TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CON TECNOLOGIA UASB

REACTOR UASB

El reactor UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) o RAFA (Reactor anaerobio de flujo ascendente), inventado a mediados de los 70 en la Universidad de Wageningen (Holanda) por un equipo dirigido por el Doctor Gazte Lettinga y se aplic por primera vez a escala industrial en una industria azucarera alemana.

PRE TRATAMIENTO DE AGUASLos Pre tratamientos implican reduccin de slidos en suspensin y acondicionamiento de las aguas residuales para su buena descarga de los receptores o para un tratamiento secundario a travs de neutralizacin u homogeneizacin.TRATAMIENTOS PRIMARIOS1. Cribado o Desgroce: Se emplea para la reduccin de slidos en suspensin de tamaos distintos; esto depende del tamao de las aberturas de la rejilla. Los productos recogidos pasan a ser destruidos mediante incineracin o procesos de digestin anaerbicos, o simplemente se dirigen a un vertedero; estos se suelen clasificar en finos y gruesos.

2. Sedimentacin: Se utiliza para separar slidos en suspensin, basndose en su diferencia de pesos especficos entre los slidos y los lquidos.

3. Flotacin: Consiste en separar solidos de baja densidad o partculas liquidas en fase liquida; esta se genera introduciendo un gas a la fase liquida.

4. Neutralizacin y Homogeneizacin: Debido a que la vida acutica es muy sensible a a la variacin de pH= 7 el intervalo est comprendido entre 6.5 y 8.5. Un mtodo para neutralizar las aguas residuales incluye una homogeneizacin que consiste en la mezcla de corriente acidas y otras alcalinas, disponibles en la planta; con mtodos directos de control de pH.FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TRATAMIENTO ANAEROBIO DE AGUAS RESIDUALES El curso del proceso de digestin anaerobia, es afectado fuertemente por un nmero de factores ambientales. Para la aplicacin ptima del proceso de tratamiento anaerobio de las aguas residuales, es de mucha importancia tener conocimiento suficiente sobre el efecto de estos factores: Temperatura: Tiene una gran influencia sobre la velocidad del crecimiento microbiano. Entre 20-15C es lo recomendable. pH: l rango de tolerancia para microorganismos anaerobios se encuentre entre 6.5 a 7.5 de pH puesto que la produccin de metano se desarrolla ptimamente en ese rango. Nutrientes: Adems de una fuente de carbono orgnico, los microorganismos requieren de nitrgeno (N2), fosforo (P) y otros factores de crecimiento que tienen efectos complejos. Toxicidad: Los compuestos txicos incluso en bajas concentraciones, afectan la digestin y disminuyen los niveles de metabolismo. Las bacterias metanognicas son generalmente las ms sensibles. Un Concentracin slidos disueltos:La concentracin de los slidos disueltos puede afectar el tratamiento biolgico en medio lquido. Si la concentracin de dichos slidos es muy elevada, ocurre una muerte de microorganismos debido a la ruptura osmtica de su membrana celular. Inhibicin del proceso anaerobio: Es requisito identificar la inhibicin de la metanogenesis en una fase temprana, para poder prevenir el fracaso del sistema. Reduccin en la produccin de metano:Debido a los siguientes factores: Incremento en la concentracin de AGV: En condiciones normales la concentracin debe ser muy baja Fallas en la Remocion de DQO. Problemas con el pH. Baja estabilidad al someterlo a sobrecargas. Respuesta lenta a condiciones de parada y arranque del sistema. Alcalinidad al bicarbonato: Es el sistema amortiguador ms importante en el proceso anaerbico, se recomienda que se halle entre 15000 - 4000 mg/l y de CaCo3 para lograr amortiguar los incrementos en la concentracin de los cidos grasos o voltiles con una mnima reduccin en el Ph. Capacidad buffer: El contenido del reactor debe tener suficiente capacidad buffer para neutralizar una eventual acumulacin de cidos grasos voltiles y por supuesto la mezcla debe ser adecuada para evitar zonas cidas dentro del reactor. MICROBIOLOGIA DE LA DIGESTION ANAEROBIA GrupoI:BacteriasHidrolticasFermentativas

Lasbacteriasquellevanacabolasreaccionesdehidrlisisyacidognesisson.anaerobiasfacultativasylosgnerosmsfrecuentesqueparticipansonlosmiembros.delafamilia.Propionibacterium.yClostridium GrupoII:BacteriasAcetognicas

Paraquetengalugarunaeficientemetanognesis,losproductosdefermentacincomo.elpropionatoyelbutiratodebenseroxidadosaacetato,CO2yH2,estaoxidacines.llevadaacaboporungrupodenominadoorganismosacetgenosproductores.obligadosdehidrgeno(OHPA),medianteunprocesoconocidocomoacetognesis. Syntrophobacterium Syntrophonomas

GrupoIII:BacteriasMetanognicas

Lasbacteriasmetanoognicassonanaerobiaestracitasyproducenmetanocomoprincipalproductodelmetabolismoenergtico.Apesardelosrequerimientosestrictosdeanaerobiosisobligadayelmetabolismoespecializadodeestegrupo,estasbacteriasseencuentranampliamentedistribuidasen lanaturaleza.

Metanobacterium Metanobacillos BACTERIAS SULFATOREDUCTORASLasBSRsonanaerobiosestrictos,ampliamentedistribuidasenambientesacuticosy.terrestres,cumpleunimportantepapelenlasetapasfinalesdeladegradacindela.materiaorgnica,especialmenteenlaremocindelossulfatospresentesenelafluente..Puedencrecerenpresenciaoausenciadesulfatos,utilizandovasmetablicas.diferentes;unafermentativaylaotraoxidativa.

Proceso

El afluente es alimentado por el fondo del reactor, donde se pone en contacto con el lodo; la degradacin anaerobia de los sustratos orgnicos ocurre en el lecho del lodo, y all se produce el biogs, o sea, tanto la acidificacin como la metanognesis ocurren en el mismo reactor.El flujo combinado ascendente de las aguas residuales, puede hacer que algunos de los slidos del lodo lleguen a la parte superior del reactor, donde un separador gas-slido-lquido, impide la salida de los slidos del reactor separndolos del gas producido y del efluente lquido. El biogs es captado bajo una campana y conducido hacia la superficie del reactor. Algunos slidos son arrastrados con el agua hacia el sedimentador, situado encima de la campana de gas, donde los slidos sedimentan y retornan al manto de lodos, el efluente cae a un canal situado en la parte superior del reactor, donde es descargado . Las grandes concentraciones de biomasa con elevada actividad que se consiguen, permiten el funcionamiento a alta carga orgnica con buenas eficacias de eliminacin. DIGESTION ANAEROBIASe dan las reacciones para degradar los polmeros complejos hasta obtener como producto metano (CH4), dixido de carbono (CO2) y H2S en menor proporcin.la digestion empieza con la degradacion de los polimeros complejos a monomeros por medio de bacterias hidroliticas.

RUTA METABOLICA EMBDEM-MEYERHOF DE LA DEGRADACION DE LA GLUCOSA POR BACTERIAS ACIDOGENICAS

Las bacterias acidognicas se encargan de degradar a la glucosa (monmero) por medio de la ruta metablica embem-meyerhof hasta obtener cidos organicos.

REACCIONES ACETOGENICAS

Los productos generados en la etapa anterior son transformados en metano el cual es sustrato para las bacterias metanognicas.

REACCIONES METANOGENICASFinalmente se produce metano a partir de acetato (bacterias metanognicas acetoclsticas) y de H2S y CO2 (bacterias metanognicas hidrogenotrficas).

BACTERIAS SULFATOREDUCTORASCuando hay sulfatos las bacterias sulfato reductoras compiten por el sustrato con las dems (se genera H2S y baja prod.CH4, hay problema de olores e inhibicin).

Lademanda qumica de oxgeno(DQO) es un parmetro que mide la cantidad de sustancias susceptibles de seroxidadaspor medios qumicos que haydisueltasoen suspensinen una muestra lquida. Se utiliza para medir el grado decontaminaciny se expresa enmiligramosdeoxgeno diatmicoporlitro(mgO2/l). . Este ensayo es muy til para la apreciacin del funcionamiento de lasestaciones depuradoras. No es aplicable, sin embargo, a lasaguas potables, ya que al tener un contenido tan bajo de materia oxidable la precisin del mtodo no sera adecuada. En este caso se utiliza el mtodo deoxidabilidadcon permanganato potsico.Lademanda bioqumica de oxgeno(DBO) es un parmetro que mide la cantidad de materia susceptible de ser consumida uoxidadapor medios biolgicos que contiene una muestra lquida,disueltaoen suspensin. Se utiliza para medir el grado decontaminacin; normalmente se mide transcurridos cinco das de reaccin (DBO5) y se expresa en miligramosdeoxgeno diatmicoporlitro(mgO2/l). Este ensayo es muy til para la apreciacin del funcionamiento de lasestaciones depuradorasVENTAJAS Y DESVENTAJAS DE PTAR CON TANQUE UASBVentajas: Proceso simple y sencillo de operar. Son instalaciones compactas que demandan poco espacio. No se requiere consumo de oxgeno, ahorrando la energa de bombeo de aire. Costos bajos de construccin, de operacin y mantenimiento. Se puede recuperar biogs, el que puede ser utilizado para la generacin de energa elctrica o calor. No se requieren unidades de tratamiento primario y de espesamiento y digestin de lodos. La produccin de lodos estabilizados en exceso es mnima y fcilmente drenable hasta de 30 a 40 % y, por tanto, los costos de tratamiento del lodo y su transportacin posterior son relativamente bajos. Permiten la aplicacin de elevadas cargas orgnicas (superiores a 30 kg DQO/.d) Los lodos anaerobios adaptados pueden mantenerse sin alimentacin por largos perodos de tiempo, por lo que el proceso resulta muy adecuado para las industrias que trabajan de forma cclica. Existe una reducida tasa de produccin de lodos (con buena concentracin de aprox. 5 a 6 % con buenas caractersticas de secado), la cual puede ser entre 3 y 20 veces menor que para los procesos aerobios. El arranque de los reactores es rpido con una apropiada inoculacin. Se requiere un bajo consumo energtico, hasta 10 veces menos que en los procesos aerobicos. Bajo consumo de productos qumicos.Desventajas: Emisin de olores desagradables, particularmente de un mal diseo o fallas operacionales, ya que este es un proceso con un alto potencial de generacin de . Sensibilidad a bajas temperaturas, al cambio brusco de pH y a la presencia de oxigeno disuelto. El comienzo del proceso es lento, requiere de un perodo de 8 a 12 semanas para la estabilizacin (inoculos). Complejidad en los consorcios bacterianos. La granulacin es lenta y no necesariamente controlable. No todas las aguas favorecen la granulacin. Los requerimientos de inoculo son de determinadas caractersticas. Sensible a slidos suspendidos y a grasas y aceites en el influente. Sensible a aguas que forman precipitados. Riesgo de flotacin de los granos durante rearranques. El proceso es sensible a la presencia de compuestos txicos. Practicamente ninguna eficiencia para la eliminacin de nitrgeno y fosforo. Calidad de efluente inferior a los procesos aerobicos. Por ellos se requiere un postratamiento para cumplir con los niveles de calidad usualmente exigidos. La agresividad de algunos subproductos que demandan atencin en la proteccin de las estructuras (Corrosion).

CONSIDERACIONES DE DISEO PARA UN R.A.F.A. Dentro de los aspectos a considerar para el diseo de un reactor anaerobio de flujo ascendente se encuentran las caractersticas de aguas residuales en trminos de la composicin y contenido de slidos, la carga orgnica volumtrica, la velocidad de flujo ascendente, el volumen del reactor, las caractersticas fsicas, como el sistema de distribucin del efluente y el sistema de recoleccin de gas. Caractersticas de las Aguas Residuales. Ciertas sustancias pueden afectar negativamente a la granulacin de lodos, ya que aguas residuales con altas concentraciones de protenas y/o grasas reducen la capacidad de formar un denso lodo granulado. La fraccin de las partculas contra DQO soluble es importante para determinar las cargas de diseo para el RAFA, as como la determinacin de la aplicabilidad del proceso. Cunto ms se incremente la fraccin de slidos en un agua residual, la habilidad de formar lodos densos disminuye. Cargas Orgnicas volumtricas. Las tpicas cargas de DQO en funcin de la fuerza de las aguas residuales, la fraccin de partculas de DQO en las mismas, y las concentraciones de SST en el afluente se resumen en la Tabla 10.

Eficiencias de remocin de DQO del 90 a 95% se han logrado en cargas que van desde 12 hasta 20 DQO kg/m3*d en una variedad de desechos de 30 a 35 C con reactores UASB. Los valores de (tiempo de retencin hidrulico) para las aguas residuales de alta fuerza se han logrado disminuir a lapsos de 4 a 8 horas a esas cargas. Donde menos del 90% de remocin de DQO y las concentraciones de SST mayores de efluentes son aceptables, se puede utilizar el aumento de las velocidades de flujo ascendente, las cuales desarrollarn un lodo granulado ms denso por el lavado de otros slidos.

Velocidad del flujo ascendente. Para aguas residuales ms dbiles, la velocidad permitida y la altura del reactor, determinar el volumen del reactor UASB y para para aguas residuales ms fuertes, la velocidad ser determinada por la carga volumtrica de DQO. Volumen del reactor y dimensiones. Deben considerase la carga orgnica, la velocidad superficial y el volumen efectivo de tratamiento para determinar el volumen requerido del reactor y sus dimensiones. El volumen efectivo de tratamiento es el volumen ocupado por el manto de lodo y de biomasa activa. Un volumen adicional existe entre el volumen efectivo y la unidad de recoleccin de gas donde se produce una cierta separacin adicional de slidos y la biomasa se diluye. Caractersticas fsicas. Las principales caractersticas fsicas que requieren una cuidadosa consideracin son: la alimentacin de entrada, la separacin y recoleccin de gas (Los diseos de separacin de entrada y el gas son nicos para el RAFA) y la retirada del efluente, para proveer una distribucin uniforme y evitar el acanalamiento y formacin de zonas muertas. Estos dos aspectos son muy importantes sobre todo cuando se tratan aguas residuales dbiles, ya que se puede tener menor produccin de gas y mezcla del manto de lodos. Un nmero de tuberas de alimentacin se colocan para dirigir el flujo a diferentes reas en la parte baja del reactor. El acceso, debe proveer tuberas para la limpieza en caso de taponamiento. Recuperacin de Gas y separacin de slidos El separador de gas/ slidos (GSS) est diseado para recolectar el biogs, previniendo el lavado de slidos, fomentando la separacin de partculas de gases y slidos, para permitir que los slidos se deslicen hacia atrs en la zona de manto de lodos, y ayudar a mejorar la eliminacin de slidos en el efluente. Una serie de pantallas en forma de V invertida se utiliza junto a vertederos de efluentes para lograr los objetivos mencionados.

SECUENCIA DE CLCULO DE UN REACTOR ANAEROBIO DE FLUJO ASCENDENTE, UASB. Los reactores anaerobios se pueden disear con forma rectangular o cilndrica, la siguiente secuencia de clculo se har con la forma cilndrica ya que se tienen algunas ventajas hidrulicas en comparacin con la forma rectangular, por ejemplo, siendo la principal y ms importante, que se evita la formacin de zonas muertas.

La determinacin de la velocidad de flujo ascendente como uno de los parmetros de diseo, se parti de variables conocidas como el rea y volumen del reactor a partir del dimetro y la altura efectiva, carga tpica mxima de diseo y concentracin promedio de materia orgnica en el agua de alimentacin. El agua puede ser residual con una alta carga orgnica o puede ser sinttica y preparada para ser alimentada inmediatamente al reactor.

La secuencia de clculo que se propone es la siguiente:

1) Definicin de variables de diseo El clculo se inicia con cuatro variables que se describen a continuacin y que se obtienen de manera experimental o por medicin directa: Dimetro del tubo que servir como cuerpo del reactor UASB, se representa como d y su unidad es el cm. El caudal mnimo, el cual se determina a partir del tipo de bomba peristltica y manguera a usar, se representa como Q y sus unidades son ml/min. La carga orgnica por da que se estar alimentando en el reactor, representado como carga y sus unidades son kgDQO/m3.d El tiempo de residencia hidrulica, identificado como TRH, la unidad es el da.2) Clculo del volumen del reactor. Se emplea la siguiente expresin:

Dnde: : Volumen del reactor. Tiempo de retencin hidrulica (da). Caudal (ml/min)

3) rea del reactor. Las unidades del rea tienen que ser centmetros cuadrados.

4) Altura efectiva del reactor. Para un adecuado funcionamiento del reactor, la altura efectiva tiene que ser mayor a un metro. Se tiene que introducir el volumen del reactor en centmetros cbicos.

La longitud se tiene que expresar en centmetros.

5) Flujo msico.

La expresin utilizada es la que se muestra a continuacin, destacando que el volumen del reactor se debe introducir en metros cbicos. F=

El flujo msico se tiene que expresar en kgDQO/d.

6) Carga hidrulica.

Se calcula mediante la siguiente expresin:

Las unidades que se obtienen son cm/min, por lo que se deben convertir a m/h. El valor numrico obtenido no debe exceder de 1 m/h, pues este es el valor tpico recomendado para un correcto funcionamiento.

7) Velocidad de flujo en la campana.

La expresin utilizada es la siguiente:

y las unidades que se obtienen, tambin son m/h.

8) Separador de gas del lquido. Los objetivos a lograr con la implementacin de las campanas para cada reactor son:

Separacin y descarga adecuadas del biogs en cada reactor. Permitir el deslizamiento del lodo dentro del compartimento de digestin. Servir como una clase de barrera (stopper) para expansiones excesivamente rpidas del manto de lodos dentro del sedimentador. Prevenir el lavado (salida) de lodo granular flotante y floculento. Para la construccin de esta campana se tienen en cuanta los parmetros recomendados por la literatura, los cuales indican que la estructura convencional es la ms adecuada, gracias a su fcil construccin, simplicidad de instalacin, funcionamiento y eficiencia.

Los aspectos a considerar en el diseo son los siguientes:

La velocidad de flujo ascendente en la abertura. El ngulo de los lados de la campana. El traslapo vertical.

Todos estos criterios son flexibles, ya que pueden ajustarse entre s de acuerdo a las proporciones del reactor y a continuacin se muestran los parmetros de diseo bsicos:

1) rea de abertura.

Est relacionado con el gasto y la velocidad de flujo en la campana. El valor del gasto tiene que estar en m3/h.

2) rea de la seccin trasversal de la campana.

Para calcular esta rea se requiere el valor del rea del reactor y el rea de la abertura y la expresin matemtica es la siguiente:

A partir de este valor se puede calcular el radio mayor de la campana, mediante la siguiente ecuacin:

Se puede entonces calcular el radio de la campana como se indica a continuacin:

3) Ancho de la abertura

El ancho de la abertura est relacionado con los radios del reactor y los de la campana, por lo que se tiene la siguiente expresin:

Se puede asumir para el diseo de la campana, que tanto el ancho mnimo interno de la campana (HT) y la altura tope sobre la superficie del lquido son iguales a 2 cm.

4) ngulo de inclinacin de la campana.

El ngulo que se recomienda es de 60o debido a que ajusta de forma ms adecuada a las condiciones de diseo, tanto de la campana como del tubo del reactor.

5) Altura de la campana.

Para calcular la altura de la campana se requiere conocer previamente la longitud que existe entre el extremo del radio mayor de la campana y el extremo de la abertura de la campana, para lo cual se presentan las siguientes expresiones:

Donde es el ngulo de inclinacin de la campana.

6) Traslapo

Se refiere a los deflectores que se colocan para dirigir los gases producidos hacia la campana y se pueda hacer la separacin de los gases del lquido.

7) Ancho de los deflectores Se calcula de la siguiente manera:

8) Longitud de los deflectores

Esta longitud est en funcin de un ngulo, el cual, para facilitar la construccin se considera de 45 grados, por lo tanto, la expresin para su clculo es la siguiente:

DETERMINACION DEL DQO Y DEL DBOLa demanda qumica de oxgeno (DQO) determina la cantidad de oxgeno requerido para oxidar la materia orgnica en una muestra de agua residual. Se determina mediante la oxidacin por reflujo en solucin cida (H2SO4), con un exceso de K2Cr2O7 en presencia de AgSO4 de HgSO4 adicionado para remover la interferencia de los cloruros. Despus de la digestin, el remanente de K2CR2O7 sin reducir se titula con sulfato ferroso de amonio; se usa como indicador el complejo ferroso de ortofenantrolina (ferroina).La DBO es una medida de oxgenos que usan los microorganismos para descomponer el agua . El nivel de DBO se determina comparando el nivel de OD (oxgeno disuelto) de una muestra de agua tomada inmediatamente con el nivel de OD de una muestra de agua que ha sido incubada durante 5 das. La diferencia entre los dos niveles de OD representa la cantidad de oxigeno requerido para la descomposicin de cualquier material orgnico en la muestra y es una buena aproximacin del nivel de la DBO.

DIAGRAMA DE BOBLE DE LA DETERMINACION DE DQO

DETERMINACIN DE LA DEMANDA BIOQUMICA DE OXIGENO El mtodo usado fue el mtodo espectrofotomtrico del tipo reflujo cerrado, basado en la norma mexicana (NMX-AA-030-SCFI-2001). Se entiende por demanda qumica de oxigeno (DQO), la cantidad de materia orgnica e inorgnica en un cuerpo de agua susceptible de ser oxidada por un oxidante fuerte.

METODO PARA DETERMINAR DBO5El mtodo usado fue el del mtodo de Winkler, Standard Methods fordan examination de waste and wastewather 14thEd. Method 507.Esta medida DBO5 representa la cantidad de oxigeno necesaria para estabilizar biolgicamente la materia orgnica contenida en una muestra de agua, incubada durante 5 das a 20 C. Los valores de este ensayo representan la cantidad de oxgeno en mgr/lt necesario para que los microorganismos estabilicen la materia orgnica por accin bioqumica aerbica en una muestra de agua incubada por 5 dias en la oscuridad se mide el oxgeno disuelto al inicio y finalizar la incubacin . La DBO es la diferencia entre el OD inicial y el OD final. El mtodo de Whinkler para la determinacin de oxgeno disuelto implica el tratamiento de la muestra con un exceso de manganeso (II) , yoduro de potasio e hidrxido de sodio . El hidrxido de manganeso (II) , blanco producido reacciona rpidamente con el oxgeno para formar hidrxido de manganeso (III) marrn. Posteriormente se acidifica la muestra, produciendo la oxidacin del yoduro a yodo, reducindose el manganeso (III) a manganeso (II). Finalmente, se valora el yodo , equivalente al oxgeno disuelto , con disolucin patrn 0.01N de tiosulfato sdico.CLCULO Y EXPRESION DE RESULTADOS DE OD:

Si se determinara el oxgeno disuelto inicial por el mtodo de Winkler es necesario medir el ODi a la muestra tal cual como y al agua de dilucin antes que nada.As podemos calcular el oxgeno disuelto inicial de la siembra.

CALCULO Y EXPRESION DE RESULTADOS DE DBO5

Hacer los clculos de DBO para cada dilucin y luego promediar estos valores. Cuando los valores individuales difieran entre si utilizar para los clculos el valor de oxgeno disuelto final que ms se acerque a la mitad del oxgeno disuelto inicial.RELACION ENTRE DEBO5/DQOLos valores de DBO5 se relacionan con los de DQO en proporciones que varian de acuerdo a los componentes asociados a la materia organica en degradacin. Esta relacin es de gran importancia para determinarel tipo de contaminacin de las aguas y la biodegrabilidad de la materia contaminante. Asi que teniendo en cuenta el ndice de biodegrabilidad de acuerdo a la siguiente tabla: