de nitratos en las aguas residuales crudas,
flucta entre 0.018 mg/l y 0.1 mg/l, la misma que puede ser
considerado baja, segn la American Public Healt Association, ya que
se encuentra muy por debajo de 0.1 mg/l; esto explica que durante
el recorrido de las aguas residuales a travs del colector no
existen procesos significativos de oxidacin, probablemente
favorecido por las bajas temperaturas del agua. El nitrato, es el
resultado de la fase final del proceso de oxidacin del nitrgeno; y
es la forma bsica como las algas y macrofitas lo aprovechan como
nutrientes bsico de su metabolismo. (Estudio de la Contaminacin del
rio Chili Bellamy, David y otros. Salvemos la Tierra)
Nitritos (NO2)
Los nitritos representan la fase intermedia del proceso de
nitrificacin, que para el caso de las aguas residuales crudas en
evaluacin, las concentraciones pueden ser consideradas como medias
ya que estas se encuentran por debajo de 0.011 mg/l y 0.026
mg/l.
Los procesos de oxidacin del nitrgeno a nivel del sistema
depende de la accin bacteriana, la misma que est en funcin del TRH
y de la temperatura. El proceso se inicia con la oxidacin del
amonio hasta la fase estable conocida como nitrato (NO3-N), segn la
siguiente reaccin:
NH4+ + 1,5 O2 -------- NO2- + H2O + 2 H+ + biomasa
NO2- + 0,5 O2 --------- NO3- + biomasa
Nitrgeno amoniacal (NH3-N)
Las concentraciones de nitrgeno amoniacal flucta entre 8.40 mg/l
y 36.29 mg/l, la misma que es considerada baja (10 mg/l), cuya
variacin de concentracin en el primer caso indica una baja
disociacin a partir de la materia orgnica disuelta; mientras en el
segundo caso expresa lo contrario. Es posible que en durante los
meses de invierno, las concentraciones de nitrgeno amoniacal se
reduzcan a niveles por debajo de 5 mg/l, aspecto que incidir
negativamente en los ndices de remocin de nitrgeno.
Fsforo total (PT)
El fosforo total al igual que el nitrgeno, constituye un
elemento importante, el cual si es vertido a cursos de agua, pueden
generar serios problemas de eutrofizacin. Este est conformado por
todas las formas de fsforo contenido en las aguas residuales. La
concentracin de PT en las aguas residuales oscila entre 1.16 mg/l y
10.650 mg/l.
Fosfatos (PO4)
Los fosfatos es la forma oxidada y/o estable del fsforo; forma
en la cual es aprovechado tanto por las algas y macrofitos, de all
la importancia de su evaluacin. La concentracin del PO4, flucta
entre 2.825 mg/l y 14.926 mg/l.; en el primer caso indica un bajo
nivel de oxidacin probablemente influenciado por la temperatura;
mientras en el segundo, la alta tasa de fosfatos expresan lo
contrario; sin embargo en ambos casos no tiene incidencia
limitativa en los procesos de tratamiento.
Slidos totales disueltos (STD)
La cantidad de slidos totales disueltos (STD) flucta entre 0.232
mg/l y 0.5 mg/l, considerada muy baja (> 50
mg/l).2.3.HIPOTESIS
2.3.1.Hiptesis General
Conociendo el tratamiento de digestin anaerbica de lodos de
aguas residuales, ser posible demostrar que es una tecnologa til
para la estabilizacin y el aprovechamiento de dichos residuos,
minimizando el impacto ambiental que producen y su recuperacin de
los mismos.2.3.2. Hiptesis Especfico Conociendo la cintica del
proceso ser posible definir la viabilidad de la digestin anaerobia
Conociendo el proceso de digestin anaerbica de lodos de las aguas
residuales se determinar su cintica qumica y modelo matemtico
Conociendo las caractersticas de los lodos a la entrada y salida
del proceso de digestin anaerobia ser posible determinar la
velocidad de degradacin de los lodos Las caractersticas de los
lodos a la entrada y salida del proceso de digestin anaerobia
permitir determinar la velocidad de degradacin de los lodos
Conociendo la tecnologa propuesta ser posible conocer los
parmetros ptimos de temperatura, concentracin y pH
2.3.3.Identificacin de VariablesLas principales variables del
proceso de degradacin de la materia orgnica en un sistema de
digestin anaerbico en aguas residuales, se estudian con el criterio
principal de obtener una mayor cantidad de rendimiento.
VARIABLE INDEPENDIENTE
Temperatura
pH Tiempo de residencia de los lodos en el digestor
anaerobioTemperatura
La temperatura es uno de los factores ambientales ms importantes
que afectan el crecimiento y la supervivencia microbiana. Puede
afectar a los microorganismos vivos de dos formas distintas
pH
Existen diferentes rangos de pH a los cuales los organismos se
desarrollan con mayor facilidad, la nica diferencia radica en el
hecho de que normalmente los organismos presentan un pH ptimo muy
bien definido.
Los organismos que crecen a pH altos son los alcalfilos, los que
crecen a pH bajos son los acidfilos
TiempoLa digestin anaerobia como todos los procesos biolgicos es
susceptible a la accin de materiales y sustancias que en cantidades
o concentraciones altas resultan toxicas o inhibidoras para la
actividad microbiana.
El tiempo de permanencia en el digestor anaerobio para
determinar el tiempo de tratamiento de los lodos y de la produccin
de gas es muy importante.CUADRO N 1: DEFINICIN
OPERACIONALDEFINICION NOMINALINDICADORESINDICES
VALORES
Vi : Causa
Efluentes con residuos orgnicos e inorgnicos
Temperatura
pH
Tiempo
C
Escalar
Das
Vd : Efecto
Contaminacin con lodos del rio Chili Partculas, lodos activos,
lechos bacterianos etc.
g/L
Variables intervinientes Calidad y volumen de los reactivos
mg/kg
Fuente: Elaboracin Propia
CAPITULO III
3.1. MTODO DE INVESTIGACION3.1.1. Investigacin Documental Segn
Cazares L., Christen|, M. y otros (1982) depende fundamentalmente
de la informacin que se recoge, consultas en documentos,
entendindose este trmino en sentido amplio, como todo aquel
material de ndole permanente, es decir, al que se pueda acudir como
fuente o referencia en cualquier momento o lugar, sin que se altere
su naturaleza o sentido, para que aporte informacin o rinda cuenta
de una realidad o acontecimiento. (Pag 16). 3.1.2. Investigacin
Experimental Parte experimentalSe emplear como materia prima
inicial lodos provenientes de las posas sedimentadoras en el rio
chili (la joya) Arequipa, y de la planta de tratamiento de aguas
residuales. Los lodos sern recolectados a travs de diversas
muestras de manera que se obtenga una muestra representativa del
caudal efluente.
En un digestor anaerobio mesoflico (33 a 38C) de 27.4m3 de
capacidad (ver fig N3), de los cuales 15.86 m3 sern ocupados para
el tratamiento de lodos y el volumen restante para el
almacenamiento de biogs. Para alimentar el digestor se utilizar
predominantemente lodo primario. Se alimentarn diariamente lotes de
lodo de 5 a 10 m3, con una concentracin de slidos suspendidos
totales (SST) de 1000 a 15000 mg/l, de los cuales la porcin de
slidos suspendidos voltiles (SSV) ser en promedio del 59%. El lodo
conducido por bombeo hasta el crcamo de alimentacin, ser tambin
bombeado hacia un sistema de calentamiento empelando una bomba
sumergible de 1 HP, para posteriormente introducirlo al digestor
por medio de un arreglo de cuatro tuberas paralelas ubicadas en la
parte inferior del mismo con el fin de hacer la alimentacin del
lodo lo ms uniforme posible. El sobrenadante desplazado por los
lodos de alimentacin, fue captado por dos canaletas ubicadas en el
interior del digestor, que a su vez vertan el sobrenadante a una
canaleta de recoleccin ubicada en el exterior del digestor. El
lquido pasaba despus al crcamo de recirculacin de sobrenadante por
medio de un tubo. Para completar el balance de agua, de manera
simultnea a la alimentacin, se evacuaba por bombeo un volumen de
sobrenadante igual al volumen de lodo alimentado diariamente. Para
ello se empleaban las bombas centrfugas horizontales de 1 HP de
recirculacin, las cuales normalmente operaban en paralelo con
ciclos de 24 horas cada una. La operacin de evacuacin de
sobrenadante ser llevada a cabo cerrando la vlvula hacia el
intercambiador de calor y abriendo la vlvula de evacuacin de
sobrenadante. Una vez efectuadas las operaciones de alimentacin y
la correspondiente eliminacin de sobrenadante, el digestor operar
en modo de recirculacin, manteniendo el bombeo de sobrenadante, con
la apertura de la vlvula hacia el intercambiador de calor y el
cierre de la vlvula de evacuacin de sobrenadante (figura 3). La
purga es el resultado del tiempo de residencia celular ser fijado
en el diseo, 10 das.
En el sistema de intercambio de calor, se emplear un calentador
de depsito casero. Los lodos y el sobrenadante ser introducido al
serpentn del intercambiador de calor con un flujo contrario al del
agua caliente en la carcasa; se introducirn por la parte superior
del serpentn, y saldrn por la parte inferior del mismo.
Las protenas y carbohidratos constituyen el 90% de la materia
orgnica de las aguas negras domesticas. Las fuentes de estos
contaminantes biodegradables incluyen los excrementos y orina
humana, los residuos y alimentos de los fregaderos, el polvo y la
suciedad procedente del bao y del lavado de ropa, mas varios
jabones, detergentes y otros productos de limpieza, el resto es
materia inorgnica. La DBO es el parmetro ms importante en el
control de la contaminacin del agua. Este dato se utiliza como una
medida de la contaminacin orgnica, como una base para estimar el
oxigeno necesario para los procesos biolgicos y como un indicador
del rendimiento de los procesos. (Metcalf y Hedi 1979, 1991).
Las condiciones de alimentacin al reactor anaerobio y parmetros
que se analizarn para el monitoreo del funcionamiento del digestor
se muestran en las tablas nos. 7 y 8.
TABLA N 6: CARACTERSTICAS DE LAS AGUAS NEGRAS DOMESTICAS CON
BASE EN CONTRIBUCIONES TPICAS PER CAPITA A LAS AGUAS RESIDUALES
Parmetros
DBO5 SS SD DQO COT P1 P2 N1 N2
Per capita (*)g/da
Lb/da
Concentracin (mg/L)b76 90 180 128 54 1.6 4.0 16 0
0.17 0.20 0.40 0.28 0.12 0.003 0.009 0.035 0
190 225 450 320 135 4.0 10 40 0
Fuente: Los valores se basan, en Metcalf y Hedi (1979,
1991).
DQO, estimada suponiendo que:
DBO5 /DQO =0.6
COT estimado suponiendo que DBO5 /COT =1.4. Con base en un flujo
de 400 L/d de aguas residuales
P1, fsforo de residuos de origen humano como P
P2, fsforo total (con detergentes a base de PO4) como P
N1, Nitrgeno por Kjeldahl (orgnico + NH3) como N
N2, nitrgeno de nitratos como N).
(*) Per capita.- Es el resultado de dividir un agregado entre la
poblacin total.TABLA N 7: CONDICIONES DE ALIMENTACIN DEL REACTOR
ANAEROBIOPerodoDasAlimentacinTRH
dasDQO
mg/LC.O.
kgDQO/m3dNaHCO3 g/LpH
1
1-150Vinaza al 100%5073380.81.4635.1
2
151-211Vinaza al 100%4073380.81.4634.9
3212-300Vinaza al 100%3573380.81.4635.2
TRH = Tiempo de residencia hidrulica, DQO = Demanda qumica de
oxgeno disuelta, C.O. = Carga orgnica
TABLA N8: PARMETROS QUE SE ANALIZARAN PARA EL MONITOREO DEL
FUNCIONAMIENTO DEL DIGESTORPARMETROFRECUENCIAPUNTO DE MUESTREO
Slidos suspendidos totales (SST; mg/l)
Slidos suspendidos voltiles (SSV; mg/l)
Slidos suspendidos fijos (SSF; mg/l)DiarioInfluente
Sobrenadante
Purga
Cama de lodos
pH (unidades de pH)DiarioInfluente
Sobrenadante
Purga
Cama de lodos
Relacin de alcalinidades ((; adim.)*Tres veces por
semanaSobrenadante
Purga
Cama de lodos
Coliformes fecales (CF; NMP/gST)SemestralInfluente
Cama de lodos
Actividad metangena (Ae;gCH4-DQO/gSSV*d)*MensualCama de
lodos
ndice volumtrico de lodos (IVL; ml/gSST)**SemanalCama de
lodos
Velocidad de sedimentacin (Vsed; m/h)**SemanalCama de lodos
** Tcnica normalizada en el Standard Methods y adaptada por el
Instituto de Ingeniera, UNI
* Procedimiento adaptado por la Coordinacin de Bioprocesos
Ambientales del Instituto de Ingeniera, UI
3.1.3. Digestin anaerobia
En el proceso de digestin aerobia, los lodos residuales sern
alimentados a un tanque en donde se mezclaran en condiciones libres
de oxgeno. Al no tener suministro de alimento los microorganismos
contenidos entran en fase endgena y como productos finales
obtenemos metano, dixido de carbono, cido sulfhdrico y trazas de
otros gases. La digestin anaerobia es un proceso que depende de la
accin de un consorcio de bacterias, clasificadas como hidrolticas,
acetognicas y metanognicas.El paso limitante dentro del proceso es
el de la metanognesis ya que las bacterias formadoras de metano, un
grupo de microorganismos anaerobios estrictos, son extremadamente
sensibles a los cambios en el medio ambiente.Los lodos crudos se
introducirn en la zona en la que el lodo se digiere activamente y
hay produccin de gas, normalmente los lodos se calientan por medio
de un intercambiador de calor externo, no se utilizaran equipos de
agitacin o mezclado, ya que las burbujas ascendentes de gas
arrastrarn partculas de lodo y otros materiales lo que
proporcionara el mezclado suficiente, es decir un sobrenadante.
Durante el proceso de digestin el reactor se estratifica debido a
que no existen mecanismos que propicien un mezclado ntimo, y solo
se empleara el 25-30 % del volumen del digestor.3.1.4.
Bio-reactores aerobios
Mediante un proceso biolgico viable ya sea aerobio, anaerobio u
otro es posible eliminar la materia orgnica presente en un
efluente, sin embargo los procesos aerobios son los mas comnmente
usados debido a que pueden llegar a ser hasta 10 veces mas rpidos
que los procesos aerobios lo que minimiza los costos derivados de
construccin y mantenimiento ya que son relativamente mas pequeos y
pueden permanecer abiertos a la atmsfera.La principal desventaja de
los procesos aerobios es que la materia orgnica se ira a
crecimiento biolgico (masa celular producida por la unidad de
materia orgnica biodegradable) esta tasa de crecimiento es
relativamente alta, mas o menos 4 veces que el producido por los
organismos anaerobios. La materia celular en exceso y otros
materiales insolubles debern ser evacuados como residuos
slidos.
La ecuacin de la respiracin celular y sntesis usando materia
orgnica usando como sustrato es la siguiente:
Materia +O2 + nutrientes CO2 + NH3 +Nueva + Otros Orgnica
Bacterias
Biomasa productos La estequiometra de un proceso microbiolgico
aerobio es:
celulas
s1CaObHcNdS + s2O2 s3CO2 + s4H2O + C5H7NO2 + s5NH3 +s6otros
Productos
Donde CaObHcNdS es la composicin elemental del efluente; a,b,c,
y d se determinan segn la composicin especifica del agua residual,
y C5H7NO2 es la composicin media de una clula (Metcalf y Hed, INC,
1991)
3.1.5. Bio-reactores anaerobios
Los arreglos con procesos aerobios generalmente son los mas
usados debido a que son mas econmicos, sin embargo cuando existen
necesidades especiales de tratamiento por presencia de ciertos
elementos como en el caso de los residuos peligrosos, los procesos
anaerobios presentan ventajas importantes sobre los anaerobios.
Los tres procesos microbiolgicos no aerobios utilizados con mas
frecuencia son:
1. Anaerobio (metanognesis)
2. Anoxido (reduccin de nitratos)
3. Reduccin de sulfatos
La reaccin metanognica tpica no ajustada es:
s1CaObHcNds s2CH4 + s3 CO2 + s4 H2O + C5H7NO2 + s5 NH3 +s6H2sA
menudo el biogs producido se recolecta y se quema para brindar
calentamiento al reactor lo cual acelera el proceso biolgico, es
decir, la reaccin.
En flujos en los cuales existe niveles altos de amoniaco se
emplea un proceso anxico posterior al tratamiento aerobio para
reducir los nitratos resultantes de la respiracin celular a gas
nitrgeno.
La reaccin no ajustada es:
celular
s1CaObHcNds + s2NO3 + s2H+ s3 N2 + s4CO2 + C5H7NO2 +s5H2O
En flujos que contienen altos niveles de sulfatos y compuestos
orgnicos, se pueden reducir los sulfatos mediante la oxidacin del
efluente orgnico. La reaccin no ajustada es:
S1CaObHcNdS + s2SO42- s2S2 + s3 CO2 + s4 H2O + C5H7NO2
Fig. N3: Digestin anaerbia convencional3.1.6. Limitaciones de
los procesos biolgicosLa biodegradacin es el mecanismo dominante en
el tratamiento de aguas residuales, domesticas e industriales y el
xito de estos procesos depende del destino final de los compuestos
contaminantes o peligrosos al final del proceso. Los principales
destinos para los compuestos peligrosos son los siguientes:
1. Biodegradacin. Como ya se mencion anteriormente este es el
mecanismo principal o dominante, en l el compuesto se destruye al
menos parcialmente, pero depender del tipo de microorganismo
presente, los aerobios no son muy eficaces mientras que los
anaerobios presentan tasas de degradacin altas ante compuestos
peligrosos o refractarios.
2. Evaporacin. Los compuestos voltiles pueden evaporarse
mientras estn en el sedimentador primario, en el bio-reactor, o en
el sedimentador secundario, debido a la aeracin o a la ventilacin
del bio-reactor.
3. Adsorcin a slidos y precipitacin. Los compuestos orgnicos que
se separan del agua y pasan a los slidos en el bio-reactor, como
por ejemplo los microorganismos, al final saldrn de la instalacin
en la evacuacin de los lodos.
En los lodos residuales de los procesos de tratamiento biolgico
con frecuencia se separan y precipitan metales pesados.
4. Escape. Los compuestos que no se biodegradan completamente,
volatizan se adsorben a los slidos saldrn del bio- reactor en el
flujo del efluente lquido descargndose en aguas superficiales o
marinas.3.1.7. Demanda bioqumica de oxigeno - DBO por dilucin
Se usa como una medida de la cantidad de oxigeno requerido para
la oxidacin de la materia orgnica biodegradable presente en la
muestra de agua y como resultado de la accin de oxidacin bioqumica
aerobia. La demanda de oxigeno de las aguas residuales es resultado
de tres tipos de materiales: 1) Materiales orgnicos carbnicos,
utilizables como fuente de alimentacin por organismos aerbicos
2) Nitrgeno oxidable, derivado de la presencia de nitritos,
amoniaco, y en general compuestos orgnicos nitrogenados que sirven
como alimentacin para bacterias especificas (Nitrosomonas y
Nitrobacter)
3) Compuestos qumicos reductores (in ferroso, sulfitos,
sulfuros, que se oxidan por oxigeno disuelto).En las aguas
residuales domsticas, casi toda la demanda de oxigeno se debe a
materiales orgnicos carbnicos. Para los efluentes que van a estar
sometidos a tratamientos biolgicos una parte considerable de la
demanda de oxigeno puede deberse a la nitrificacin.
La D.B.O. tambin representa la cantidad de oxigeno consumido por
los grmenes aerobios para asegurar la descomposicin dentro de
condiciones bien especificadas .de las materias orgnicas contenidas
en el agua a analizar. El fundamento del mtodo, consiste en medir
la cantidad de 02 disuelto en un medio de incubacin al comienzo y
al final de un periodo de 5 das, durante el cual la muestra es
mantenida al abrigo del aire, a 20 C, y en la oscuridad para
inhibir la eventual formacin de Q2 por las algas.
Segn Me Kinney (1962), "El test de la D.B.O. fue propuesto por
el hecho de que en Inglaterra ningn curso de agua demora ms de 5
das en desaguar (.desde nacimiento a desembocadura). As la D.B.O.
es la demanda mxima de oxigeno que podr ser necesario para un curso
de agua"
La Demanda Bioqumica de Oxgeno (DBO5), es un parmetro importante
a ser tomado en cuenta en los diseos de sistemas de tratamiento; ya
que por un lado sirve para determinar el rea total del sistema de
tratamiento y el tiempo de retencin hidrulica (TRH) necesario; y
por otro lado como indicador de contaminacin de los cuerpos de
agua.
La DBO5 indica la cantidad de oxgeno requerido por los
microorganismos para estabilizar la materia orgnica biodegradable
en 5 das; mientras ms alta sea la DBO5, mayor ser la demanda de
oxgeno, la misma que en trminos de rea requerida, tambin ser
mayor.3.1.8. Determinacin de la demanda bioqumica de oxgeno (DBO)Se
determinar mediante el mtodo BODTrack el cual consiste en una
incubacin de 5 das a condiciones especficas con soluciones
nutritivas (anexo 1). Los resultados se obtienen a travs de la
lectura directa del BODTrack
3.1.9. Determinacin de la demanda qumica de oxgeno (DQO)
La DQO se determinara mediante la digestin de la muestra con
soluciones cidas durante dos horas de acuerdo al mtodo 5220 B del
Standard Methods (anexo 2). Los resultados se obtendrn mediante
titulaciones hasta observar el vire del indicador.
3.1.10. Determinacin del porcentaje de humedadLa humedad
presente en los lodos se determinara mediante la evaporacin del
agua presente en la muestra segn tcnica establecida en la
NMX-AA-016-1984. (Anexo 3). Los resultados se obtendrn por
diferencia de peso y despus por evaporacin.
3.1.11. Determinacin de slidos sedimntalesLa cantidad de slidos
sedimntales se determinara a partir de la metodologa establecida
por el mtodo 2540 F del Standard Methods for the Examination of
Water and Wastewater (anexo 4) 3.1.12. Determinacin de slidos
suspendidos totales, voltiles y fijosLa cantidad de slidos
suspendidos totales, voltiles y fijos se determinara a partir de la
metodologa establecida por el mtodo 2540 G del Standard Methods for
the Examination of Water and Wastewater (anexo 5).
3.1.13. Determinacin de nitrgeno totalSe determinara mediante el
mtodo HACH el cual consiste en una digestin a 105 C con cido
sulfrico y persulfato (anexo 6). Los resultados se obtendrn a travs
de la lectura directa del espectrofotmetro.3.1.14. Determinacin del
fsforo total Se determinara mediante el mtodo HACH COLORIMETER el
cual consiste en una digestin con sustancias establecidas por el
mtodo (anexo 7). Los resultados se obtendrn a travs de la lectura
directa del colormetro.
3.1.15. Medicin de temperatura Se obtendr directamente mediante
la inmersin de un termmetro
3.1.16. Medicin del pH
El valor de pH se determinara directamente mediante el
pHmetro.
3.2. MODELO MATEMTICO PARA LA INVESTIGACIN3.2.1. Identificacin
de variables del proceso para el diseo experimentalExisten tres
tipos de variables de los que depende el control de un sistema.
Las variables de entrada y salida en el proceso de degradacin de
materia orgnica se muestran en la grfica siguiente:
La Ecuacin es: Y1 = bo + b1x1 + b2x . (a)
VARIABLES
VARIABLES DE CONTROL VARIABLES DE DE ENTRADA
SALIDA
Temperatura = A
pH = B
Concentracin
P = cte.de sustancias Tiempo = D inorgnicas
y orgnicas = C
Diseo factorial Es una tcnica estadstica que permite planificar
eficientemente la experimentacin de modo que con un nmero mnimo de
ensayos se logra determinar la significancia de cada una de las
variables independientes a ser evaluadas, el efecto de sus
interacciones y se obtiene un modelo matemtico emprico, que
constituye la base para un proceso posterior de optimizacin.
El desarrollo de la presente investigacin se basa en el diseo
factorial de Kafarov, tcnica de anlisis estadstico que nos permitir
planificar y estimar adecuadamente los factores investigados.
Para nuestro caso los factores sern optimizados en experimentos
factoriales generales, tomndose en cuenta tres factores con dos
niveles.
Para la determinacin de la muestra o nmero de experimentos, en
un diseo factorial completo se da la siguiente ecuacin:
N = 2k
Donde:
N = Nmero total de experimentos
k = Nmero de variablesPor ejemplo: para nuestro caso, como hemos
mencionado, se realiza un experimento que depende de tres factores
y se plantea dos niveles, por lo que se requerirn:
Nmero de experimentos = mk = 23 = 8 experimentos
Cuya resolucin ser la siguiente:
TABLA N 9: MEDIDAS Y TIEMPOS UTILIZADOS EN EL EXPERIMENTO DE LA
TABLAVariablesNivel
-1Nivel
+1Punto
Central
X1: Temperatura
X2: pHX3: Tiempo
Fuente: elaboracin Propia
1. Transformacin de variablesa) Clculo del promedio:
Donde:P = Promedio
Zjmax = Nivel mximo de las variables Xi
Zjmin = Nivel mnimo de las variables Xi
b) Clculo de la diferencia
Donde:
D = Diferencia
c) Cambio de variables 2. Nmero y configuracin de experimentos3.
Clculo de la varianza
a) Clculo del promedio
Donde:
Yi = Puntos centrales
b) Clculo de desviaciones cuadrticas
SDC = (Y Y1)2 + ( . )
Donde:
SDC = Desviaciones cuadrticas
c) Clculo de varianza
Donde: C= Grados de libertadd) Clculo de desviacin estndar
Donde:
S2e= Varianzak = Nmero de coeficientes de la ecuacin de
regresin
N = Nmero total de datos experimentales4. Formulacin de la tabla
factorial para anlisis de datosPara el diseo factorial de dos
niveles y tres factores se realizan ocho pruebas. Si se agrega una
variable ficticia X0 en la que todos sus elementos son +1, resulta
la siguiente tabla:
TABLA N 1: Anlisis del Diseo Factorial 23N DE
EXPERIMENTOSX0X1X2X3RESPUESTA
1+1-1-1-1Y1
2+1+1-1-1Y2
3+1-1+1-1Y3
4+1+1+1-1Y4
5+1-1-1+1Y5
6+1+1-1+1Y6
7+1-1+1+1Y7
8+1+1+1+1Y 8
9+1-1,6800Y9
10+10+1,680Y10
11+100-1,68Y11
Los puntos centrales corresponden a las celdas 9 al 11 y Y las
variables respuestas.
5. Ecuacin de regresinLlegaremos al siguiente modelo de
ecuacin:
Y = bo +b1X1+b2X2+b3X3+b4X1X2+b5X1X3+b6X2X3+b7X1X2X3
Donde:
Y = Variable respuesta
X1 = pHX2 = Tamao del biosorbente
X3: Peso del biosorbente
bi = Constantes del modelo matemtico (se calcular)6. Clculo del
efecto de la curvaturaa) Promedio de los experimentos
factoriales
b) Promedio de los puntos centrales
c) Efecto de la curvatura
7.Bondad de ajustea) Clculo de desviaciones cuadrticas entre
valor experimental y valor predicho con ecuaciones de regresin.
b) Clculo de varianza residual
Donde:
N = Nmero de pruebas
L = Nmero de coeficientes significativos en la ecuacin de
regresin
c) Clculo de F
Donde:
F = Estadstico de Fisherd) Determinacin de F de tablas para la
probabilidad del 95 % con f1 = a y f2 = b grados de libertad: Fp
(4,2) = H.
e) Existe bondad de ajuste en tanto F
