1 4 6 6 6 2 UNlVEdSlDAD AUTONOMA METROPOLITANA

LIC.' JULIO DE LARA ISASS1 Coord. Sistemas Escolares P r e s e n t e .

Por medio de la presente se hace constar que el alumno, cuyos datos se describen a continuacih, concluy6 su Servicio Social.

NOMBRE: L R K E Z CASTILLO NORMA ANGELICA

MATRICULA: 83235336

LICENCIATURA:. Ingenieria de los Alimentos

PROYeCTO A t a m i e n t o por digesti6n anaerobia de-excreta de

. . ,s. T. -

cerdo en suspensi6n por medio de un reactor UASB.

Se extiende la presente para los fines que al interesado convengan a los tres das del mes de marzo de mi l novecientos noventa y dos.

UNIDAD IZTAPklAPA Av. Michoacán y La Purísima, Col. Vicentina, Iztapalapa, D.F. C.P. 09340. Tel.; 686-03-22

i46662

TRfiTflHIENTO POR DIGESTION fiNCIEROBIA DE EXCRETA DE - CERDO EN SUSPENSION POR - MEDIO DE UN REACTOR UCISB,

OB JET I UDS: 1, TRATAR LAS ANCIS RESIDUALES

DEL LAVADO DE COMALES DE - CRIA DE CERDO,

2 , CONTROL DE U# REhCfOR UASB A NIUEL LABORATORIO C O N EL FIN DE OBTENER ChRACTERISTICkS F I S I C O UIMICAS HOMOGENECIS DEL EFLUEN 9 E.

RESUMEN

Las aquas residuales generadas en las operaciones de limpieza de las granjas porcfcolas contienen una alta concentracidn de materia organica susceptible de ser tratada por digestidn anaerobia. En el presente trabajo se utiliza un reactor UASB, trabajando a una temperatura de 37 oC, un tiempo de retencih hidrauliw de 24 horas y un aumento gradual de la concentracidn organics.

Los resultadas mostraron que a diferentes diluciones del efluente (1000 a 5000 mq DQO/1), la concentracidn de salida se mantuvo en 500 mg DQO/1 hasta que al llegar a 5000 mg DQO/l la concentracidn aumentd a 1100 mg DQO/l.Se encontrd que a la carga orqdnica d e 3 g/l se obtiene una eficiencia de elimhacidn maxima del 90%.

Respecto a los parAmetras utilizados para el control del reactor, se observd que la alcalinidad aumentt, conforme se increment4 la cm~entracibn de DQO y que de esta alcalinidad total, aproximadamente un 10% corresponde a bicarbonatos. Por 10 que se refiere a la capacidad amortiguadora, se obtuvieron valores positivos lograndose el balance adecuado para evitar una disminucidn d e la actividad metanogenica. El pH de alimentacidn fue d e 8.5 y el de salida de 7.5 .

i

INTRODUCCION

La si tuacidn en materia de infraestructura para la prevencidn y control de la contaminaci6n del agua en Mdxico es preocupante, tanto por el limitado nQmero de plantas de tratamiento existentes, como por las eficiencias que alcatan. Es as€ que, de acuerdo con datos de la Comisidn Nacional del agua CCNI1, 1989), en las 650 poblaciones mayores de 10000 habitantes, existen 256 plantas de tratamiento con capacidad instalada para 14 m W s , que representan un 12 % del caudal evacuado. Lo mas grave es que s6lo el 5 Y. (13) de las plantas alcanzan eficiencias mayores al 80 %. Los tipo5 de proceso adoptados se presentan en la tabla 1. A esta situacidn hay que añadir que prdcticamente no existe tratamiento de los lodos de desecho (la planta de estabilizacibn de los lodos requieren montos de inversi6n cercanos, a los de la planta de tratamiento de aguas).

E5 pues evidente que los procesos convencionales de tratamiento no han representado un respuesta adecuada a la necesidades de sanemamineto de lo cuerpos de aqua del pais. Las razones son diversas pero la que se manifi Sta con mas frecuencia es la falta de operacibn y el abando en que se encuentran las plantas. Son muchos los casos e el que el municipio no puede solventar los consumos de energid de los

. procesos aerobios, pues si bien los creditos para su construccidn son manejables, no 5e consideran los recursos para operacibn y manetenimiento al momento de seleccionar el proceso. Ante tal situacibn y frente a la demanda creciente de planta5 de tratamiento, resultado a su vez de una politica mAs estricta por parte del gobierno, es necesario reconsiderar las opciones tecnolbgicas disponibles y no limitarse sistematicamente a los procesos convencionales.

9

Tabla 1 Número y tipo de plantas de tratamiento d e aguas residuales urbanas existentes en Mexico (CNA, 1989).

PROCESO CANT I DAD

-Lagunas de estabiliza-

-Tratamiento primario -Tratamiento secundario *Lodos activados *Clereacibn extendida *Filtros rociadores *Zanjas de oxidacien *Lagunas aeriadas *Otro tipo

ci6n

TOTCIL

130

256 ( 8 5 )

x

S4

13 33

1 00

En el caso particular d e la industria porcicola, que es una de las actividades pecuarias mas importantes de México. La distribucidn nacional de este ganado se clasifica bajo dos grandes caracteristicas: criados en pequeños terrenos rurules o semiurbanos o bien concentrados en instalaciones especializadas y altamente tecnificadas.

En algunas regiones del pais las qranjas porticolas albergan en terrenos pequeños una alta cantidad de animales, que aunado a la falta 'de planeacidn en la ubicacidn y distribucibn de las mismas, constituyen problemas de tipo ambiental y social. El factor comdn de ambos aspectos 10 determina el desecho orgdnico derivado de estas granjas, ya que se estima un potencial residual de cuatro mil toneladas de estiercol por cada dos millones de cerdos.

El estiercol de cerdo es altamente nocivo, en su calidad de agente contaminante potencial de las aguas superficiales. Este estiercol es de naturaleza d c i d a con pH de 6 a 6 . 5 ; tiene una alta concentracidn de materia orgdnica putrescible (Sdlidos ValAtiles +200 Q VSo/l); su demanda bial6gica de oxigeno es d a 40,000 a 50,000 mg/l y su concentracidn de &cidos grasos esta entre 10060 y 15000 mg/l.

De los distintos sistemas de limpieza y recolecci4n de estiercol utilizados en las granjas porcicolas destacan, por su L~SO generalizado, las correspondlentes a paleo, arrastre con agua y su combinacidn. Sin embargo, independientemente d e l sistema de limpieza y recoleccibn empleados, el efluente contiene cargas orgdnicas que impiden su reutilizacidn o su canalizacidn a rios y lagunas. Por tal motivo se requiere de sistemas de tratamiento de las aguas residuales antes de ser vertidas al medio ambiente,

Existen distintos mWodos alternativos de tratamiento de las aguas residuales, mismos que se encuentran en funci6n de diversos factores, tales como: sistemas de limpieza empleados, localizaci&tn de las granjas, terreno necesario para instalar la planta de tratamiento,terrenos agricolas colindantes, cantidad de cerdos, etc. Considerando estos aspectos y restricciones, los sistemas de tratamiento se agrupan en la siguiente forma:

Lagunas Aerobias

Cornposteo SISTEMAS AEROBICIS Secado por Aire

Digestores

Lagunas finderobias SISTEMAS CINEIEROBIOS

1 4 6 6 6 2

De los digestores anacrobicos los modelos mas empleados entre los sistemas d e particular suspendidas son el sistema de contacto (Schroepfer; 1955) y el reactor de flujo ascendente con lecho expandido de lodos (UfiSB) (tettinga; et. al. 1980): y los modelos de película fija se encuentra el reactor empacada con flujo ascendente (filtro anaerbbico) (Young and Mc. Carty; 1968) y e1 reactor d e lecho fluidizado (Switzerbaun and Jewell; 1980). La forma de trabajo d e estos digestores han sido modificados radicalmente por diversos desarrollos tecnolbqicos, basados en la necesidad de mantener una concentracidn alta de lodos bioldgicamente activos.

La aplicaci6n del proceso anaerdbico en el tratamiento d e aguas residuales con alto contenido de material organic0 ha sido revisado profusamente por diversos investigadores (finderson and Donelly; 1977) (Obeyashi et. al.; 1981) y se han estudiado diversos sistemas tanto de particulas suspendidas como de pelicula fija y sus aplicaciones han sido

satisfactorios. muy variadas, habiendose alcanzado resultados muy

La efectividad d e la diqestidn anaerbbica en la remocibn de la materia orgdnica d e las aguas residuales estd fuertemente influenciada por la permanencia de la biomasa bioldqicamente activa en el interior del reactor, lo cual ha sido probado en estudios cinbticos (Anderson and Donelly; 1978)

En la actualidad, la aplicacidn d e la digestibn anaerobia esta teniendo un gran impulso a partir de las ventajas que ofrece, tales como: eficiencia, relativa simplicidad y bajo costo d e operacidn y mantenimiento. Así mismo se ha intensificado la investigacidn y el desarrollo de nuevos reactores.

Ademas d e las ventajas inherentes a la digestidn anaerobia, los reactores d e tipo lecho de lodos de flujo ascendente (UASB), presentan una construcci6n relativamente simple y no requiere de material de soporte ni equipo electrolmecanico (con excepci6n de la bomba d e alimentacibn). Ademas estos reactores tienen una alta concentracibn de microorganismos en su interior , soportan altas cargas orghicas y muestran una baja sensibilidad a los cambios de la alimentacibn. Todos estos aspectos los convierten en los mas iddneos dentro de los sistemas anaerobios.

El tratamiento anaerobio comprende una serie de reacciones para la degradacidn d e la materia organica en ausencia de oxigeno molecular, este proceso es realizado Por microorganismos anaerbbicos y anaerdbicos facultativos los cuales transforman el material orghico a metano y bibxico de carbono, principalmente. (Esquema 1) . El mecanismo de tratamiento en un reactor URSB se divide en las etapas que se muestran en el Esquema 2.

i L 1

E S Q U E M 2. ETAPAS DEL PROCESO AWEROBIO REbCtOR UISB

2W TRATAMIENTO

BIOLOGIC0 P DE

LOWS

I

+-I cnnacxm DEL I C W I W M P I

1

Entre los avances obtenidos en los bltimos años para el tratamiento de aguas residuales de granjas porcicolas se encuentran:

El trabajo de Camarero, L ; et. al. 1988., en el que se realiza un estudio de sedimentacidn por medio de floculantes como tratamiento final de la digestim anaerobia. El experimento se llevb a cabo con un reactor CM (Completly- mixed), a 3SoC , un tiempo de retencidn hidraulica de 10 dias,el efluente con una concentracibn de 11 g/l ST, un pH de 8.2 y DQO 12,000 ppm. Los das tipos de floculantes utilizados son polimeros orgdnicos e inorganicos (Nalcolyte/Nalco Española, S.Am 1 Investigando as5 la velocidad de sedimentacidn de cada tipa de floculante para diferentes concentraciones de -medio (1-lQ00 ppm) as5 como la influencia de el pH de excreta-agua (6-91. Los, resultados obtenidos son:

El uso de floculantes mejora el funcionamiento de la sedimentacidn de efluentes anaerobic05 en el que los floculantes anibnicos y no anidnícos con respecto a aquellos de naturaleza inorganica muestran apreciablemente un inferior nivel d e eficiencia, El intervalo de pH en el cual hay un mejor funcionamiento de sedimentacidn es producido entre 7 y 8. Existe saturacibn de los efluentes alrededor de 100 ppm y eficiencia5 similares para valores de 20 ppm.

El trabajo de Urbano, C; et. al. 1988 en el que se realitb un estudio comparativo del comportamiento de dos reactores DSFF (Descendinq-Flow-Fixed-Fi lm Digester) y CM (Completly-Mixed- Flow) en la produccibn.de biogds (energid) y La eliminacidn de carga orgdnica CDQO). €1 experimento se llev6 a cabo con las siguientes caracteristicas: Una concentraci6n de 25 q ST/1 y carga organíca de 50 000 ppm, trabajando a 35 oC durante 6 meses. Obteniendose para tiempos de retencibn altos (6-10 Dias) la productividad de gas de el digestor CM representa aproximadamente el 60 X de el que se obtuvo en el DSFF el cual alcanza una figura alrededor de 0.4 m*3 de gas /Kg CODO. Y los valores tipicos de los pardmetros de operacidn estan entre los rangos : pH = 7.5 - 8.5 , VFA < 1500 ppm, reducci6n VS 40 X , HZ 1-2 X , CH4 68-71 X , produccidn de gas 1.5 - 4 L/L dig-dia (DSFF), 1 - 1 - 1.3 (CM), HRT > 6 dias (CM), HRT > 1 dia (DSFF).

El trabajo de Marques I., et. al. 1988. Dos filtros anaerobios de flujo ascendente operados a 25 y 35 PC. son usados para la deqradacidn de efluentes de cerdo en un rango concentrado de 3 hasta 7 Kg DQO/m"Sd y un tiempo d e retencidn hidrhulica de 1 a 13 dfas. Estudiandose la produccidn total de energía de dos digestores y la funcidn de la temperatura en la fermentacibn, obteniendose una produccidn d e biogas a 25 OC en el rango de 71.5 a 81.4 % de metano y de 70.6 a 79.5 % a35 oC. Y el filtro anaerobio muestra habilidad en los rangos largos de lodos organices y TRH así como resistencia a operacibn discontínua que hacen susceptible la degradacidn de desechos de cerdo.

El trabajo de Jern W. y Kee C., 1986. En el que se realizb un estudio de dos etapas d e diqestibn anaerobia con aguas residuales de excreta de cerdo en dos reactores (16 1) a escala laboratorio. Intentando separar y conservar la formacidn d e Acido y metano. La fase de separacibn fue intentada por manipulacibn del tiempo de retencidn hidráulica en los reactores. La mezcla entre ellos fue lograda por recirculacibn con flujos continuos. Obteniendose que la fase de serapacibn no puede lograrse por manipulacidn del tiempo de retenci6n hidrdulica.Sin embargo una predoninancia de especies podrfa logarlo. En terminos 'de carga org6nica removida fue 85 X en una configuracidn de 5 y 16 dias y superior a 78 X en 3 y 8 dias. El gas producido fue predominantemente Didxido de Carbono. En la tabla 11, se observan los resultados obtenidos en distintos trabajos realizados tanto con aguas residuales porcicolas como con aquas sinteticas, Respecto a la remocidn, en el presente trabajo se obtienen porcentajes debido a que el tiempo de adaptacidn de los microorganismos es de aproximadamente 28 d€as aunado a las condiciones que favorecieron la actividad de los lodos. Similares porcentajes se alcanzaron <Me j€a G., Magaña c\. , 1896) (Vasquez E. ,Me jia 6 . ; 1988) con un mayor contacto entre la materia organics y los microorganiamos mediante el mecanismo de agitacibn. Por otra parte, posiblemente la falta de agitacidn y el poco tiempo de adaptacidn (un dila) de los microorganismos a su nuevo flujo son razones que influyeron para obtener uiia eficiencia de 57.2% {Pacheco R. ,Turcio S. ; 1986).

1 4 6 6 6 2

PACHECO R.,TURCIO S. MEJIA G-qMAGAfiA VASQUEZ E.,MEJIA G 1990 1986 1988

AGUAS RESIDUFILES AGUAS RESIDUALES AGUAS SINTETICAS PORCICOLAS PORCICOLAS

SIN AGITACION

TRH = 24 H.

EFICIENCIA 57.2 x

DQO = 7.63 Kg/mA3d

CON AGITACION

TRH = 5 DIAS 2.5 DIAS

EFICIENCIA 90 x Y a2 x

"

CON AGITACION

TRH = 1.3 DIAS

EFICIENCIA 90 x

DQO=7.5 Kq/mA3d

MATERIAL Y METODOS

El digestor anaerobio fue can~truido con un tubo de v i d r i o de 100 m de altura y 9 . 5 cm de diametro interno, con lo que se obtuvo un volumen de 5.6 l.’ El reactor fue alimentado en flujo asc.endente con una bomba peristdltica a un TRH de 24 horas. ( f i g . 11

En la parte superior se adapt6 un dispositivo formado por un tapdn de hule , un embudo y un deflector con la doble funci6n de impedir- la salida de los lodos activados y favorecer fa svacuacicin del biogas producido. El biogas fue evacuado hacia una columna de medicidn llena d e soluci6n salina a pH inferior a 4. Esta soluci6n tuvo por objeto reducir la solubilidad de los gases, especialmente del CO= y facilitar la cuantificaci6n de biogas.

El digestor fue pueeto en operacidn utilizando lodos anaerobios activados y colocados en un cuarto con temperatura controlada de 37 oC.

El agua de alimentacidn fue preparada por medio d e excretas frescas d e cerdos alimentados con dieta balanceada (esta excreta fue proporcionada por el CINVESTAV). La preparacibn del agua residual se bas6 en el peso de una cantidad de excreta de cerdo diluida en agua de la llave, ajustando una DQO de entrada de acuerdo a la tabla 2, para romper los s6lidos grandes se agitd con una paleta por 20 minutos.se tamiz6 con una malla No. 20 para separar particulas de gran tamaño.

TABLA 2

TRH (Horas) DQO (mg/l)

24 24 24 24

1000 2000 3000 4000

Para el control analitico del proceso se realizd el analisis del influente y del efluente del reactor de acuerdo a las técnicas recomendadas por Standard Methods (CIPHCI 1 9 8 5 ) ~ par Archer y Powel (1989) (incluidas en los anexos), considerando las frecuencias y los parametros que se indican en la tabla siguiente:

TABLfi. ANALISIS EFECTUADOS Y FRECUENCIA (dias por semana)

PH 6lcalinidad DQO AGV*

INFLUENTE 3 2

EFLUENTE o 3 2

3 diario

3 diario

* Realizado en el Ctltimo mes.

RESULTADOS

La eficiencia del proceso se evalu6 en base a la remocidn de la materia organica presente en las aguas alimentadas al digestor, medida como DQQ; asi como el comportamiento con las mediciones de alcalinidad , pH, AGV. En la tabla I se resumen los resultados alcanzados en el estudio.

TABLA I. RESULTADOS PROMEDIO DEL EXPERIMENTO

TRH 'FLUJO DURACION DQQ0 DQO 1 ( h r ) (ml/min) (dias) (rng/l) (mq/l) 24 3.9 27.9 1375. O 596.73 24 3.9 71.80 1771.8 549.72 24 3.9 97.00 2134.55 453.92 24 3.9 116.67 30t55.53 421 . 97 24 3.9 135.56 4450.56 1266.8

En la figura I se observb como la concentracidn de carga organica se redujo apraximadamente a 500 mgDQW1 despues del tratamiento, a pesar de que la alimentaci6n se increment6 hasta aproximadamente 5000 mgDQO/l. Se aprecia tambien que el reactor soporta cambios bruscos en la consentracidn de las cargas organicas manteniendo una salida constante de mgDQO/l .

FIGURA I

DQO 700 ,

500

En la figura I1 se observa que mientras en los intervalos de 2 a 3 Kg DQO/m”-3d se obtuvieron eficiencia5 de 80 y 90 por ciento, respectivamente, en la vecindad de 4KgDQO/m^3d la eficiencia decreci6 hasta 60’ por ciento. De igual forma se aprecia, en la figura 1 1 1 , una eficiencia glonal del obtenida mediante un ajuste lineal d e la ecuaci6n.

FIGURA I1 REMOCION

0.6

FIGURA I11 CARGA ORGANICA REMOVIDA

4.5

3.3

2 5

2

I .S

1

0.5

O

.-

1 4 6 6 6 2

En algunos digestores piloto (Young, et. al; 1986) los resultados obtenidos muestran un pH de 7 a 7.8, este intervalo depende del grado de dilucidn del estiercol en el influente. Basiandonos en estos parametros, podemos decir que de los resultados obtenidos durante nuestro proceso, figura I V , se obtuvo un pH promedio de entrada de 8.5 y uno de salida de 7.5, indicandonos as2 un buen funcionamuento del reactor. Las variaciones de pH por abajo de 4.8 y por arriba de 8.2 hacen que el contenido de metano en el biogas producido sea bajo (Kutsa, et al, 1969). Debido a problemas de diseño en la recaleccibn del gas, no fue posible obtener mediciones del volumen producido.

FIGURA IV pH

m k8 a e U+ 6.2

B 7.8

7.6

7.4

7.2

7

0.8

L B

a4

6.2

La alcalinidad es un pardmetro que nos informa principalmente sobre el equilibrio Acido-base que se da en el sistema entre los AGV y CO generados; de esta forma en la fig. V se observa que la alcal inidad aumenta conforme se incrementa la concentratracidn de materia orgianica, llegando a 52 me11 a la salida y 43 me11 a la entrada. Comparandose con la fig. VI los resultados de los bicarbonatos alcanzan los 42 me11 tanto a la entrada como a la salida que corresponden a un ,8 .08 y 9.76 por ciento, respectivamente, de alcalinidad total.

.

FIGURA V ALCfiLXNIDAD

55

50

45

40

35

30

25

20

1s

10

S

TIEWO(diom} o ENTRADA + SALIDA

FIGURA VI BICARBONATOS

4

3.5

3

25

2

1.s

1

as

O

A pesar .de los resultados obtenidos no fue necesaria la rdici6n de bicarbonatos al medio, pues como 5e aprecia en la figura VII , la capacidad amortiguadora, estimada como la diferencia entre la alcalinidad total y la cantidad de acidos volatiles totales se obtienen valores positivos, alcantandose el balance que debe existir en el medio para evitar una disminucidn de la actividad metanogénica.

23

20

15

o

-3

-14

l-

CONCLUSIONES

La aplicaidn de diqestores anaerobios en el tratamiento de las aguas residuales de las granjas porcicolas mejorarfa sustancialmente las problemas de tipo ambiental generados en las zonas vecinas a estas granjas. Sin embargo, dicho tratamiento no elimina del todo las cargas orgAnícas existentes, para lo cual es necesario un proceso complementario de pulimiento que permita el reciclaje de estas aguas con una .calidad adecuada para su empleo. Cabe destacar que el efluente obtenido de este estudio, fue sometido por el CINVESTW a un tratamineto posterior, obteniendo resultados satisfactorias.

A partir d e la informacidn de la concentracibn de DPO d e entrada y de la medicidn de alcalinidad, pH y acidos grasos volatiles fue posible controlar la concentracidn d e salida del reactor UASB, obteniendo en este experimento un proceso estable con eficiencia de remocibn de materia organica d e hasta 90%.

Se recomienda la adaptacibn del proceso recirculando el efluente y manipulando el caudal de entrada, a efecto de comprobar un posible control estable sobre la concentracidn de DQO d e salida, aumentando asi los mdtodos y la eficiencia en el tratamiento d e las aguas residuales.

DIAGRAMA PAM LA DEIERIIMCION DE DQO

L a v a r tubos ta- pones $on H Z h 4 a l 20 tl

Hacer d i luc iones de l a muestra problema; 1:50

T O M a r a l i c u o t a s de acuerdo a la t ab la I . Hocer- 10 p o r t r i p l i c a d o

I

Meter a l a e s t u f a a 1SB C durante

2 horas

T i t u l a r e l exceso de K2Cr02 con SFRS (0 , i n )

u t i 1 izando CONO i n d i c a d o r f e r r o i n

1 PROBLEM 2.5 m1 I 1.5 m1 I 3.5 m1 I SIANDaR* a.s m 1 nudo ama destilada

1.5 m1 3.5 m1

I I o NO SE DEBE HETER A LA ESTUFA

.

-*.Y "I. . , ., .

1 4 6 6 6 2

IIIUMR COW

2 4 HASTA OBTElsER

UN pH = 4.3

H SO 0.lN

NEbIR ES VOL. OASTADO DE

a 4 H SO y B.1N

de nuestra Tomar 188 nl de nuestra

9 medir w1

P Titular con NaOH 8. lN hasta pH2 de 11.8

Titular con HCl B.1N hasta pH3 de 9.4 (anotar el vo lumn de addo gastadQ u

2 83

I Continuar titulan do con HCl 8.1N anotando el uolu

I mn necesario ~a ba pasar de pH& 6.9 a pHs= 4.0

I Continuar la titu laoion mida hur ta pH6=2.2

*

burWcar el matraz con

NaOH 9.lN anotan Rr tra t i tular con do el.uolumn ne cesarlo ara pa sar de d7=4.8 a

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