REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN SUPERIOR.

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “RAFAEL MARÍA BARALT”

PROGRAMA: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAPROYECTO: INGENIERÍA DE GAS

SEDE: LOS PUERTOS DE ALTAGRACIA

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD EN BIODIGESTOR UASB PARA EL APROVECHAMIENTO DE LODOS RESIDUALES ACTIVOS DE LA

PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS

Trabajo especial de grado para optar al título de Ingeniero de Gas

Autores:

Br. Briceño G, Rosandra Br. Coronado S, Angélica

Br. Molina S, Oskarly

Tutor académico: Tutor metodológico

Ing. Yonder Pachano MSC. John Lamberto C.I. 15.763.721 C.I.12.845.676

Los Puertos de Altagracia, Octubre de 2011

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD EN BIODIGESTOR UASB PARA EL APROVECHAMIENTO DE LODOS RESIDUALES ACTIVOS DE LA

PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS

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Los Puertos de Altagracia, 27 de septiembre de 2011

Ciudadana:MSc. Ing. Melania González Coordinadora de Proyecto Investigación (Puertos de Altagracia).PIT-UNERMBSu despacho.-

ACEPTACIÓN DE TUTOR

Quien suscribe, MSc. John Lamberto , titular de la cedula de identidad N° 12.845.676 acepto formalmente la tutoría metodológica del trabajo especial de grado titulado, “ESTUDIO DE FACTIBILIDAD EN BIODIGESTOR UASB PARA EL APROVECHAMIENTO DE LODOS RESIDUALES ACTIVOS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS”, el cual será presentado por los bachilleres, Briceño Goliat, Rosandra Franchesca, titular de la Cédula de Identidad Nº 19.644.950, Coronado Salóm, Angélica María, titular de la Cédula de Identidad Nº 19.808.695 y Molina Sánchez, Oskarly Yanesky titular de la Cédula de Identidad Nº 19.878.721, que servirá como requisito para la obtención del título de Ingeniero de Gas otorgado por la Universidad Nacional Experimental “Rafael María Baralt”.

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DEDICATORIA

A Dios omnipotente, rey de reyes y señor de los señores, por brindarme el aliento de vida de cada mañana y todos los conocimientos e inspiraciones necesarias para cumplir cada una de las metas que me trazo en la vida.

A mi madre que cuyo sacrificio, aliento y amor me ha motivado a seguir adelante y nunca rendirme no importa las dificultades. Gracias a mi madre por acompañarme y guiarme por el camino de la vida con el fin de convertirme en una excelente profesional igual que ella.

A mi tía Rafaela, que más que una tía una segunda madre, quien me ha brindado su amor, cariño y comprensión en todo momento.

A mi padre por su apoyo y concejos que sembraron una semilla de ilusión que poco a poco se convierte en realidad,

A mis hermanos Rogelio, Luis y Mariangel, que iluminan con sus risas los momentos difíciles.

A mis tíos y abuelos por sus innumerables concejos, atenciones al ofrecerme su grata compañía y soporte en cualquier circunstancia.

A mis amigos y compañeros, que estuvieron conmigo a lo largo de esta dura batalla, combatiendo y venciendo para alcanzar nuestras metas que con arduo sacrificio y esfuerzo hemos logrado. Gracias Angélica, Raquel, Oskarly (Las Brujas), Ángelo, Adrian, Rudy, Rubén, Gregorio, Fonty (Los Cocos), Yoyo, Ricardo, Luis, Valerio, Arnelis, Yohana, Eliana y Génesis. ¡Lo logramos!, y los que aún faltan por lograrlo ¡ánimo! el camino es largo y espinoso pero Dios lo hace más fácil cuando confiamos en su palabra.

Y por ultimo pero no menos importantes un profundo agradecimiento a dos mujeres que me inspiran valor y apoyo incondicional la Sra. Rosario y Sra. Irma. Dios los bendiga a todos y siga fortaleciendo su corazón con el dulce néctar de su palabra.

Briceño, Rosandra

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DEDICATORIA

A Dios todopoderoso por darme la oportunidad de existir, la fe, la fortaleza, la salud, la esperanza, la sabiduría y el entendimiento necesario para llegar hasta esta etapa de mi vida y lograr culminar mi carrera. Hiciste que mi camino fuera más fácil, a pesar de todo, cada vez que caía, me dabas ánimos para volverme a levantar. Amigo fiel, que nunca fallas y todo lo puedes.

A mis padres por el amor y apoyo incondicional que me han brindado hasta ahora, a ellos a quien les debo todo, horas de consejos, de regaños, de reprimendas, de tristezas, de alegrías y de sus sacrificios, de los cuales estoy muy segura que los han hecho con todo el amor del mundo, de ellos hoy me siento extremadamente orgullosa. Mi triunfo es el de ustedes. ¡Los amo¡

A mi abuela Cirila que es mi segunda mamá, que a pesar de sus regaños, no lo ha hecho por mal, y siempre ha estado ahí apoyándome cuando más lo he necesitado.

A mis hermanos Enrique y José, y a mis primas ninguna menos importante que la otra a todos los quiero y gracias por su comprensión, apoyo y por pensar que si podía, Ysi, Ysa y Mimo. Especialmente a mi prima, hermana y compañera de cuarto Arnelis por ayudarme en todo momento, por sus palabras de aliento y por aguantarme en este tiempo y como olvidar a mi primita Lupe, que siempre ha estado conmigo, contagiándome de sus alegrías, y por ser como es. Y como olvidar a mi prima vane que es como mi hermana y amiga a la vez, gracias por todo, siempre has estado ahí cuando lo he necesitado apoyándome incondicionalmente.

A mis tíos que cada uno aporto un grano de arena para que lograra esta meta, pero en especial a tía Oneida, tío Ysidro y tía Lisbeth, a ellos que siempre me han apoyado de una u otra manera, por sus consejos y comprensión.

A mi novio Luis por todo este tiempo juntos, por entenderme y comprender en esos momentos que necesite de él, y que a pesar de la distancia siempre estuvo ahí con su amor, apoyándome y aconsejándome de una u otra manera. Te amo!!!

Y por último mis amigos, que han sido como hermanos, especialmente Rosa, de la cual aprendí mucho y a quien le agradezco tanto, Oskarly, Raquel, Jenny, Selma, Valerio y como olvidar a los cocos. A todos quienes no pude nombrar porque sería una gran lista, sólo les digo que: “En todo tiempo los amigos, son como hermanos en tiempo de angustias”, y en nuestro desarrollo ha sido una realidad.

Coronado, Angélica

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DEDICATORIA

DIOS magnifico padre, incondicional, dándome palabras de aliento en todo tiempo, guiando cada paso que he dado y cuidando que al resbalar vuelva a levantarme, permitiéndome ver más allá de lo aparente, aprendiendo de cada error y así poder escalar un peldaño más, mostrándome que él puede transformar un día malo, en uno bueno; gracias por tu Espíritu Santo, por mostrarme lo real y verdadero que puede ser, todo el distanciamiento de lo cotidiano y las costumbres de la casa fueron el inicio de una necesidad, la necesidad de acercarme a ti, no a través de formulas o teorías sino con el simple hecho de pedírtelo, solo quiero que sigas conmigo hasta el final, y has de mi la mujer que quieres que yo sea

Madre, cada enseñanza de humildad, cariño, perseverancia; cada gesto de amabilidad, formándome completamente abarcando cada área, cada espacio; tu amor afecta cada paso que doy, gracias por confiar y permitir que pudiera tomar las decisión que se avecinaban, cada una de las cuales hoy dan su fruto, aunque no todas fueron correctas aprendí de ellas, gracias papá por mostrar desde siempre ese espíritu libre y soñador capaz de lograr cualquier cosa a pesar de lo que se pudiera presentar, por ser una base firme en la familia. Maikel, gracias hermano por ser un ejemplo a seguir en muchos sentidos, por darme la dicha de ser tía a tan corta edad, Simón mi hermano y amigo incondicional, confidente, gracias por alegrarnos cada día, y mostrar que debemos ocuparnos de las cosas no preocuparnos por ellas; gracias por compartir tu vida conmigo “déjalo ser”.

Abuela, protectora fiel, mi segunda madre, el simple hecho de hablar contigo aunque fuesen unos minutos es suficiente, es tan fácil para ti complacernos, así nuestros padres no estuviesen de acuerdo, te bendigo con larga vida, gracias a dios por ti.

A mis tíos, cada uno aporto no un grano de arena sino muchos que contribuyeron en mi formación como persona, sin mencionar que algunos de ustedes fueron la puerta que dios uso para permitir que conociera su palabra y fuese hoy quien soy. A mis primos; ninguno más importante que el otro, gracias por sus consejos, apoyo y ayuda. En especial a Joe Xavier, a pesar del poco tiempo que compartimos, ocupas un lugar que solo Dios podría ocupar, el quiso que las cosas sucedieran así, en un principio triste por tu ausencia física, tiempo después convencida de que ahora disfrutas de la vida que solo Dios puede ofrecer

Carlos, padre espiritual, instrumento de Dios para aconsejarme, y mostrarme el otro lado de las cosas, marcando con palabras de bendición cada decisión .Amigos y más que amigos hermanos que tuve la dicha de conocer y escoger, Milandy, la hermana que siempre quise, Eloy, Fran el complemento perfecto, risas y seriedad, José Manuel, persona única y especial, es increíble, marca cada momento aun si no está presente físicamente, ocurrente y con una sonrisa inconfundible espero y confió en dios que siempre nos mantendrá unidos, los quiero mucho.

Compañeros de residencia, estudio: Rosa, Angelica, Raquel,Johan, Riky, Luis, y en especial a los cocos. Gracias por cada momento vivido; dios los bendiga.

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Molina, Oskarly

AGRADECIMIENTO

A Dios omnipotente por darnos la gracia de la vida, además de

entendimiento, sabiduría, constancia, fuerza y por colocar en nuestros

caminos a esas personas maravillosas que nos ayudaron y apoyaron en

cada una de las etapas hasta ahora superadas.

A nuestros padres, quienes estuvieron con nosotros en cada paso que

hemos dado, inculcándonos valores y principios que fueron y serán

necesarios para alcanzar nuestras metas y aspiraciones personales y

profesionales.

A nuestros familiares por brindarnos ánimo y su invaluable apoyo en

esos momentos que necesitamos de ellos,

A nuestra ilustre Universidad Nacional Experimental “Rafael María

Baralt” por ofrecernos la oportunidad de pertenecer al programa de

Ingeniería de Gas y formarnos como profesionales integrales.

A nuestros profesores los cuales hicieron su mayor esfuerzo por

formarnos académicamente, compartir sus experiencias y conocimientos.

Al profesor MSC Jhon Lamberto, tutor académico del presente trabajo

por ofrecernos su valioso apoyo, colaboración y consejos fundamentales

para la elaboración del mismo.

Al profesor Ing. Yonder Pachano tutor metodológico, quien represento

un pilar fundamental para la realización de este proyecto.

Al profesor MSC Héctor Caraballo por brindarnos su colaboración de

manera desinteresada y guiarnos a través de su amplia experiencia en las

diferentes fases del estudio.

8

A la profesora Dayana Pírela, Ing. Rona Rivas e Ing. Lisbeth Durán, por

atendernos y compartir sus conocimientos cuando lo hemos solicitado para

poder culminar satisfactoriamente nuestra tesis.

A nuestros compañeros de clases, de residencia y amigos, quienes

estuvieron con nosotras desde el inicio de este duro camino, transformándolo

gracias a su apoyo incondicional en todo momento en un camino

tolerablemente posible, adquiriendo en el mismo valiosas experiencias cada

día, todos persiguiendo una meta en común llegar a ser unos buenos

profesionales.

Y para finalizar un especial agradecimiento a todas las personas que

directa o indirectamente colaboraron en pequeños pero no insignificantes

detalles que constituyeron la realización del presente.

A todos mil gracias y Dios se los multiplique

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ÍNDICE GENERAL

Pág.DEDICATORIA ViiiAGRADECIMIENTOS xÍNDICE DE FIGURAS XiiiÍNDICE DE TABLAS xivINDICE DE CUADROS XvINDICE DE GRAFICOS xviRESUMEN xviiINTRODUCCIÓN 19

CAPITULO I. EL PROBLEMA

Planteamiento del Problema 24Formulación del problema 25Objetivo general 25Objetivos específicos 25Justificación de la investigación 28Delimitación de la investigación 27Alcance 28

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

Antecedentes de la investigación 31Bases teóricas 32Plantas de tratamientos de aguas servidas 33Etapas del tratamiento 34Descripción del proceso de la PTAS 39Vertido de líquido 39Clasificación de los lodos residuales 41Estabilización de lodos 42Caracteristcas del biogás 45Biogás comparado con otros gases basados en metano 46Componentes presentes en el biogás 46Efectos del CO2 en el biogás 50Biodigestor U.A.S.B 52

10

Características y componentes del biodigestor UASB 53Clasificación de los digestores según su forma y estructura 54Instalaciones industriales de biodigestor 55Ventajas de la adopción de un biodigestor tipo Digestor de Manto de Barros con Flujo Ascendente (U.A.S.B) 56Ventajas y desventajas de los biodigestores anaeróbicos 57Tipos de digestores anaerobios según la carga 59Microbiología del proceso 62Factores que influyen en el proceso de digestión anaerobia 68Espesado (concentración) 70Definición de términos básicos 75Sistema de variables 76Variable: Lodos Residuales Activos 77Definición conceptual 71Definición operacional 72Operacionalización de la variable 73

CAPITULO III. MARCO METODOLÓGICO

Tipo de Investigación 79Diseño de la Investigación 80Población 81Muestra 81Técnicas de recolección de información 83Validez y confiabilidad 83Tratamiento y análisis de los resultados 84

Fase I: Evaluar proceso de la planta de tratamiento deaguas servidas (PTAS), de la Ciudad de Valera Edo Trujillo 85

Fase II: Analizar las características de la fermentación metanogénica, de los lodos activos 86

Fase III: Realizar un estudio de factibilidad del diseño de un biodigestor UASB que se adapte a las condiciones físicas, químicas, operacionales, económicas y geográficas de la PTAS 87

Fase IV Proponer el diseño de un biodigestor UASB que disminuya las emanaciones de nitrógeno e hidrogeno sulfurado en la laguna anaerobia de la PTAS 87Instrumentos de Medición 88

11

CAPITULO IV. Resultados del estudio 114

CONCLUSIONES 116

RECOMENDACIONES 118

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 121

ANEXOS 139

12

ÍNDICE DE FIGURAS

  Pág.Fig Nº 1: Digestor de mantos de flujo ascendente 56Fig Nº 2: Digestor anaeróbico de carga baja 58Fig Nº 3: Digestor anaeróbico de carga alta 58Fig Nº 4: Digestor de doble tapa 59Fig Nº 5: Proceso de digestión anaeróbico 62Fig Nº 6: Ubicación de la PTAS 93Fig Nº 7: Diagrama de flujo de la PTAS 95Fig Nº 8: Composición media de las aguas residuales domésticas 101Fig Nº 9: Ubicación espacial del biodigestor 103Fig Nº10: Diagrama de flujo del sistema de alimentación del biodigestor 112 Fig Nº11: Diagrama de flujo del sistema de descarga del efluente del biodigestor  113

   

   

13

ÍNDICE DE TABLAS

  Pág.Tabla Nº 1: Principales características de las lagunas de la PTAS 38Tabla Nº 2: Composición física y química del lodo residual 44Tabla Nº 3: Propiedades de una composición estándar de biogás 45Tabla Nº 4: Características del metano 46Tabla Nº 5: Componentes del biogás y su efecto en las propiedades 47Tabla Nº 6: Resultados obtenidos de la producción de gas en un reactor UASB 68

Tabla Nº 7: Caudales utilizados para el diseño de la planta 94Tabla Nº 8: Relación C-N de diferentes compuestos orgánicos 100Tabla Nº 9: Características físico-químicas del agua residual a tratar 103Tabla Nº 10: Parámetros de diseño 104Tabla Nº 11: Características de la bomba de succión 111

14

INDICE DE CUADROS

  Pág.Cuadro Nº 1: Operacionalización de las variables 77Cuadro Nº 2: Distribución de la población 81Cuadro Nº 3: Resultados de Ph y conductividad eléctrica 97Cuadro Nº 4: Resultados de la temperatura de las muestras 98Cuadro Nº 5: Resultados de DBO y DQO 100Cuadro Nº 6: Dimensiones del biodigestor UASB 109Cuadro Nº 7: Dimensiones de la campana del biodigestor UASB 110

15

INDICE DE GRAFICOS

  Pág.Grafico Nº 1: Dimensión: proceso de la planta 91Grafico Nº 2: Dimensión: características de la fermentación metanogénica 96Grafico Nº 3: Dimensión: factibilidad del diseño de un biodigestor 105Grafico Nº 4: Dimensión: control del proceso para la disminución del metano, nitrógeno e hidrogeno sulfurado 107

16

Br Briceño R, Br Coronado A, Br Molina O. Tutor Académico: Ing Pachano Y Tutor Metodológico: MSc Lamberto J “ESTUDIO DE FACTIBILIDAD EN BIODIGESTOR UASB PARA EL APROVECHAMIENTO DE LODOS RESIDUALES ACTIVOS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS” Trabajo especial de grado presentado como requisito para optar el titulo a Ingeniero (a) de Gas, Universidad Nacional Experimental “ Rafael María Baralt”. Los Puertos de Altagracia, Estado Zulia. Octubre de 2011.

RESÚMEN

La presente investigación tuvo como propósito, estudiar la factibilidad del diseño de un biodigestor de manto de flujo ascendente (UASB), con el fin de aprovechar los lodos residuales activos de la planta de tratamiento de aguas servidas (PTAS) de tipo terminal, ubicada en Valera Estado Trujillo. Con la finalidad de controlar los gases emanados (metano, nitrógeno e hidrógeno sulfurado), por la misma, los cuales afectan la salud pública de los residentes aledaños. Para el desarrollo del estudio se consideraron los aportes teóricos de Moeller, G (2005), García, A (2008) y Guevara, A (2006) entre otros. La investigación es de tipo no experimental, descriptiva y de campo. La técnica de recolección de datos fue una entrevista no estructurada, que consta de 18 ítems los cuales fueron interpretados por objetivo, cuya validez fue sometida a la consideración de expertos con conocimiento del área arrojando una confiabilidad de 84%. Concluyendo que es factible, económica, técnica y operacionalmente, el diseño de un biodigestor (UASB) que aproveche los lodos residuales provenientes de la planta de tratamiento de aguas servidas PTAS, ubicada en Valera Estado Trujillo, con el objetivo de controlar los gases emanados por la misma que afectan directamente a la Urb. Nueva Ciudad de Valera.

Palabras claves: biodigestor uasb - lodos residuales

17

INTRODUCCIÓN

Los residuos líquidos, específicamente las aguas residuales

domésticas, son tratados en depuradoras en donde se consigue agua libre

de impurezas para poder regresarla al ambiente; en la mayoría de los casos

las impurezas separadas en el tratamiento son transformadas en biomasa y

una cierta cantidad de lodos activos estabilizados por los propios

microorganismos; si estos no son tratados causarían riesgos a la salud

pública y un desequilibrio ecológico. Según la empresa estadal venezolana

HIDROANDES (2009), a nivel nacional se cuenta con poca experiencia para

tratar lodos residuales ya que se aplica el tratamiento primario a las aguas

domésticas.

En la actualidad se hace, necesaria la búsqueda de nuevas tecnologías

que brinden resultados aceptables al proceso de tratamiento de manera

eficiente. Si bien es cierto resultaría beneficioso para el desarrollo de

cualquier comunidad en este caso el estado andino de Trujillo, el cual cuenta

con una planta de tratamiento primario y secundario de aguas servidas,

cuyos lodos generados no son tratados, estos son la causa de la

propagación de metano, nitrógeno e hidrógeno sulfurado; este último

distinguido por su mal olor.

Por esta razón, es necesario evaluar la implementación de un

biodigestor U.A.S.B, el cual de manera eficiente aproveche los lodos

residuales originados por dichas plantas, además controla significativamente

la producción de gases contaminantes como el metano, nitrógeno e

hidrógeno sulfurado, obteniendo como beneficio adicional la generación de

gas metano, el cual es sinónimo de energía representando un insumo

necesario para el desarrollo de cualquier comunidad que no cuenta con

servicio de gas domestico por tubería.

Sobre la base de las ideas expuestas, la presente investigación se trata

sobre el estudio de factibilidad en biodigestor UASB para aprovechar los

18

lodos residuales activos producidos por la laguna anaeróbica de la planta de

tratamiento de aguas servidas (PTAS), ubicada en el Municipio Carvajal,

estado Trujillo con el fin de controlar los gases emanados por la misma. Este

estudio de investigación abarca cuatro (4) capítulos.

Capítulo I, El Problema; que incluyó el planteamiento, objetivos de la

investigación (general y específicos), se desarrolló la importancia de la

investigación mediante la justificación de la misma; seguidamente se planteó

la delimitación temporal-espacial-temática del estudio. Finalizando con el

alcance.

Capítulo II, Marco Teórico, en el cual se hizo una revisión de las

investigaciones que manejan las variables objeto de estudio, se incluyó

además, las bases teóricas que fundamentan la investigación y el sistema de

variables.

Capítulo III, Marco Metodológico, enfoca a la estrategia metodológica

técnica mediante la cual se abordó el estudio; definiéndose el tipo y diseño

de investigación; se describieron las técnicas de recolección de información,

así como la metodología utilizada por medio de fases.

Capítulo IV, Resultados del Estudio, presenta el análisis de los

resultados obtenidos, así como el diseño a escala de un biodigestor con los

respectivos cálculos, dando respuesta a los objetivos planteados para la

investigación así como presentando en forma detallada los procesos y

procedimientos cumplidos para tales efectos.

Finalmente, se complementó la información, elaborando un marco de

conclusiones y recomendaciones que se generaron a partir de la puesta en

marcha de la investigación, sustentando estos con la respectiva referencia

bibliográfica y los anexos que ubican en contextos e ilustran los postulados

que se obtuvieron para la factibilidad de la disminución de gases

contaminantes (metano, nitrógeno e hidrógeno sulfurado), a través del

aprovechamiento de los lodos residuales y a la vez producir gas doméstico.

19

CAPITULO I

EL PROBLEMA

20

Planteamiento del problema

En los países en vías de desarrollo económico latinoamericanos

durante los últimos 70 años, se ha incrementado la población urbana y por

ende la producción de desechos sólidos y líquidos; todo esto con el fin de

satisfacer las necesidades básicas de consumismo del mundo actual. El

déficit de los métodos tradicionales para el saneamiento de efluentes, así

como la ausencia de un sistema de tratamiento aumenta el índice de

contaminación y por ende las enfermedades gastrointestinales, incluyendo el

cólera y tifoidea (mediante la contaminación de la fuente de agua y la

comida), sobre todo a la población infantil. Es importante resaltar que el agua

de lluvia urbana puede contener los mismos contaminantes, a veces en

concentraciones sorprendentemente altas.

Dentro de este marco, es difícil generalizar acerca de cualquier

condición en Latinoamérica, debido a la diversidad económica, social y

ambiental de la región, tanto entre países como dentro de una misma nación.

Se calcula que solamente 5% de las viviendas en Latinoamérica y el Caribe

están conectados a sistemas de tratamiento de aguas negras; la gran

mayoría de estos solamente emplea deposición primaria para eliminar solo

los sólidos suspendidos. Sin embargo durante los últimos 10 años se ha

venido implementando en países como Colombia, Perú y Bolivia la utilización

de tratamientos anaeróbicos tales como los biodigestores, por ser efectivos,

portátiles y económicos; con el fin de solucionar el problema de las aguas

residuales. International Development Research Centre (2006)

En Venezuela el uso de biodigestores para tratar efluentes líquidos no

ha sido implementado ya que las plantas de tratamiento en su mayoría

cuentan con lagunas de oxidación aeróbica, las cuales son mas económicas

y cuyas emanaciones gaseosas no afectan a ninguna población aledaña.

Durante el año 2001 el Instituto de Estadística (INE), realizó un estudio en

21

Venezuela sobre la calidad de los servicios de agua y saneamiento en los

335 municipios del país, encontrando que dichos servicios eran insuficientes

en 231 municipios, aproximadamente el 70%. De igual modo, en Junio del

2007 el 20% de las aguas residuales recolectadas fue sometido a

tratamiento. Según HIDROVEN (2010) el Gobierno actual estima llegar este

año al 82% en la recolección de aguas servidas y en el tratamiento al 35%.

Según el INE (2001), la ciudad de Valera ubicada en el estado Trujillo

con una población de 124.313 habitantes, como la mayoría de las ciudades

en crecimiento de Venezuela, cuenta con numerosos problemas de servicio

de agua y saneamiento, uno de estos son las aguas servidas, que al no ser

tratadas, producen graves problemas ambientales, como la eutrofización

ocasionada por el alto contenido de nutrientes (materia orgánica) en la

Represa Agua Viva, en donde desemboca el Rio Motatán y suministra agua

potable a la Zona Baja del estado Trujillo.

Por ello el Gobierno Bolivariano de Venezuela del estado Trujillo

construyó la Planta de Tratamiento de Aguas Servidas (PTAS) a cargo de la

empresa estadal HIDROANDES, con una inversión de 22 millones de

bolívares fuertes. Según la Alcaldía Bolivariana del Municipio Carvajal (2011)

el proyecto fue aprobado en el año 2001 y este se encuentra dividido en dos

fases, actualmente se encuentra terminada y en periodo de prueba la

primera, esta se ubica en el Eje Vial, la principal vía terrestre de la ciudad de

Valera.

Hoy en día diferentes inmobiliarias se encuentran realizando proyectos

de construcción de edificios en la vía arteria, en toda la adyacencia de la

Planta de Tratamiento de Aguas Servidas (PTAS), tales como la Urb. Nueva

Ciudad de Valera ubicada en el Municipio Carvajal del Edo. Trujillo

Venezuela. Cabe destacar que según la Alcaldía Bolivariana del Municipio

Carvajal (2011) el proyecto de esta Urbanización fue aprobado en el año

2005, ubicada a 100m de distancia de la PTAS.

22

Como resultado de lo ya expuesto, según Amaya, C (2000) se han

producido numerosas críticas hacia el proyecto, lo que afecta directamente el

desarrollo de las actividades diarias de los habitantes de la misma, ya que

Valera al igual que la gran mayoría de las ciudades de Venezuela no cuenta

con un sistema organizado de desarrollo urbanístico.

Según el ex directivo fundador del Sistema Hidráulico Trujillano (SHT)

ingeniero Gutiérrez Miguel (2008), el MPPA debe aclarar si es planta de

tratamiento o laguna de oxidación. Diario Los Andes. Trujillo.

“El sector del Eje Vial, donde se ejecuta la obra, no es el sitio más indicado para levantar la planta, en primer lugar, porque está ubicada en la entrada principal de Valera; seguidamente los olores que van a emanar de esa laguna serán putrefactos; y por último el Eje Vial se ha convertido en una zona de descarga urbanística. En conclusión esta obra va a truncar la posibilidad de seguir expandiendo el urbanismo de Valera".

De acuerdo con lo mencionado el principal efecto de la Planta de

Tratamiento de Agua Servidas (PTAS), son los gases emanados por las

aguas residuales que se encuentran en toda la adyacencia del Eje Vial y del

Complejo Urbanístico “La Nueva Ciudad de Valera” que se halla todavía en

construcción y cuya primera etapa ya fue entregada a sus respectivos

dueños.

Por su parte los principales gases emanados por la PTAS según

Melcaft and Eddy (2000), son el metano, nitrógeno e hidrógeno sulfurado,

este último es reconocido por su volatilidad y mal olor, mayormente

producidos en la laguna anaeróbica, que según el art 57 de la Ley Orgánica

para la Planificación y Gestión de la Ordenación del Territorio (2001), esta no

debería estar ubicada a menos de 500m de un centro poblado.

En consecuencia, el mal olor es causado por las bacterias que

descomponen las altas cargas de materia orgánica (lodo activo) que

arrastran las aguas residuales a través de una laguna anaeróbica, este

proceso es necesario para disminuir la demanda biológica de oxigeno (DBO)

y luego pasar a la segunda etapa de tratamiento; es importante destacar que

23

este sistema de tratamiento es solo aplicable a climas tropicales donde la

temperatura debe oscilar entre 28ºC – 42ºC. Según el INE (2001) la zona

cuenta con una temperatura promedio de 31ºC, por esta razón cuando las

temperaturas descienden por debajo del rango de diseño las bacterias no

pueden cumplir sus funciones de degradar los lodos activos de manera

eficiente, aumentando de manera significativa el metano, nitrógeno e

hidrógeno sulfurado. Melcaft and Eddy (2000)

Tomando en cuenta una imagen clara de la puesta en marcha de la

Planta de Tratamiento de Agua Servidas (PTAS), se apreciará en primer

lugar el aumento progresivo de metano, nitrógeno e hidrógeno sulfurado, en

consecuencia la aparición de nuevas cepas de enfermedades en el área,

afectando principalmente a los infantes incluso hasta causar la muerte. Si la

problemática persiste la población afectada será mayor, ya que esta zona se

encuentra en constante crecimiento.

Por tal motivo, se trata de buscar una solución que de manera

ecológica, económica y factible, que controle los gases emanados, ya que

por razones de salud pública la PTAS puede ser clausurada ocasionando el

aumento de la eutrofización y contaminación de la represa Agua Viva

Municipio Andrés Bello Estado Trujillo.

Formulación del problema

Con relación al planteamiento realizado, se considera formular el

problema mediante la siguiente interrogante:

¿Resultará factible diseñar un biodigestor UASB que permita

aprovechar los lodos residuales activos y a la vez controlar los gases

contaminantes tales como metano, nitrógeno e hidrógeno sulfurado emitidos

por la planta de tratamiento de aguas servidas (PTAS) de tipo terminal,

ubicada en Valera Edo. Trujillo Venezuela?

24

Objetivos de la investigación

Objetivo general

Diseñar un biodigestor UASB para aprovechar los lodos residuales

activos, producidos por la planta de tratamiento de aguas servidas (PTAS)

en Valera Edo. Trujillo

Objetivos específicos

- Evaluar el proceso de la planta de tratamiento de aguas servidas

(PTAS) de la ciudad de Valera. Edo. Trujillo

- Analizar las características de la fermentación metanogénica de los

lodos activos.

- Realizar un estudio de factibilidad del diseño en biodigestor UASB que

se adapte a las condiciones físicas, químicas, operacionales, económicas y

geográficas de la PTAS.

- Proponer el diseño de un biodigestor UASB que disminuya las

emanaciones de metano, nitrógeno e hidrógeno sulfurado en la laguna

anaerobia de la PTAS

Justificación de la investigación

25

La necesidad de dar respuesta al grave problema del tratamiento de las

aguas servidas de la ciudad de Valera, fue el motivo del Gobierno Nacional

para construir la Planta de Tratamiento de Aguas Servidas (PTAS), pero la

ubicación de la misma no es la adecuada para el desarrollo urbanístico que

vive la zona, porque los gases contaminantes (metano, nitrógeno e

hidrógeno sulfurado) afectan directamente a las urbanizaciones aledañas

(Nueva Ciudad de Valera), razones por las cuales se considera importante

esta investigación y la misma adquiere relevancia desde el punto de vista

metodológico, social - práctico y teórico por las siguientes razones:

Social y práctico según Montes, M (2008), al verificar la factibilidad del

diseño de un biodigestor que aproveche los lodos residuales de las aguas

servidas que llegan a la Planta de Tratamiento controlaría la emanación de

gases contaminantes. En relación a lo anterior, se beneficia directamente al

complejo Urbanístico “La Nueva Ciudad de Valera” (ubicada a 100m de la

planta) que es el más afectado, además poblaciones aledañas al cauce del

Rio Motatán; por otra parte el biogás producido puede servir de gas

doméstico a las comunidades aledañas.

Desde el punto de vista ambiental mejoraría considerablemente la

imagen de la ciudad de Valera ofreciendo a sus habitantes salud y

soluciones ecológicas.

Dicha investigación permitió además, en el aspecto metodológico el uso

de técnicas, métodos e instrumentos que serán utilizados durante el proceso

de la investigación; como también la elaboración de instrumentos de

recolección de datos, que pueden ser de gran utilidad para estudios, cuyas

variables sean similares.

Y desde el punto de vista teórico porque permitió obtener una serie de

datos a través de consultas de bibliografías especializadas, útiles para la

profundización de conocimientos vinculados al tratamiento de lodos

residuales, constituyéndose en una referencia para futuros investigadores,

26

así como para generar y plantear propuestas de cambios orientados hacia el

éxito de ésta investigación.

Delimitaciones de la investigación

La investigación tiene como propósito fundamental plantear el diseño de

un biodigestor UASB factible, utilizando el lodo residual activo de la PTAS,

para disminuir la emanación de gases contaminantes (metano, nitrógeno e

hidrógeno sulfurado).

El estudio y diseño se llevó a cabo durante el periodo comprendido

entre Enero hasta Julio de 2011, enmarcado dentro de la línea de desarrollo

social de ingeniería.

Posteriormente el estudio fue realizado en la PTAS ubicada en el

Municipio San Rafael de Carvajal Estado Trujillo-Venezuela.

Seguidamente el estudio de factibilidad técnico y operacional del diseño

fue realizado, en la Universidad Nacional Experimental “Rafael María Baralt”

sede Los Puertos de Altagracia, Estado Zulia, Venezuela

Y por ultimo desde la perspectiva del aporte teórico se encuentran

autores tales como: Van Haandel y Lettigna (2001), quienes fueron los

primeros en proponer la implementación de biodigestores para el tratamiento

de aguas residuales, los cuales fundamentaron las bases para el diseño del

mismo, basado en investigaciones muy detalladas; las cuales llegaron a

constituir un manual para el diseño de biodigestores para efluentes líquidos.

Alcance

27

Se ejecutará las especificaciones para realizar el estudio de

factibilidad del diseño en biodigestor de lodos residuales para disminuir los

gases emanados por la planta de tratamiento de aguas servidas y por ende

el mal olor. Ayudando a mejorar la eficiencia de la planta contribuyendo a la

conservación del ambiente, la salud pública y ampliar los proyectos de

biogás realizados en Venezuela.

28

CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

29

A continuación, se aborda la fundamentación teórica de la investigación,

comenzando por una revisión de los antecedentes, las bases teóricas, los

términos utilizados en relación con la temática planteada y la

operacionalización de las variables

Antecedentes

Según Moeller, G (2005), quien estudió el efecto que tiene el proceso

de digestión anaerobia sobre los microorganismos presentes en los lodos

primarios, en el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. El objetivo fue

diseñar un experimento utilizando lodos residuales procedentes de la

sedimentación primaria de una planta de tratamiento como sustrato y se

utilizaron modelos de digestores anaerobios convencionales a nivel de

laboratorio.

Se diseñaron y construyeron cuatro (4) reactores de acrílico con

capacidad total de 30 litros que se utilizaron como digestores anaerobios de

baja tasa. Los reactores operaron a temperatura ambiente (18ºC) con

tiempos de retención de 7, 14, 21 y 28 días. El lodo crudo se obtuvo del

fondo del sedimentador primario de una planta de tratamiento de lodos

activados. Se logró una producción específica de metano de 0.2048 m 3, la

cual crece al aumentar el tiempo de retención

Según García, A (2008), en su tesis titulada Digestión Anaerobia no

Convencional de Lodos Biológicos utilizando un reactor tipo UASB (Digestor

de Manto de Barros con Flujo Ascendente); cuyo objetivo fue evaluar una

tecnología anaerobia de tipo no convencional a nivel prototipo para el

tratamiento de lodos biológicos de desecho, estableciendo la factibilidad

técnica para su funcionamiento a nivel real.

30

El prototipo fue construido en la Planta de Tratamiento de Aguas

Residuales del Cerro de la Estrella (PTAR-CE), en la Ciudad de México, la

cual es operada por la Dirección General de Construcción y Operación

Hidráulica (DGCOH). La instalación fue operada durante seis (6) meses, de

los cuales cuatro (4) se utilizaron para la estabilización del proceso y dos (2)

fueron de operación estable. Esta investigación afirma que la reducción de

materia orgánica en el digestor es suficiente para que los biosólidos

producidos por el digestor no produzcan malos olores ni atraigan vectores

tales como moscas y/o roedores. Además se utilizó un tiempo de retención

de 27 días con una carga orgánica de 2,7 Kg.m3 SSV y una temperatura de

33°C y se obtuvo una producción de biogás de 638 m3CH4

Guevara, A (2006), en su tesis titulada “Fundamentos básicos para el

diseño de biodigestores anaeróbicos rurales”. Cuyo objetivo principal fue

exponer los elementos básicos que se deben tener en cuenta para el diseño

de biodigestores anaeróbicos que se usan en el medio rural, tanto para el

tratamiento de desechos orgánicos de origen doméstico y agropecuario

como para la producción y aprovechamiento energético de los gases y lodos

producidos

La metodología utilizada fue documental con apoyo bibliográfico

obtenido en la Universidad Central de Venezuela (UCV) y por el manual

Letinga, G. Se concluyo: que las condiciones climáticas y tropicales,

favorecen grandemente para la implementación de esta tecnología, debido a

que a mayor temperatura, se produce una mayor degradación de la materia

orgánica y disminuye el tamaño de las estructuras que requiere el sistema;

además el gas metano obtenido en el proceso de fermentación es de alto

poder calorífico, por lo cual es de gran utilidad para satisfacer los

requerimientos de energía a nivel doméstico y a nivel de la unidad de

producción.

Bases teóricas

31

En todo trabajo de investigación sistematizado es recomendable el

desarrollo de una plataforma teórica donde respaldar los aportes a investigar

permitiendo la confrontación de los datos obtenidos de la realidad donde está

inmerso el estudio.

Plantas de tratamientos de aguas servidas

Según Marsilli (2005), las plantas de tratamiento por su ubicación dentro

del sistema hidrosanitario urbano puede dividirse en:

a) Terminal: cuando se encuentra al final de la red de alcantarillado y su

objetivo es dar tratamiento al total de las aguas residuales que se van a

desechar y así evitar la contaminación de agua y suelo.

b) No terminal o intermedia: cuando se encuentra dentro de la población y su

objetivo es tratar solo parte de las aguas del sistema de alcantarillado.

Son las que se encargan de regenerar el agua efluente del uso humano

(aguas negras o mezcladas), eliminando los contaminantes a través de

procesos físicos químicos y biológicos, ya sea para su consumo o

reutilización en el medio ambiente; es también llamada estación de

depuración, generalmente está trata agua residual local, es decir, las que

provienen del consumo ciudadano, al igual que el drenaje de las zonas

urbanas, además existen estaciones de depuración diseñadas para grandes

empresas con tratamiento especializado del agua residual; estas proceden

de diferentes lugares, como: tocadores, baños, cocinas, entre otras, que son

desechados a las alcantarillas o cloacas; también incluyen algunas aguas

sucias provenientes de industrias y comercios.

En el mundo desarrollado es común la división de las aguas caseras en

aguas grises y aguas negras las cuales se originan de inodoros orinales,

mientras que el agua gris procede de bañeras y fregaderos, esta puede ser

32

usada en el riego de plantas, reciclada en el uso de inodoros. Las aguas

residuales contienen descargas residenciales, comerciales e industriales, y

pueden incluir el aporte de precipitaciones pluviales.

En cuanto al tratamiento de aguas servidas, sus procesos pueden ser

físicos, químicos y biológicos; El tratamiento físico-químico engloba la

remoción de sólidos, arenas; precipitación con o sin ayuda de coagulantes o

floculantes; separación y filtración de sólidos; el tratamiento biológico

envuelve lechos oxidantes o sistemas aeróbicos; post-precipitación,

liberación al medio de efluentes, con o sin desinfección, de igual modo el

tratamiento químico implica la eliminación del hierro en el agua potable, la del

oxigeno del agua de las centrales térmicas y por último la de los fosfatos y

nitratos de las aguas residuales doméstica e industriales.

Etapas del tratamiento

Según Miranda, J (2000), las etapas de tratamiento se dividen en tres,

el primario, secundario y terciario:

1. Tratamiento primario: este se usa para reducir aceites, grasas, arenas

y sólidos gruesos, es también conocido como tratamiento mecánico, ya que

es llevado a cabo solo con maquinaria.

2. Tratamiento secundario: diseñado específicamente para degradar el

contenido biológico que se derivan de la basura humana, de comida, jabones

y detergentes. Los sistemas de tratamiento secundario son clasificados como

película fija o crecimiento suspendido. En los sistemas fijos de película, la

biomasa crece en el medio y el agua residual pasa a través de él. En el

sistema de crecimiento suspendido, la biomasa está bien combinada con las

aguas residuales. Los sistemas fijos de película requieren superficies más

pequeñas que para un sistema suspendido equivalente del crecimiento, sin

33

embargo, los sistemas de crecimiento suspendido son más capaces ante

choques en el cargamento biológico.

3. Tratamiento terciario: proporciona un acabado final para aumentar la

calidad del efluente al estándar requerido antes de que éste sea descargado

al ambiente receptor (mar, río, lago, campo...) Más de un proceso terciario

puede ser usado en una planta de tratamiento. Si la desinfección se practica

en el proceso final, es siempre llamada pulir el efluente.

Descripción del proceso de la planta de tratamiento de aguas servidas (PTAS)

Primeramente el interceptor del desagüe de la ciudad de Valera, será

encaminado directamente hasta una cámara de llegada (2,5 x 2,5 m) situada

a la entrada del pretratamiento. El diámetro del interceptor es de 900 mm. El

alcantarillado continuará su camino al sur a través de 2500 mm del ancho del

canal abierto antes de separarse en dos canales menores de 1700 mm.

Durante el pretratamiento se eliminan los objetos externos, arena, arenilla y

otros sólidos ásperos de las aguas servidas para prevenir su acumulación en

las lagunas y daños futuros en los equipos.

Las aguas servidas pasarán en primer lugar por dos rejillas

mecanizadas localizadas paralelamente. Cuyo objetivo es eliminar materiales

externos flotantes o llevados por el flujo de las aguas servidas, la parte activa

de las rejillas está sumergida en la pantalla a profundidades para maximizar

el uso del ancho de los canales (1700 mm). Además, las pantallas deberán

ser evacuadas vía un transportador o un depósito de acumulación

necesitando ser recogida por un camión como máximo una vez por día.

Tal y como fue mencionado anteriormente, los desechos de las rejillas

estarán colectados por un sistema mecanizado compuesto de un conveyor

seguido por un conveyor compactor. Antes de botarlos en una tolva, los

desechos serán compactados para reducir su contenido de agua y su

34

volumen en un 40 a 50%. Los 6m3 de los desechos pueden ser compactados

y reducidos hasta 3 m3. Un número de tolvas de un volumen total de 6m3 (2

días de reserva) serán requeridas. Las tolvas serán del mismo modelo a las

actuales utilizadas para la colección de la basura en la ciudad de Valera por

los servicios municipales, con quienes se debería realizar un compromiso

para la evacuación diaria de los lechos hacia el vertedero.

Después entrarán dentro de 4 desarenadores parabólicos antes de

proseguir su curso en una cámara de control que balanceará el flujo a las

lagunas, el objetivo es remover partículas suspendidas no solubles como

arena de las aguas servidas y minimizar la acumulación de las mismas en los

conductos y en las lagunas de tratamiento. Los desarenadores estarán

integrados al sistema general de pretratamiento, el sistema es operado por sí

mismo y no mecánico, por último la limpieza de las cámaras deberá ser lo

más simple y efectiva posible. Para la evacuación de arena un camión

cisterna cuyo tanque posea una capacidad de 3m3 puede ser utilizado 3

veces por semana hasta el vertedero de Trujillo.

El flujo de las aguas servidas es dividido en dos canales y pasado a

través de las rejillas mecanizadas. Entre las rejillas y los desarenadores se

encuentran dos canales Parshall cuyo objetivo es medir el flujo del agua y

controlar la profundidad de las pantallas. El nivel del agua en estas pantallas

será controlado parcialmente por los canales medidores de Parshall. Por

propósitos de diseño, estos canales medidores de Parshall deberán ser

capaces de acomodar un máximo flujo de alcantarillado de 2058 L/seg cada

uno si es necesario. Sin embargo, su rango de operación necesita

únicamente estimar el flujo máximo durante operaciones normales de los dos

canales de manera simultánea.

Para prevenir la acumulación de arenilla entre las rejillas y los canales

de Parshall, la base del canalón en su entrada deberá ser nivelada con la

base del canal. Para prevenir cualquier sumersión, el flujo saliente del

35

canalón caerá libremente dentro de una cámara de distribución hasta los

desarenadores.

La cámara y el canal de llegada están diseñados para asegurar un flujo

controlado sin sedimentación aguas arriba de las rejillas y de los canales

Parshall. Por lo tanto la velocidad de las aguas servidas en el canal de

llegada es mantenida arriba de 0.4 m/s Metcalf y Eddy (2000), a flujos

mínimos para prevenir acumulación de arenilla y bloqueo, así como el ancho

del canal preferentemente no debe exceder los 2 metros. Para la selección

del canal se considero la velocidad óptima del agua en diferentes anchos de

canal razonando las profundidades establecidas por los canales de Parshall,

es alcanzada en canales a 1700 mm, en donde las velocidades a un Q min

están estimadas en 0.41m/s. El extra flujo de contingencia del vertedero

sumergible mide 7.5 metros de ancho en el caso que todos deban ser

desviados por flujos de inundación extraordinarios.

El agua saliente de los desarenadores es colectada dentro de una

cámara grande a la cual están adyacentes dos cámaras, es decir, una para

cada serie de lagunas. Un vertedero sumergible de 4.7 metros de ancho

funcionara como by pass o desagüe.

La PTAS posee dos vertederos de by-pass y de desagüe, localizados a

la entrada del pretratamiento, aguas arriba del desarenador y a la salida del

pretratamiento; cuyo objetivo es evacuar desbordamientos de aguas servidas

a partir de los dos vertederos directamente hasta el canal de drenaje

principal.

Después del pretratamiento, las aguas servidas serán repartidas en dos

series de lagunas operando en paralelo, que tienen la capacidad de

acomodar una amplia gama de fluctuaciones de flujo. El tratamiento

secundario está constituido por seis (6) lagunas de estabilización de las

cuales dos (2) son anaeróbicas, dos (2) aireadas facultativas y las últimas de

maduración. Estas últimas a su vez tendrán unos bafles internos que

subdividen a cada la laguna en cinco (5) sublagunas.

36

Las lagunas primarias (anaerobias) son las primeras en recibir aguas

servidas del sistema de pretratamiento, su objetivo principal es reducir la

DBO soluble afluente a las lagunas y estabilizar el flujo de agua que proviene

del sistema de pretratamiento. Las lagunas se caracterizan por la ausencia

de oxígeno. Esto sugiere que la actividad biológica dentro de las mismas

será anaeróbica. Dichas lagunas han sido diseñadas de acuerdo a criterios

de cargas volumétricas y se espera una reducción del 45% de la DBO.

Las lagunas secundarias (facultativas aireadas) reciben aguas servidas

de las lagunas primarias, su objetivo es reducir el 60% de la DBO5 restante

de las aguas servidas y estabilizar el flujo de agua proveniente de las

lagunas primarias. Las lagunas serán aireadas de manera artificial, para

poder satisfacer la demanda de oxígeno requerida por los microorganismos

para su digestión, puesto que para el volumen y área superficial de las

mismas, las algas no estarían en la capacidad de suministrar el oxígeno

requerido para el tratamiento. Estas lagunas presentan actividad biológica

tanto aerobia como anaerobia. En dichas lagunas se espera 40% de

precipitación de la DBO en la zona anaeróbica, mientras que el 60% de la

DBO5 restante, será digerida aeróbicamente en la capa de la superficie

(superior a 2m) de las lagunas que serán aeróbicas.

Luego el conjunto de lagunas terciarias recibe el caudal de agua de las

lagunas secundarias. Cada línea de tratamiento cuenta con una laguna de

maduración, subdividida por bafles en cinco (5) sub-lagunas operando en

serie, para un total de diez (10) sub-lagunas. Es importante destacar, que

dichas lagunas ocupan un área total de 13 hectáreas y se encuentran

separadas por deflectores que serán construidos de bloques, con la finalidad

de optimizar el espacio disponible para la realización del tratamiento. La

forma de las lagunas permite modelar el comportamiento de las mismas,

asumiendo mezcla completa, favoreciendo así la remoción de organismos

coliformes. El objetivo de las lagunas terciarias es proveer un medio natural

de remoción de organismos coliformes fecales de las aguas servidas antes

37

Nº Laguna Q (m3/d) Vol (m3) Prof (m) A sup (m2)

Eficiencia remoción DBO (%)

Eficiencia de Remoción de Coliformes (%)

1.1 27300 50400 4,5 11200 45 -1.2 27300 44800 4 11200 45 -

2.1 27300 50400 4,5 11200 62 922.2 27300 44800 4 11200 62 92

1.3 27300 21600 1,5 14400 - 862.3 27300 20250 1,5 13500 - 85

1.4 27300 17100 1,5 11400 - 832.4 27300 18750 1,5 12500 - 84

1.5 27300 18750 1,5 12500 - 842.5 27300 17700 1,5 11800 - 83

1.6 27300 20250 1,5 13500 - 852.6. 27300 19500 1,5 13000 - 84

1.7 27300 20100 1,5 13400 - 852.7. 27300 19050 1,5 12700 - 84

de su descarga al río, con la finalidad de satisfacer el propósito de

desinfección de las aguas residuales, permitiendo así la eliminación de

patógenos, virus y parásitos.

Las lagunas aireadas no son, en principio, grandes generadores de

lodos, a diferencia de las lagunas anaerobias, que si lo son. Por esta razón,

una reserva de 15% y 5% del volumen total respectivo de las lagunas

primarias y secundarias ha sido tomada en cuenta para la acumulación de

lodos; es decir, un volumen de reserva de 7560 m3 y 2240 m3

respectivamente.

Tabla 1

Principales características de las lagunas de la PTAS

Fuente: Dirección de Estudios de Proyectos HIDROANDES Valera (DEYP), 2010

El volumen de lodos producido anualmente puede variar entre 1200 a

1700 m3/laguna. Esto engendra entonces una frecuencia de evacuación de

38

lodos de 5 años para las lagunas primarias y a menos de 3 años para las

lagunas secundarias. Por otro lado, los lechos de secado de lodo pueden

servir también para secar la arena extraída de los desarenadores del

pretratamiento antes de evacuarla al vertedero público.

Vertido del líquido

Según Miranda, J (2000), el vertido final del agua tratada se realiza de

varias formas: la más habitual es el vertido directo a un río o lago receptor.

En aquellas partes del mundo que se enfrentan a una creciente escasez de

agua, tanto de uso doméstico como industrial, las autoridades empiezan a

recurrir a la reutilización de las aguas tratadas para rellenar los acuíferos,

regar cultivos no comestibles, procesos industriales, recreo y otros usos. En

algunos casos se emplea la recarbonatación para volver a un pH neutro y por

último se filtra el agua a través de múltiples capas de arena y carbón vegetal,

y el amoníaco es eliminado por ionización.

Los virus y bacterias se eliminan por ozonización. En esta fase el agua

debería estar libre de todo contaminante pero, para mayor seguridad, se

emplean la segunda fase de absorción sobre carbón y la ósmosis inversa y,

finalmente, se añade dióxido de cloro para obtener un agua de calidad

máxima.

Clasificación de los lodos residuales

Según Hernández, M (1992), el lodo residual es una materia orgánica

húmeda con una cierta cantidad de aditivos, entre los cuales hay algunos

que resultan de interés aprovechar por su importancia como nutrientes del

suelo y otros cuya presencia es indeseable por su posibilidad de

contaminación.

39

El fango digerido o lodo residual de las plantas de tratamiento de aguas

residuales domésticas constituyen una fuente importante de nutrientes y de

microorganismos. Las características físicas y químicas de los lodos varían

en función de su origen, urbana o industrial, y del tipo de proceso al que han

sido sometidos.

Actualmente no se encuentra una disposición ambientalmente segura

para estos desechos. Según estudios preliminares reportados por algunos

autores (Acosta, Infante y otros, 1995), (Álvarez y col., 2004), se obtienen

buenos resultados del proceso de biorremediación en suelos impactados por

hidrocarburos como aceleradores del proceso y como fuente de nutrientes

para el desarrollo y crecimiento de los microorganismos.

De esta manera se busca caracterizar e identificar los microorganismos

presentes en el fango digerido o lodo residual de la planta de tratamiento de

aguas residuales.

El lodo crudo es aquel que no ha sido tratado ni estabilizado, que puede

extraerse de plantas de tratamiento de aguas residuales. Tiende a producir la

acidificación de la digestión y mal olor.

El lodo primario es producido durante los procesos de tratamiento

primario de las aguas residuales. Esto ocurre después de las pantallas y

desarenado; el mismo consiste en productos no disueltos de las aguas

residuales. El lodo en el fondo de tanque primario de sedimentación se llama

también lodo primario. La composición del lodo depende de las

características del área de recogida de las aguas. Este contiene

generalmente una gran cantidad de material orgánica, vegetales, frutas,

papel, entre otros; la consistencia se caracteriza por ser un fluido denso con

un porcentaje en agua que varía entre 93% y 97%.

El lodo activo consiste en la eliminación de materia orgánica disuelta y

los nutrientes de las aguas residuales, tiene lugar durante el tratamiento

biológico del agua. Normalmente se caracteriza por la interacción de distintos

tipos de bacterias y microorganismos, que requieren oxigeno para vivir,

40

crecer y multiplicarse y consumen materia orgánica; este lodo esta en forma

de floculos que contienen biomasa viva y muerta además de partes

minerales y orgánicas adsorbida y almacenada.

El comportamiento de sedimentación de los floculos de los lodos activos

es de gran importancia para el funcionamiento de la planta de tratamiento

biológico. Los floculos deben ser removidos, para separar la biomasa del

agua limpia, y el volumen requerido de lodo activo puede ser bombeado de

nuevo en el tanque de aireación.

Las características principales de los lodos activados es el contenido de

microorganismos, que utilizan nutrientes en solución para el crecimiento

celular contribuyendo a la limpieza del agua residual. La biocenosis de los

lodos activos da información sobre las condiciones y estructura de los

mismos y la limpieza que se alcanzara. Los floculos de lodo activo

sedimentan al fondo y pueden separarse del agua limpia residual.

El lodo terciario se produce a través de procesos de tratamientos

posteriores, ejemplo; adición de agentes floculantes.

El término de hinchamiento de lodos es referido a lodos con muy bajas

propiedades de sedimentación y espesamiento. En la mayoría de los casos,

los lodos hinchados se acumulan en el clarificador, donde se forma una capa

espesa y tiene que ser removido para evitar colmatación.

El lodo flotante también puede ocurrir en tanques activos enfermos.

Generalmente provocado por exceso de actinomicetos y otros

microorganismos filamentosos, caracterizados por una superficie celular

hidrofobica. Esta superficie celular hidrofobica adsorbe burbujas de aire y

nitrógeno nadando en la superficie. Este tipo de lodo flotante debe ser

eliminado rápidamente para evitar la formación de espuma en el tanque

séptico de las plantas de tratamiento de lodos anaeróbicos.

El lodo digerido tiene lugar en los procesos de digestión aeróbica, tiene

color negro y olor a tierra, además poseen una proporción de materia

orgánica del orden de 4% a 60%.

41

Estabilización de lodos

La estabilización del lodo se lleva a cabo principalmente para:

- Reducir la presencia de patógenos.

- Eliminar los olores desagradables

- Reducir o eliminar su potencial de putrefacción.

La supervivencia de microorganismos patógenos y la proliferación de

olores en el lodo se producen cuando se permite que los microorganismos se

desarrollen sobre la fracción del mismo.

Los medios de estabilización más eficaces para eliminar el desarrollo de

estas condiciones son: la reducción biológica del contenido de materia volátil;

la oxidación química de la materia volátil; la adición de agentes químicos

para hacer el lodo inadecuado para la supervivencia de microorganismos y la

aplicación de calor con el objetivo de desinfectar o esterilizar el lodo.

Las técnicas de estabilización de lodos más recurridas son: la digestión

anaerobia; la digestión aerobia; la estabilización con cal; el tratamiento

térmico, y el compostaje. A continuación se analizarán las primeras dos ya

que son las dos tecnologías más importantes.

La digestión anaerobia es uno de los procesos más antiguos empleados

en la estabilización de lodos. En este proceso se propicia la degradación de

la materia orgánica contenida en él en ausencia de oxigeno molecular.

En el proceso de digestión anaerobia, la materia orgánica contenida en

la mezcla de lodos primarios y secundarios se convierte en metano (CH4) y

dióxido de carbono (CO2) principalmente. El proceso se lleva cabo en un

reactor completamente cerrado. Los lodos se introducen en un reactor de

forma continua e intermitente, y permanecen dentro de estos tanques

durante un periodo de tiempo considerable. El lodo estabilizado que se

extrae del proceso tiene un bajo contenido de materia orgánica y de

microorganismos patógenos vivos. Noyola, A y Monroy, O (1994)

42

Caracteristcas del biogás

Según Pérez J. (2010), el biogás es un producto del metabolismo de

ciertas bacterias que participan en la descomposición de tejidos orgánicos en

ambiente húmedo y carente de oxígeno. A su vez, durante el proceso de

descomposición, algunos compuestos orgánicos son transformados a

minerales, los cuales pueden ser utilizados fácilmente como fertilizantes para

los cultivos.

La producción de biogás depende, principalmente, de los materiales

utilizados, de la temperatura y del tiempo de descomposición. El proceso

consiste en la descomposición anaeróbica, donde se puede obtener entre

otros, etanol, metanol y gas metano. Esto no ocurre en un proceso de

descomposición aeróbica donde el producto final es dióxido de carbono y

agua (esto ocurre cuando, por ejemplo, se esparce el desecho en los

predios). Está constituido principalmente de metano (CH4), dióxido de

carbono (CO2) y una serie de impurezas que dependen del origen primario

del biogás.

El proceso de digestión anaerobia produce de 14,1259ft3 a 24,72 ft3 de

gas por cada kilogramo de materia volátil destruida, según sean las

características del fango. El biogás del digestor (debido al metano) posee un

poder calorífico aproximado de 4,500 a 5,600 Kcal/m3. El poder calorífico del

biogás está determinado por la concentración de metano (8,500 Kcal/m3),

pudiéndose aumentar eliminando todo o parte del CO2 presente en el biogás.

La producción total de gas depende fundamentalmente de la cantidad

de alimento consumido por las bacterias o, dicho de otra forma, de la

cantidad de sustrato eliminado en el proceso. Dicho sustrato suele

expresarse normalmente por la demanda química de oxígeno (normalmente

DQO), y por los sólidos volátiles.

43

Según Brady (2000) la producción de gas, en condiciones normales de

funcionamiento de un digestor, debe oscilar entre 15.54 m3 y 26.48 m3 por

cada kilogramo de materia volátil destruida.

Tabla 2

Composición física-química del lodo residual

Lodos parámetros Lodos primarios Lodos secundarios Lodos digeridos

Mezcla (pH) 5.5-6.5 6.5-7.5 6.8-7-6

ContenidoDe agua (%)

92-96 97.5-98 94-97

SSV (%SS) 70-80 80-90 55-65

Grasas (%SS) 12-14 3-5 4-12

Proteínas (%SS) 4-14 20-30 10-20

Carbohidratos (%SS)

8-10 Control del proceso para la disminución de

metano y nitrógeno

6-8 5-8

Nitrógeno (%SS) 2-5 1-6 3-7

Fósforo (%SS) 0.5-1.5 1.5-2.5 0.5-1.5

Bacterias patógenas

(NMP/100ml) 103 -105 100-1000 10-100

Metales pesados (%SS) (Zn, Cu,

Pb)0.2-2 0.2-2 0.2-2

Fuente: Miranda J, (2000)

44

También la producción del biogás puede ser estimada a partir de una

base per capital, según Metcalf (2000), el rendimiento normal es de 15 a 22

m3/103 habitantes por día en depuradoras con tratamiento primario. En

depuradoras con tratamiento secundario la producción se incrementa cerca

de 28 m3/103 habitantes por día

Tabla 3

Propiedades de una composición estándar de biogás

Composición

55-70% metano

30-45% Dióxido de carbono

Trazas de otros elementos

Energía contenida 6,0 – 6,5 Kwh./m3

Equivalente en combustible 0,6 – 0,65 L petróleo/m3 biogás

Limite de explosión 6 - 12 % biogás en el aire

Temperatura de ignición 650 - 750 º C (según metano contenido indicado)

Presión crítica 75 89 bares

Temperatura crítica -82.5º C

Densidad normal 1,2 Kg./m3

Olor Huevos en mal estado

Masa molar 16,043 Kg./kmol

Fuente: Pérez, J (2010)

Biogás comparado con otros gases basados en metano

Según Pérez J. (2010), el metano posee ciertas características que se lo hacen relevante.

Tabla 4

45

Características del metano

Temperatura [ºC]

Temperatura K

Presión [bar.]

Densidad [Kg./L]

Punto crítico (-82,59) 190,56 45,98 0,162Punto de

ebullición a 1013 bar

(-161,52) 11,63 - 0,4226

Punto triple (-182,47) 90,68 0,117 - Fuente: Pérez, J (2010)

Componentes presentes en el biogás y sus efectos

Según Pérez J. (2010), los componentes más comunes que se

encuentran presentes en el biogás son: CO2, H2S, NH3, Vapor de agua,

Polvo, N2 y Siloxenos.

Efectos del CO2 en el biogás

Según Pérez, J (2010), la presencia de CO2 en el gas se mide en la

razón de CO2/metano y puede ser controlada parcialmente debido a que es

esencial en la formación de metano en el gas por lo que no se busca hacerlo

desaparecer. Los factores que afectan la composición de CO2 son:

A continuación se muestra en la tabla Nº 5, los componentes de los

efectos del biogás.

Tabla 5

46

Componentes del biogás y su efecto en las propiedades

Componente Concentración Efectos

CO2 25 - 50 % vol

Baja el poder calorífico

Incrementa el número de metano

Causa corrosión

Daña celdas alcalinas de combustible

H2S 0 - 0,5 % vol

Corrosión en equipos y piping

Emisiones de SO2 después de los quemadores

Emisión de H2S en combustión imperfecta

Inhibición de la catálisis

NH3 0 - 0,05 % volEmisión de Nox

Daño en las celdas de combustibles

Vapor de agua 1 - 5 % vol

Corrosión en equipos y piping

Daños de instrumentación Vapor de agua

Riesgo de congelar y bloquear tuberías y válvulas

Polvo > 5μmBloquea las boquillas y celdas de

combustiblesN2 0 - 5 % vol Baja el poder calorífico

Siloxenos 0 - 50 [mg/m3] Actúan como abrasivos, daño en motores Fuente: Pérez, J (2010)

- La presencia de compuestos con largas cadenas de hidrocarburos por

ejemplo compuestos con alto contenido en grasas ayudan a mejorar la

calidad del gas cuidando de no afectar la acidez, la cantidad de átomos de

carbono presentes en el substrato se relaciona directamente con el

porcentaje en volumen de metano presente en el biogás.

- Generalmente la descomposición anaeróbica de la biomasa mejora

con el tiempo de exposición, cercano el final del tiempo de residencia el

47

contenido de metano aumenta desproporcionadamente a medida que el

contenido de CO2 va desactivando el proceso de hidrólisis.

- El proceso de fermentación toma lugar de manera más rápida si el

material en el reactor está distribuido homogéneamente.

- Un alto contenido de líquido en el reactor influye en una alta

concentración de CO2 disuelto en el agua, lo que disminuye el nivel de CO2

presente en la fase gaseosa.

- A mayor temperatura de fermentación, disminuye la cantidad de CO2

disuelto en el agua.

- Una alta presión durante el proceso lleva a una mayor concentración

de CO2 presente en el agua, esto se pude aprovechar si se purga material

con alto contenido en CO2 disuelto en el agua (claramente una vez iniciado el

proceso de proliferación bacteriana).

- El nitrógeno y oxígeno presente en el biogás se encuentran

normalmente en proporción 4:1 y usualmente se incorporan en las etapas de

ventilación que tienen como objetivo eliminar el acido sulfhídrico presente en

el reactor, estos gases pueden entrar también normalmente en pequeñas

cantidades si el sistema de tuberías no está perfectamente hermético. Otro

componente es el amoniaco, normalmente la concentración de amoniaco es

baja (<0,1 mg/m3), cuando los substratos usados provienen de excremento

de aves o algunos casos particulares de basura la presencia de amoniaco se

puede incrementar hasta no superar los 1.5 mg/m3.

La cantidad de H2S presentes en el biogás principalmente del proceso

utilizado para la obtención del biogás y del tipo de substrato involucrado, si

no existe un paso de desulfurización, la concentración de H2S puede exceder

el 0.2% vol. Cuando el substrato fermentado es viscoso el contenido de H2S

es menor que en el caso de un substrato líquido.

Un objetivo primordial es mantener el contenido de ácido sulfhídrico a

los niveles más bajos posibles, porque aguas abajo la mayoría de los

componentes sufren daños irreversibles debido al alto potencial de corrosión

48

del H2S, usualmente el biogás es desulfurizado aún mientras permanece en

el reactor.

El sulfuro de hidrógeno contenido en el biogás, junto a la humedad de

éste, se convierte en ácido sulfúrico (H2SO4), el cual es nocivo para ciertos

equipos como calentadores de agua, motores o refrigeradores. Por lo tanto,

la reducción del sulfuro de hidrógeno se hace necesaria cuando el biogás

presenta sobre 2% en volumen de este compuesto. Sin embargo, la

desulfuración no es necesaria si el biogás contiene menos de 1% de este

compuesto.

Con el fin de eliminar o disminuir el porcentaje de H2S en el biogás se

emplean sistemas de filtro con sustancias como cal viva o apagada, limadura

de hierro o ciertos tipos de tierras conocidas como hematites parda o

limonita, las cuales son ricas en sustancias ferrosas. Estas masas se

regeneran al entrar en contacto con aire por lo que podrán ser usados

nuevamente. La capacidad absorbente de esta masa depende de la cantidad

de hierro que contengan. Una masa que contiene entre 5 a 10% de hidróxido

de hierro puede absorber 15(g) de sulfuro por kilo sin ser regenerada,

pudiendo remover hasta 15 g de sulfuro al ser regenerada.

Otra alternativa para la remoción de H2S, consiste en biofiltros de lecho

fijo, donde la fase móvil corresponde al gas, con soporte orgánico/sintético

para la biomasa que se encuentra fija. Corresponde a uno de los sistemas de

tratamiento más utilizado debido a sus bajos costos de operación, del

material del medio filtrante y los consumos de agua. No generan desechos

como lodo y agua contaminada. Dentro de sus desventajas se encuentra el

poco control frente a los fenómenos de reacción, la dificultad de control de

pH ya que se trata con contaminantes que generan productos ácidos.

En el biogás los siloxenos son variantes de la silicona y se presentan

como grupos separados en el biogás, estos componentes pueden ser

hallados principalmente en cosméticos, detergentes, tintas de impresión y en

materiales de construcción, es por esto que en los desechos domésticos, que

49

son substrato principal para el biogás obtenido de plantas de tratamientos de

agua o de vertederos, se encuentran muchos de los compuestos derivados

de la silicona. Sin embargo el contenido de siloxenos puede ser alto en

plantas que fermentan mezclas de substratos (con una parte proveniente de

fangos de cloaca).

Las concentraciones aceptables de estos compuestos son de 0.2

mg/m3, cuando se quema biogás con siloxenos presentes se forma SiO2 lo

que se deposita en la superficie de partes y maquinas, pero en motores que

queman biogás puede producir abrasión de la superficie de pistones . Para

tratar efluentes líquidos existen una gran variedad de biodigestores entre los

que se encuentra, el biodigestor de lecho granular expandido (Expanded

Sludge Blanket), “E.G.S.B, biodigestor de diseño hibrido –manto de barros y

lecho fijo y el biodigestor de filtro anaerobico

Biodigestor de manto de barros con flujo ascendente (U.A.S.B)

A partir de 1980 aparece con gran suceso a escala industrial el

biodigestor denominado “U.A.S.B.” (Digestor de Manto de Barros con Flujo

Ascendente), desarrollado en Holanda por Gatze Lettinga de la Universidad

de Wagenigen.

Este diseño ha sido posible mediante el desarrollo de la “granulación”

de biomasa anaeróbica. Es un proceso inducido mediante el cual los

microorganismos dispersos en el medio tienden a formar agregados

celulares. La agregación en forma de “gránulos” optimiza la operación entre

los microorganismos, reduciendo la distancia de difusión para la

transferencia de metabolitos y potencia la asociación celular para la

degradación de substratos. El desarrollo de un barro “granular” anaeróbico

dependerá del acoplamiento de diferentes parámetros de calidad del agua

50

residual, condiciones ambientales y de operación, junto con un diseño

adecuado del bio-reactor.

El lodo granular puede ser definido como biomasa con propiedades

muy especificas, las cuales lo hacen apropiado para sistemas de tratamiento

en flujo ascendente. Microbiológicamente puede considerarse como un

ecosistema bien balanceado que incluye todas las especies bacterianas

necesarias para la degradación anaeróbica de contaminantes inorgánicos

presentes en aguas residuales.

A diferencia de partículas temporales, tales como los flóculos, el barro

granular es un conjunto de entidades individuales mecánicamente estables.

Morfológicamente el lodo granular puede ser caracterizado como partículas

mecánicamente grandes, mayores a 0.50 mm de diámetro, frecuentemente

de forma regular y esférica bien definida.

Entre los beneficios prácticos de la formación de agregados granulares

está el hecho que, a diferencia de los flóculos, los gránulos permanecen

intactos aún bajo casos de esfuerzo de corte significativos, por agitación

dentro del bio-rector.

El diseño se compone de un tanque cerrado, que contiene un barro

orgánico donde la flora microbiana anaeróbica, convenientemente aclimata,

se encuentra adherida o entrampada.

El liquido crudo a tratar percola en forma ascendente a través del manto

de barros, lográndose la rápida degradación de la fracción orgánica soluble,

permitiendo operar con bajos tiempos de residencia hidráulica para el líquido

y altos tiempos de residencia para los sólidos (del orden de varios meses)

posibilitando su estabilización.

A medida que el liquido circula por el reactor se va depurando por la

acción de las bacterias anaeróbicas, y se producen burbujas de biogás que

realizan un efecto de agitación suave, beneficioso para el proceso biológico

que se desarrolla dentro del tanque.

51

En la parte superior del reactor se coloca un separador de tres fases

(Sólido - Gas - Líquido). Este permite retener el biogás producido para su

conducción, por canales, hacia el exterior para su posterior consumo.

También se tiene una zona libre de burbujas de biogás, donde se produce la

sedimentación y retorno hacia el biodigestor de sólidos que puedan ser

arrastrados por el efluente hacia la parte superior, obteniéndose un efluente

más depurado.

La composición aproximada del biogás se estima en 60% de metano

(CH4), 35% de anhídrido carbónico (CO2), 4% de vapor de agua y

estimadamente un máximo de 1% de ácido sulfhídrico (SH2), según el

efluente de que se trate. El biogás generado es combustible y tiene el

potencial de aprovechar su energía térmica.

El exceso de barro estabilizado generado en el interior del biodigestor

será descartado después de 2 a 3 meses de retención. Este barro es de fácil

deshidratación, por lo tanto puede ser enviado a lechos de secado

convencionales, para su posterior uso como abono orgánico. Groppelli, E

(2008)

Características y componentes del biodigestor UASB

La ubicación de un biodigestor es tan importante como su propia

construcción. Una planta mal ubicada será una instalación inútil, a la que no

se le sacará provecho. Por el contrario, una buena ubicación desempeña un

papel importante para su fácil manejo y operación. Un estudio previo del

lugar y una detallada evaluación reportarán ganancias en el futuro. Pérez, J

(2010)

El digestor que es una planta de fermentación anaeróbica, para la fabricación

de biogás, está compuesto por las siguientes partes según Guevara, A

(2006):

52

- Tubo de entrada de materia orgánica.

- Cámara de fermentación o cuerpo del digestor.

- Cámara de depósito de gas.

- Cámara de salida de materia estabilizada o fermentada.

- Conducto de gas.

- Tapa hermética.

- Gasómetro.

Clasificación de los digestores según su forma y estructura

Por sus formas y estructuras los digestores pueden agruparse en los

siguientes diseños según Guevara, A (2006).

Según el almacenamiento del gas pueden ser:

- Cúpula fija.

- Cúpula móvil.

- Con depósito flotante, o de presión constante.

- Con gasómetro de caucho o material plástico en forma de bolsa.

Según su forma geométrica, pueden ser:

- Cámara vertical cilíndrica.

- Cámara esférica.

- Cámara ovalada.

- Cámara rectangular.

- Cámara cuadrada.

Por los materiales de construcción, pueden ser:

- De ladrillo.

- De mampostería.

- De hormigón.

- De hormigón armado.

- De plástico

53

Según su posición respecto a la superficie terrestre:

- Superficiales.

- Semienterrados.

- Subterráneos.

Instalaciones industriales de biodigestor

Las instalaciones industriales de producción de biogás emplean

tanques de metal que sirven para almacenar la materia orgánica y el biogás

por separado.

Este tipo de planta, debido al gran volumen de materia orgánica que

necesita para garantizar la producción de biogás y la cantidad de

biofertilizante que se obtiene, se diseña con grandes estanques de

recolección y almacenamiento construidos de ladrillo u hormigón.

Con el objetivo de lograr su mejor funcionamiento se usan sistemas de

bombeo para mover el material orgánico de los estanques de recolección

hacia los biodigestores y el biofertilizante de los digestores hacia los tanques

de almacenamiento. También se utilizan sistemas de compresión en los

tanques de almacenamiento de biogás con el objetivo de lograr que éste

llegue hasta el último consumidor.

Para evitar los malos olores se usan filtros que separan el gas

sulfhídrico del biogás, además de utilizarse válvulas de corte y seguridad y

tuberías para unir todo el sistema y hacerlo funcionar según las normas para

este tipo de instalación.

La tendencia mundial en el desarrollo de los biodigestores es lograr

disminuir los costos y aumentar la vida útil de estas instalaciones, con el

objetivo de llegar a la mayor cantidad de usuarios de esta tecnología. Pérez J

(2010)

54

Ventajas de la adopción de un biodigestor tipo Digestor de Manto de Barros con Flujo Ascendente (U.A.S.B)

Dentro de los diseños de “nueva generación, el “U.A.S.B” ha tenido una

singular aceptación sobre los otros sistemas debido a una serie de ventajas,

que se detallan a continuación:

Al no contener relleno soporte para lograr la retención de la flora

anaeróbica, no se producen canalizaciones, por el hecho de que las burbujas

generalmente seleccionan un número limitado de canales para escapar.

Dependiendo del tipo de relleno, una fracción de volumen del digestor

se ocupa con material inerte y disminuye la capacidad de almacenar sólidos

sedimentables dentro del reactor.

Con efluentes que contienen una fracción relativamente alta de sólidos

sedimentables.

Frente a sobrecargas momentáneas, el sistema U.A.S.B. tiene la

posibilidad de absorber y distribuir más fácilmente estas sobrecargas, debido

que al no contener material de relleno, la mezcla es más rápida y

homogénea, aumenta también la intensidad de la producción de biogás,

aportando un efecto adicional de mezcla por la turbulencia que produce el

mayor desprendimiento del biogás hacia la superficie. Groppelli, E (2008)

En la medida que se disponga de biomasa granular de buena calidad,

puede utilizarse para expandir el lecho con mayores velocidades

ascendentes, que las que se utilizan habitualmente en un diseño de

“U.A.S.B.” típico.

55

Figura: 1. Digestor de Manto de Barros con Flujo Ascendente “U.S.A.B.” Fuente: Gropelli Eduardo, (2008)

Ventajas y desventajas de los biodigestores anaeróbicos

Ventajas de un biodigestor

La producción de energía debido a la acción de las bacterias

metanogénicas, consume gran parte del contenido orgánico de las aguas

transformándose en gas metano; teóricamente 1 Kg. de la DQO eliminada

produce 0,35 m3 de metano a 35ºC. Este combustible posee un elevado

poder energético utilizable.

Por quedar convertida la mayor parte de la materia orgánica, en el

proceso anaerobio, en biogás, el sólido restante queda bien estabilizado y

utilizable para previa deshidratación.

Por consiguiente, como los reactores se construyen en ambientes

cerrados, la producción de malos olores es baja en el proceso anaerobio,

comparado con los olores desagradables que se desprenden en el sistema

donde la depuración se realiza en espacios abiertos. Los digestores cerrados

deben ubicarse a distancia mínima de 500 metros de las urbanizaciones.

Pérez J (2010)

Desventajas de un biodigestor

Debido a la baja velocidad de crecimiento de los microorganismos, en el

proceso anaeróbico la puesta en marcha de este tratamiento es lenta. El

56

tratamiento anaerobio a temperatura ambiente resulta demasiado lento, lo

que supone un aporte externo de energía ya que requiere temperaturas de,

al menos, 35°C, para que la actividad de las bacterias sea óptima.

Los costos asociados a la construcción de los digestores anaerobios

son altos, comparado con sistemas no convencionales de tratamiento,

principalmente porque necesita de un sistema integrado, para proporcionar

un tratamiento completo y adecuado a los purines, además necesita la

instalación de dispositivos que permitan, calentar los purines hasta una

temperatura adecuada y la instalación de un sistema de recolección y

acumulación del gas, para su posterior uso o quema.

Los costos de operación y mantención no son altos, solo requiere

personal capacitado, para que realicen las labores de mantención, que por lo

general no son muy frecuentes. Pérez J (2010)

Tipos de digestores anaerobios según la carga

Los dos tipos de digestores más empleados son los de alta y baja

carga. En el proceso de digestión de baja carga, no se suelen calentar ni

mezclar el contenido del digestor, y los tiempos de retención varían entre 30

y 60 días. En los procesos de digestión de alta carga el contenido del digestor se

caliente y mezcla completamente. El lodo se mezcla mediante recirculación

de gas, mezclados mecánicos, bombeo o mezclados con tubos de

aspiración, y se calienta para optimizar la velocidad de digestión. El tiempo

de retención es menor a 15 días.

57

Figura: 2. Digestor anaerobio de carga baja, Fuente: Melcaft and Eddy (2000)

Figura: 3. Digestor anaerobio de carga alta Fuente:Melcaft and Eddy (2000).

La combinación de estos dos procesos se conoce como proceso de

doble etapa. El primer tanque se utiliza para el almacenamiento y

58

concentración de lodo digerido, y para la formación de un sobrenadante

relativamente clarificado. Noyola, A y Monroy, O (1994)

Figura: 4: Digestor de doble etapaFuente: Melcaft and Eddy (2000)

Microbiología del proceso anaeróbico

La conversión biológica de la materia orgánica de los lodos se produce

en tres etapas. El primer paso del proceso comprende el rompimiento de las

moléculas “grandes” de materia orgánica en sus monómeros (hidrólisis). El

segundo paso, llamado acidogénesis, se refiere a la conversión bacteriana

de los monómeros generados (carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos)

en compuestos intermedios identificables de menor peso molecular. El tercer

paso, llamado metanogénesis, implica la conversión bacteriana de los

componentes intermedios en productos finales más simples, principalmente

metano y dióxido de carbono. Noyola, A y Monroy, O (1994)

El proceso se caracteriza por un conjunto de reacciones asociadas al

metabolismo de numerosas especies de microorganismos, que son los

intermediarios necesarios para transformar la materia orgánica en substratos

simples fermentables por las bacterias metanogénicas. En general, las

59

bacterias son incapaces de alimentarse de material complejo por lo que las

macromoléculas (proteínas, carbohidratos y lípidos) son hidrolizados

previamente por enzimas extracelulares a compuestos más simples

(azúcares, aminoácidos y ácidos grasos). Esta hidrólisis ayuda a que el

material particulado y los polímeros orgánicos que componen las aguas

residuales puedan ser asimilados por las bacterias e incorporados a sus

procesos metabólicos, así:

- Proteínas a aminoácidos

- Carbohidratos a azúcares

- Lípidos a ácidos grasos y alcoholes

El proceso de fraccionamiento de la materia orgánica absorbe agua, por

ello se denomina hidrólisis. El proceso ocurre en el exterior de las bacterias

debido a la acción de catalizadores biológicos llamados exoenzimas,

producidas por las bacterias acidogénicas o fermentativas. Dependiendo de

la presencia de substratos solubles o complejos en el agua residual, la

hidrólisis puede ser rápida o muy lenta.

Después de obtenidas las moléculas simples en la hidrólisis, éstas

pueden ser absorbidas a través de la pared celular de las bacterias y son

descompuestas internamente mediante los procesos metabólicos. El proceso

es llevado a cabo por las bacterias acidogénicas o fermentativas.

Como producto final del proceso de acidogénesis o fermentación está el

ácido acético, o en su defecto otros ácidos grasos volátiles (AGV) como el

propiónico, el butírico y el valérico. Dependiendo de la concentración de

hidrógeno: si la presión parcial de hidrógeno es menor que 10 -4 el producto

final será ácido acético, de lo contrario, se obtienen los otros ácidos grasos.

Además de los ácidos, la acidogénesis produce hidrógeno como un

subproducto y su concentración se convierte en un elemento regulador del

metabolismo del proceso, debido a que el ácido acético y el hidrógeno

constituyen las vías de formación del metano. El paso siguiente es la

acetogénesis acidoclástica y consiste en la generación de ácido acético a

60

partir de los AGV formados en la acetogénesis. En esta fase, un grupo de

bacterias conocidas como “bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno”

(OHPA), convierten los productos de la fermentación en ácido acético,

dióxido de carbono e hidrógeno. Estos organismos utilizan los ácidos grasos

o alcoholes como fuente energética.

En reactores anaerobios, especialmente con la presencia de sulfatos,

puede presentarse un grupo de bacterias capaces de reducir los sulfatos a

sulfuros. Estas bacterias son conocidas como “sulfato – reductoras” (BSR),

las cuales utilizan el sulfato como aceptor final de electrones. Los sulfuros

son muy solubles en agua pero el ácido sulfhídrico se volatiliza. Sin embargo,

a pH neutro puede ocurrir algo de volatilización del sulfhídrico, ya que el

equilibrio se desplazará hacia este último.

El proceso de sulfato-reducción es importante por lo menos en tres (3) aspectos:- La producción de metano por cantidad de DQO removido disminuye.- La reducción de sulfatos dará como resultado la formación de ácido sulfhídrico, compuesto bastante tóxico para la metanogénesis. - La formación de sulfuros puede causar considerables molestias en el ambiente.

La última etapa de la digestión anaerobia se lleva a cabo por la actividad de un grupo de bacterias conocido como metanogénicas. Este proceso se conoce como metanogénesis hidrogenolítica y se basa en la reducción de dióxido de carbono a metano, en el que el hidrógeno es fundamental, aunque el formiato, el CO y aún el hierro elemental pueden ser donadores de electrones en la metanogénesis. Si la composición para el substrato es conocida se convierte completamente a metano y dióxido de carbono (y amoníaco en caso de substratos con contenidos de nitrógeno)

61

Figura: 5. Proceso de digestión Anaeróbica Fuente: Messa (2006)

Factores que influyen en el proceso de digestión anaerobia

Para Montes, M (2008) El proceso de conversión anaerobia depende de

diversos factores como por ejemplo: el pH, la temperatura, la disponibilidad de

nutrientes, la presencia de sustancias tóxicas, el tiempo de retención, la

relación carbono – nitrógeno (C: N) y el nivel de carga

62

a) El pH

Según Montes,M (2008), el rango de pH óptimo es de 6.6 a 7.6, los

ácidos grasos volátiles (AGV) y el acetato tienden a disminuir el pH del sustrato.

Si las bacterias metanogénicas no alcanzan a convertir rápidamente los AGV a

medida que lo producen las bacterias acetogénicas, estos se acumulan y

disminuyen el pH en el digestor. Sin embargo, el equilibrio CO2-bicarbonato

opone resistencia al cambio de pH.

Existen dos métodos prácticos para corregir los bajos niveles de pH en el

digestor. El primero es parar la alimentación del digestor y dejar que las

bacterias metanogénicas asimilen los AGV; de esta forma aumentará el pH

hasta un nivel aceptable. Deteniendo la alimentación, disminuye la actividad de

las bacterias fermentativas y se reduce la producción de los AGV. Una vez que

se haya restablecido el pH se puede continuar la alimentación del digestor pero

en pocas cantidades, después se puede ir aumentando gradualmente para

evitar nuevos descensos.

El segundo método consiste en adicionar sustancias buffer para

aumentar el pH, como el agua con cal. Las cenizas de soda (carbonato de

sodio) constituyen una variante más costosa, pero previenen la precipitación

del carbonato de calcio.

b) Temperatura

Montes, M (2008) afirma que, los niveles de reacción química y biológica

normalmente aumentan con el incremento de la temperatura. Para los

digestores de biogás esto es cierto dentro de un rango de temperatura tolerable

para diferentes microorganismos

Las altas temperaturas causan una declinación del metabolismo, debido a

la degradación de las enzimas; y esto es crítico para la vida de las células. Los

63

microorganismos tienen un nivel óptimo de crecimiento y metabolismo dentro

de un rango de temperatura bien definido, particularmente en los niveles

superiores, los cuales dependen de la termoestabilidad de la síntesis de

proteínas para cada tipo particular de microorganismo.

Las bacterias metanogénicas son más sensibles a los cambios de

temperatura que otros organismos en el digestor. Esto se debe a que los

demás grupos crecen más rápido, como las acetogénicas, las cuales pueden

alcanzar un catabolismo sustancial, incluso a bajas temperaturas.

Existen tres rangos de temperatura para la digestión de residuales, el

primero es el mesofílico (de 20 a 45ºC), el segundo es el termofílico (por

encima de 45ºC). El óptimo puede ser de 35ºC a 55ºC (Fair y Moor 1937 citado

por Gunnerson y Stuckey 1986). La ventaja de la digestión termofilica es que la

producción de biogás es aproximadamente el doble que la mesofílica, así que

los biodigestores termofílicos pueden ser la mitad en volumen que los

mesofílicos, manteniendo su eficiencia general.

Se han realizado numerosos trabajos sobre la digestión termofílica en

países templados (Gunnerson y Stuckey 1986). Sin embargo, se requieren

considerables cantidades de energía para calentar los residuales hasta 55 0C.

El tercer rango (psicrofílico) ocurre entre los 10 y 25 0C (Cullimore et al 1985; y

Wellinger et al 1988). Existen algunas restricciones para el uso de esta

temperatura en la digestión anaerobia, como son la necesidad de utilización de:

reactores anaerobios de cama fija (UASB), inóculos mesofílicos, un tiempo de

retención alto y mantener una acidificación

c) Nutrientes

Montes, M (2008) señala que, además de una fuente de carbono

orgánico, los microorganismos requieren de nitrógeno, fósforo y otros factores

de crecimiento que tienen efectos complejos. Los niveles de nutrientes deben

64

de estar por encima de la concentración óptima para las metano-bacterias, ya

que ellas se inhiben severamente por falta de nutrientes. Sin embargo, la

deficiencia de nutrientes no debe ser un problema con los alimentos

concentrados, pues estos aseguran en más que suficientes las cantidades de

nutrientes.

Por otra parte, la descomposición de materiales con alto contenido de

carbono ocurre más lentamente, pero el período de producción de biogás es

más prolongado. Los materiales con diferentes relaciones de C:N difieren

grandemente en la producción de biogás. Por ejemplo, la relación de C:N en

residuales porcinos es de 9 a 3; en vacunos de 10 a 20; en gallinas de 5 a 8;

para humanos es de 8 y para residuos vegetales es de 35. La relación óptima

se considera en un rango de 30:1 hasta 10:1, una relación menor de 8:1 inhibe

la actividad bacteriana debido a la formación de un excesivo contenido de

amonio

d) Toxicidad

Montes, M (2008), los compuestos tóxicos incluso en bajas

concentraciones, afectan la digestión y disminuyen los niveles de metabolismo.

Las bacterias metanogénicas son generalmente las más sensibles, aunque

todos los grupos pueden ser afectados.

Un nutriente esencial también puede ser tóxico si su concentración es

muy alta. En el caso del nitrógeno, mantener un nivel óptimo para garantizar un

buen funcionamiento sin efectos tóxicos es particularmente importante.

Se debe tener precaución para evitar la entrada al digestor de ciertos

iones metálicos, sales, bactericidas y sustancias químicas sintéticas Yongfu

(1989). Rodríguez (1996) ha reportado la reducción de gas cuando son

utilizadas excretas de animales tratados con antibióticos.

65

e) Nivel de carga

Este parámetro es calculado como la materia seca total (MS) o materia

orgánica (MO) que es cargada o vertida diariamente por metro cúbico de

volumen de digestor. La MO o sólidos volátiles (SV) se refiere a la parte de la

MS o sólidos totales (TS), que se volatilizan durante la incineración a

temperaturas superiores a 500 C. Los SV contienen componentes orgánicos,

los deben ser convertidos a metano. Los residuales de animales pueden

tener un contenido de MS mayor del 10 %, según los requerimientos

operacionales para un reactor anaerobio, en la mayoría de los casos (Loher

1974).

La eficiencia de la producción de biogás se determina generalmente

expresando el volumen de biogás producido por unidad de peso de MS o SV.

La fermentación de biogás requiere un cierto rango de concentración de MS

que es muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La concentración óptima

depende de la temperatura. En China, la concentración óptima es del 6% en el

verano a temperaturas entre 25-270C y entre 10 y 12 % en la primavera a

temperaturas de 18-23ºC. Yongfu (1989).

f) Tiempo de retención

Existen dos parámetros para identificar el tiempo de retención de las

sustancias en el digestor:

1. El tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB) que se determinan

dividiendo la cantidad de MO o SV que entra al digestor entre la cantidad de

MO que sale del sistema cada día. El TRSB es asumido para representar la

media del tiempo de retención de los microorganismos en el digestor.

2. El tiempo de retención hidráulico (TRH) es el volumen del digestor (VD) entre

la media de la carga diaria.

66

Estos parámetros son importantes para los digestores avanzados de alto

nivel, los cuales han alcanzado un control independiente del TRSB y del TRH a

través de la retención de la biomasa. La medición del TRH es más fácil y más

práctica que el TRSB al nivel de las granjas.

g) Forma de los tanques

Los tanques de digestión anaerobia pueden ser cilíndricos,

rectangulares o con forma de huevo. La implantación de tanques ovalados

ha ido creciendo en los últimos años en Estados Unidos y en México

mientras que su uso es muy común en Europa. El objetivo de los tanques

ovalados, es eliminar la necesidad de limpiar los tanques. En la parte inferior

del tanque, las paredes forman un cono de inclinación suficientemente

pronunciada para evitar la acumulación de arenas. Otras ventajas son el

mejor mezclado y control de la etapa de espumas, y las menores

necesidades de superficies. Se pueden construir de acero o de hormigón

armado. Noyola, A y Monroy, O (1994)

h) Gas producido

Para Noyola, A y Monroy, O (1994) la composición volumétrica del gas

generado en la digestión anaerobia del lodo de aguas residuales contiene 65

– 75% metano (CH4), 25-30% dióxido de carbono (CO2), y muy pequeñas

cantidades de nitrógeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y algunos otros

gases.

Un metro cúbico de metano, tiene un poder calorífico de 35,800 KJ/m3.

Como se mencionó anteriormente del gas suele tener un 65% de metano

por lo que el poder calorífico del gas de digestión es de 22,400 KJ/m 3.

Comparado con el gas natural, el cual tiene un poder calorífico de 37,300

67

KJ/m3, su poder calorífico es considerable. El gas de digestión se puede

emplear como combustible para calderas y motores de combustión internos

que, a su vez, se pueden utilizar para el bombeo de agua residual,

generación de electricidad y funcionamiento de soplantes.

La digestión aerobia se emplea generalmente en plantas de tratamiento

con capacidad inferior a 20,00 m3/día sin embargo, en algunas ocasiones se

ha empleado en plantas de gran capacidad.

Las ventajas principales de este proceso, comparado con la digestión

aerobia son:

- Se consiguen menores concentraciones de DBO (demanda biológica de

oxigeno) en el liquido sobrenadante

- Puede requerir menores costos iníciales

- La digestión anaerobia también es muy delicada en cuanto operación se

refiere.

Tabla 6

Resultados obtenidos de la producción de gas a 35°C en un reactor U.A.S.B

Producción de gas

1 ft3/dia 23

1 ft3/m3 39

1 ft3/Kg DQO 118Fuente: Fernández A, 1995

Espesado (concentración)

Según Noyola, A y Monroy, O (1994), el espesado es un procedimiento

que se emplea para aumentar la fracción sólida del lodo de desecho

68

mediante la reducción de la fracción liquida del mismo. Por ejemplo, si un

lodo activado que normalmente se bombea desde los tanques de

sedimentación secundaria con un contenido de sólidos del 0,8% se pudiera

espesar hasta un contenido de sólidos del 4% por lo tanto se conseguirá

reducir el volumen de lodo a quinta parte.

La reducción del volumen de lodo es muy beneficiosa para los procesos

de tratamiento subsecuentes tanto por la capacidad de los tanques y equipos

necesarios como por la cantidad de reactivos químicos necesarios para el

acondicionamiento del lodo, y por la cantidad de calor necesaria para los

digestores, la reducción del volumen permite reducir tamaños de tuberías,

bombas y tanques digestores.

El espesado se suele llevar a cabo mediante procedimientos físicos, y

los más utilizados son:

- El espesado por gravedad o sedimentación: según Montes, M (2008) se

lleva a cabo en un tanque de diseño similar al de un tanque de

sedimentación convencional. Generalmente se utilizan tanques circulares. El

lodo diluido se conduce a una cámara de alimentación central. El lodo

alimentado sedimenta y compacta, y el lodo espesado se extrae por la parte

inferior del tanque. El lodo espesado que se recoge en el fondo del tanque se

bombea a los digestores, mientras que el sobrenadante que se origina, se

retorna al sedimentador primario. El espesado por gravedad resulta más

efectivo en el tratamiento del lodo primario.

La centrifugación, se utiliza tanto para espesar lodos como para

deshidratarlos. Su aplicación para el espesado se limita al espesado se limita

al espesado de lodos activados. Este proceso implica la sedimentación de

las partículas de lodo bajo la influencia de fuerzas centrifugas. Existen dos

principales tipos de espesado por centrifugación, la da camisa maciza y la de

cesta.

Existen algunas variantes en el proceso, aunque la flotación por aire

disuelto es la más y utilizada. En este proceso, se introduce aire en una

69

solución que se mantiene a una presión determinada. Cuando se

despresuriza la solución, el aire disuelto se libera en forma de burbujas

finamente divididas que arrastran el lodo hasta la superficie, en donde es

recogido con un desnatador. Este proceso resulta muy efectivo para el

tratamiento biológico en suspensión, por ejemplo para lodos activados,

aunque también puede ser empleado para el tratamiento de otros lodos.

Por otro lado la desinfección del lodo ha adquirido mucha importancia

como proceso adicional debido a las restrictivas normas aplicables a la

reutilización del lodo y a su aplicación al suelo. En la aplicación del lodo al

suelo, la protección de la salud pública obliga a controlar el posible contacto

con organismos patógenos.

Existen muchos medios para conseguir la eliminación de los patógenos

presentes en los lodos líquidos y deshidratados. Algunos procesos de

estabilización, como la digestión anaerobia y digestión aerobia, no

desinfectan el lodo, pero permiten reducir considerablemente la presencia de

organismos patógenos. Los métodos más adecuados para la desinfección de

líquidos procedentes, tanto de la digestión aerobia como de la anaerobia, son

la pasterización y el almacenamiento a largo plazo.

El almacenamiento a largo plazo consiste en que el lodo liquido digerido

se suele almacenar en lagunas excavadas en el suelo, lo cual requiere

dispones de un terreno suficiente. En los sistemas de aplicación al suelo, el

almacenamiento suele ser necesario para retener el lodo durante los

periodos en los que no se puede aplicar al terreno debido a las condiciones

climáticas. El lodo almacenado en las lagunas aumenta su concentración y

sufre un proceso de estabilización adicional debido a la continua actividad de

las bacterias anaerobias. Los tiempos de retención típicos varían entre 60

días a 20ºC y 120 días a 4ºC.

70

Definición de términos básicos

Absorción: es la retención de un especie química por parte de un masa

y depende de la tendencia que tiene esta a formar mezcla o reaccionar

químicamente con la misma. (Parrot, L 1987).

Agente biológico: es toda aquella entidad biológica capaz de producir

enfermedad o daño en la biología de un huésped (humano, animal, vegetal,

etc.) sensiblemente predispuesto. (Malaga 2009).

Agua: Sustancia líquida, incolora, inodora e insípida, que forma gran

parte de la superficie terrestre (Malaga 2009).

Biodigestor: Un digestor de desechos orgánicos o biodigestor es, en su forma

más simple, un contenedor cerrado, hermético e impermeable (llamado

reactor), dentro del cual se deposita el material orgánico a fermentar

(excrementos de animales y humanos, desechos vegetales, entre otros) en

determinada dilución de agua para que se descomponga, produciendo gas

metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno, fósforo y potasio. (Pérez,

J 2010).

Biomasa: es cualquier substrato que contengan carbohidratos, proteínas,

grasas, celulosa y hemicelulosa como componentes principales, además

debe estar libre de agentes patógenos y sustancias toxicas perjudiciales que

puedan inhibir el proceso de fermentación para generar biogás. (Pérez, J

2010).

Capacidad Calorífica: número de calorías necesarias para elevar un

grado la temperatura de un cuerpo. (Marchaim1992).

Carbonatación: es una reacción química en la que el hidróxido de calcio

reacciona con el dióxido de carbono y forma carbonato cálcico insoluble.

(Parrot, L 1987).

Conductividad eléctrica: es la capacidad de un cuerpo o medio para

conducir la corriente eléctrica, es decir, para permitir el paso a través de él de

71

partículas cargadas, bien sean los electrones, los transportadores de carga

en conductores metálicos o semimetálicos, o iones, los que transportan la

carga en disoluciones de electrolitos. (Mc Graw Hill, 2000)

Degradación: Destrucción o alteración de las propiedades de un

material macromolecular. (Marchaim1992).

Demanda Biológica de oxigeno (DBO): es la cantidad de oxígeno que

los microorganismos, especialmente bacterias (aeróbias o anaerobias

facultativas: Pseudomonas, Escherichia, Aerobacter, Bacillius), hongos y

plancton, consumen durante la degradación de las sustancias orgánicas

contenidas en la muestra. Se expresa en mg / l. (Eckenfelde W 2006)

Demanda Química de oxigeno (DQO): es un parámetro que mide la

cantidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios químicos

que hay disueltas o en suspensión en una muestra líquida. Se utiliza para

medir el grado de contaminación y se expresa en miligramos de oxígeno

diatómico por litro (mgO2/l). .(Eckenfelde W 2006)

Eutrofización: se designa el enriquecimiento en nutrientes de un

ecosistema. El uso más extendido se refiere específicamente al aporte más o

menos masivo de nutrientes inorgánicos en un ecosistema acuático.

(Marchaim1992)

Fermentación: es un proceso catabólico de oxidación incompleta,

totalmente anaeróbico, siendo el producto final un compuesto orgánico.

(Asimov, I 1999)

Fósforo: es un sólido ceroso de color blanco con un característico olor

desagradable, pero puro es incoloro. Es un elemento químico, no metal

multivalente, que se encuentra en la naturaleza combinado en fosfatos

inorgánicos y en organismos vivos pero nunca en estado nativo. Es muy

reactivo y se oxida espontáneamente en contacto con el oxígeno atmosférico

emitiendo luz. (Asimov, I 1999)

72

Floculos: partículas de lodo activado producidas en el proceso aeróbico

en el que las partículas gelatinosas quedan suspendidas y reciben oxigeno. .

(Eckenfelde W 2006)

Hemicelulosa: son heteropolisacaridos formados por un conjunto

heterogéneo de polisacáridos constituidos por un solo tipo de monosacáridos

unidos por enlaces β, esta forma de las paredes de diferentes células de los

tejidos del vegetal. .(Eckenfelde W 2006)

Laguna aeróbica: son sistemas de gran extensión y muy poca

profundidad, alrededor de 0,5 m, que presentan una alta concentración de

algas y de oxígeno disuelto en su totalidad. En general se utilizan al final de

un tren de tratamiento que incluye lagunas anaeróbicas y facultativas y el

objetivo principal es lograr la remoción de organismos patógenos, sólidos en

suspensión y nutrientes, brindando además la posibilidad de mejorar la

calidad del efluente, por lo cual pueden llegar a considerarse como un

tratamiento terciario. (Hernández, 1992).

Laguna anaeróbica: son estanques de profundidad entre 2,5 y 5 metros,

dimensionadas para recibir cargas orgánicas superiores a 0,1 kg DBO/m³

día, con tiempos de retención de 3 a 6 días. La elevada carga orgánica

suprime la actividad fotosintética de las algas, con lo cual se tiene ausencia

de oxígeno en todos sus niveles. En estas condiciones las lagunas actúan

como un digestor anaeróbico abierto sin mezcla, obteniéndose un efluente

con alta proporción de materia orgánica, el cual requiere un proceso de

tratamiento complementario. (Hernández, 1992).

Laguna de oxidación: son excavaciones de poca profundidad en el cual

se desarrolla una población microbiana compuesta por bacterias, algas y

protozoos que conviven en forma simbiótica y eliminan en forma natural

patógenos relacionados con excrementos humanos, sólidos en suspensión y

materia orgánica, causantes de enfermedades tales como el cólera, el

parasitismo, la hepatitis y otras enfermedades gastrointestinales. Es un

73

método fácil y eficiente para tratar aguas residuales provenientes del

alcantarillado sanitario. (Hernández, 1992).

Lodo residual: es también conocido como fango digerido, y es una

materia orgánica húmeda con cierta cantidad de aditivos, entre los cuales

algunos resultan de interés aprovechar como nutrientes del suelo, sus

características físicas y químicas varían de acuerdo a su origen y del tipo de

proceso al que han sido sometidos. (Hernández, M. 1992).

Metano: es el hidrocarburo alcano más sencillo, cuya fórmula química

es C H 4. En la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción

anaeróbica de las plantas. Este proceso natural se puede aprovechar para

producir biogás. Muchos microorganismos anaeróbicos lo generan utilizando

el CO2 como aceptor final de electrones. (Kepler, 2006)

Metalogénesis: es la etapa terminal de la digestión anaerobia donde los

compuestos intermediarios de etapas anteriores se convierten en metano y

dióxido de carbono. .(Eckenfelde W 2006)

Nitrógeno: El nitrógeno es un gas inerte, y es el componente principal

de la atmósfera terrestre (78,1% en volumen) y se obtiene para usos

industriales de la destilación del aire líquido. Está presente también en los

restos de animales, por ejemplo el guano, usualmente en la forma de urea,

ácido úrico y compuesto de ambos. (Asimov, I 1999)

Osmosis: Es un fenómeno físico relacionado con el comportamiento de

un sólido como soluto de una solución ante una membrana semipermeable

para el solvente pero no para los solutos. (García, A 2008)

Oxidación: Es como el proceso mediante el cual hay pérdida aparente

de electrones de un átomo o ión. .(Eckenfelde W 2006)

PH: es una medida de la acidez o alcalinidad de una solución. El pH

indica la concentración de iones hidronio [H3O+] presentes en determinadas

sustancias.(Eckenfelde W 2006)

Suspensión: Son mezclas heterogéneas formadas por un sólido en

polvo (soluto) o pequeñas partículas no solubles (fase dispersa) que se

74

dispersan en un medio líquido (dispersante o dispersora). (Eckenfelde W

2006)

Temperatura: Grado de calor de un cuerpo manifestado por la

posibilidad de transmisión de calor a otros que se encuentran en un grado

inferior. (García, A 2008)

Sistema de variables

Las variables, según Bavaresco (1994), "representan diferentes

condiciones, cualidades, características o modalidades que asumen los

objetos en estudio desde el inicio de la investigación

A continuación se presenta el sistema de variables, correspondientes al

diseño de un biodigestor para el aprovechamiento de lodos residuales

producidos por la PTAS.

Variable: Lodos residuales activos

Definición conceptual:

En su forma más simple, es aquel que se produce después del

tratamiento primario, en el que se mantiene un cultivo biológico formado por

diversos tipos de microorganismos y el agua residual a tratar. Los

microorganismos se alimentarán de las sustancias que lleva el agua residual

para generar más microorganismos y en el proceso se forman unas

partículas fácilmente decantables que se denominan flóculos. (Guevara, A

2008

75

Definición Operacional

Es aquel que normalmente está en formas de floculos que contienen

biomasa viva y muerta además de partes minerales y orgánicas adsorbida y

almacenada y se caracteriza por la interacción de distintos tipos de bacterias

y microorganismos, que requieren oxigeno para vivir, crecer y multiplicarse y

consumen materia orgánica. Hernández, M. (1992)

76

77

78

CAPITULO III

MARCO METODOLÓGICO

En este capítulo se describe el proceso de investigación, con el objeto

de ponerlos de manifiesto y sistematizarlos; a propósito de permitir descubrir,

analizar y reconstruir los datos de estudio, a partir de los conceptos teóricos

convencionalmente operacionalizados.

Tipo de investigación

Según Hurtado, J (2008), la investigación proyectiva consiste en la

elaboración de una propuesta, un plan, un programa o un modelo, como

solución a un problema o necesidad de tipo práctico, ya sea de un grupo

social, o de una institución, o de una región geográfica, en un área particular

del conocimiento, a partir de un diagnostico preciso de las necesidades del

momento, los procesos explicativos o generadores involucrados y de las

tendencias futuras, es decir, con base en los resultados de un proceso

investigativo.

El presente trabajo de investigación, es entonces de tipo investigación

proyectiva, debido a que se soporta principalmente en resolver una

problemática ya existente, que afecta a una región geográfica especifica a

través de una propuesta de diseño de un biodigestor UASB de lodos

residuales activos y adaptarlos a las condiciones de operación y ambiente de

la planta PTAS (Plantas de tratamiento de aguas servidas) de tipo terminal

ubicada en Valera-Edo. Trujillo.

79

Diseño de la investigación

Hernández y otros (2006), establecen que un diseño de investigación

experimental, “podría definirse como la investigación que se realiza

manipulando una o varias variables independientes, ejerciendo el máximo

control”. Igualmente Arias (2006, p.31), establece que, “La investigación

experimental consiste en la manipulación de una o más variables

experimentales no comprobadas, en condiciones rigurosamente controladas

con el fin de describir de qué modo o por que causa se produce una situación

o acontecimiento particular

Así mismo, Ballestrini (2001), define la clasificación de la investigación

en relación al tipo de datos que se debe recolectar, estos se pueden

clasificar en diseños de campo y diseños bibliográficos, y dentro de los

diseños de campo.

El presente trabajo de investigación presenta entonces un diseño

experimental de campo debido a que lo que se hace es adaptar un

biodigestor UASB de lodos residuales activos a la planta de tratamiento de

aguas residuales PTAS de tipo terminal, con el fin de controlar la emanación

de gases tóxicos. Por lo que se manipula la variable ya existente.

Población de la investigación

Según Risquez (2001), se entiende por población al conjunto total finito

o infinito de elementos o unidades de observación que se consideran en un

estudio (nación, estados, objetos, actividades, acontecimientos, entre otros),

o sea que es el universo de la investigación sobre el cual se pretende

generalizar los resultados. Por otra parte esta población debe estar

80

constituida por características o estratos que le permitan distinguir los sujetos

uno de los otros.Específicamente para el presente estudio, la población es finita ya que

según Méndez, (2002), la misma esta “determinada cuando se conoce el

número exacto de sujetos que la integrar”, por cuanto se seleccionó para el

desarrollo de la investigación a una cierta cantidad de personas capacitadas

en el área que aportaron información acerca del proyecto adaptación del

biodigestor UASB para el aprovechamiento del lodo residual activo en la

planta de tratamiento de aguas servidas de tipo terminal.

Esta estuvo distribuida de la siguiente manera: Coordinadora de la

gerencia de proyectos HIDROANDES la cual es una empresa prestadora del

servicio de Agua Potable en los estados Barinas y Trujillo, Ing. Civil, Jefe de

la PTAS, Ing. Químico, operadores de la PTAS y el profesor del

departamento de química de la Universidad de los Andes (ULA-NURR).

Cuadro 2

Distribución de la población

Personas a las cuales se les aplico la entrevista Nº - Sujetos

Ingeniero Civil 1

Ingeniero Químico 2Operadores 3

Total 6Fuente: Briceño, Coronado, Molina (2011)

Muestra de la investigación

La muestra constituye “un conjunto de operaciones que realiza el

investigador para seleccionarla, es una técnica que se emplea para escoger

los sujetos, objetos o fenómenos de estudio”. Chávez (2001).

81

A efectos de esta investigación, la muestra de estudio está constituida

por el mismo número de la población, considerando su pequeño tamaño, a

estos se les realizará una entrevista a través de preguntas semiestructuradas

con el fin de obtener información relevante acerca de la investigación y de

esta manera dar respuestas a los objetivos de la misma.

Técnicas de recolección de información

Las técnicas e instrumentos son los recursos utilizados para facilitar la

recolección y el análisis de los hechos observados. Debido a la naturaleza

del presente trabajo, se utilizaron técnicas sencillas y prácticas tales como

análisis del contenido la observación directa, la entrevista no estructurada, y

revisión bibliográfica, las cuales permitieron alcanzar de una manera efectiva

los objetivos trazados.

De acuerdo con lo anterior descrito, se utilizó como técnica de análisis

de contenido, que según Risquez (2001), “es la que permite abordar las

características más importantes del contenido de un mensaje para

transformarlas en descripciones propias, después de ser analizadas por el

receptor”. En este trabajo fue utilizado para el estudio de factibilidad del

diseño del biodigestor investigaciones a escala, en lugares donde las

condiciones son muy parecidas, dichos datos fueron analizados y tomado los

más importantes, como se mencionaron anteriormente en los antecedentes

de la investigación.

A estos elementos se incluye la técnica de revisión bibliográfica que

según Risquez, (2001) “es aquella que se utiliza para obtener testimonios

orales o escritos por parte de personas que han reunido contacto directo con

la muestra”. En este trabajo se analizaron textos y materiales escritos para

buscar los hechos presentes que establecieron el rumbo de la investigación,

82

es decir, se consultaron documentos y textos que permitieron acceder a

antecedentes del problema en sí.

Seguidamente, se agrega la técnica de observación directa que según

Méndez (2002), define a esta técnica como el uso sistemático del sentido de

búsqueda de los datos que se necesitan para resolver un problema de

investigación. Asimismo se visito el sitio en donde estará ubicado el

biodigestor UASB con el fin de obtener una percepción del área así como

recolectar aspectos de interés.

Y por último se aplicaron encuestas a través de entrevistas no

estructuradas con preguntas semiestructuradas constituidas por un guion de

audiencias formulada con 18 ítems, la cual se presentó para obtener

información apreciable.

Bernal (2006), señala que “este tipo de entrevistas se caracteriza por su

flexibilidad, ya que ella solo se determina previamente los temas y tópicos a

tratar con el entrevistado. Durante la entrevista el entrevistado puede definir

la profundidad del contenido, la cantidad y el orden de las preguntas o

cuestiones a tratar con las personas a entrevistar”. La entrevista establece

funcionalmente las consecuencias lógicas de un problema, que aunadas a la

experiencia del investigador y con ayuda de la literatura especializada, harán

posible la formulación de conclusiones, recomendaciones y propuestas que

propicien la solución de la situación problemática en estudio.

Validez y confiabilidad

En todo instrumento debe obtenerse la validez de contenido. De

acuerdo con Ary y otros (1995); la validez se ocupa del grado en que un

instrumento mide lo que supone que está midiendo. Por lo cual, construida la

primera versión del mismo, se elaborará un formato de validación para

permitir la aprobación del instrumento por parte de los expertos. Ahora bien,

83

el instrumento se presentará a 3 expertos, quienes analizaron cada ítems de

acuerdo a los indicadores en relación con el contexto teórico que intereso

evaluar. (Ver anexo 1), los cuales después de la respectiva revisión,

considerarán si el instrumento es válido.

Según Hernández y otros (2006), la confiabilidad del instrumento de

medición es considerada como el grado en que, al aplicarse de manera

repetitiva al mismo objeto de estudio u otro diferente, se producirán

resultados iguales o similares. Para poder estudiar la confiabilidad del

instrumento utilizado, se aplica la prueba Alfa de Cronbach, que requiere de

una sola administración del instrumento de medición y se basa en la

medición de la respuesta del sujeto con respecto a los ítems del instrumento.

El procedimiento utilizado para calcular el coeficiente de Cronbach se

muestra en el anexo 3

Obteniéndose un coeficiente de 0,84 para el instrumento aplicado, en

conclusión este posee 84% de confiabilidad, lo que significa que los

resultados de opinión de los 6 expertos respecto a los ítems considerados se

encuentran correlacionados de manera altamente confiable y muy aceptable

Tratamiento y análisis de los resultados

Se analizó de manera individual cada ítem del instrumento practicado,

para después hacerlo globalmente en relación con la variable, tomando en

cuenta las recomendaciones hechas por las personas entrevistadas. El

diseño se elaborará con ayuda del programa Microsoft Visio y el manual

Metcalf y Eddy (2000)

84

Fases de la Investigación

Fase I: Evaluar el proceso de la planta de tratamiento de aguas servidas (PTAS), de la Ciudad de Valera Edo Trujillo

Según Briceño, Coronado y Molina (2011), primero se conoce el diseño

y proceso de la planta de tratamiento de aguas servidas, incluyendo los

diagramas de flujo, una vez concretada la visita hasta la planta de

tratamiento de aguas servidas (PTAS) ubicada en la ciudad de Valera estado

Trujillo, se realizará un recorrido completo por la planta conociendo el

proceso y cada una de las variables que intervienen en el mismo, como el

caudal estimado de agua residual que será suministrado a la planta una vez

que entre en funcionamiento, por otra parte se especificará la ubicación

geográfica de la misma incluyendo sus delimitaciones.

Por otra parte es necesario conocer las características geográficas y las

condiciones climáticas de la zona, ya que ambas situaciones deben ser aptas

para la instalación del biodigestor, así como el medio de vida de los

habitantes y los servicios públicos tales como: aguas negras y aguas

blancas, abastecimiento de agua potable, disposición de aseo urbano, con

los que cuenta la población.

Fase II: Analizar las características de la fermentación metanogénica, de los lodos activos

Según Montes, M (2008), casi todas las materias orgánicas pueden

emplearse para la fermentación; sin embargo, para que este proceso se

realice en forma normal y vital es preciso contar con la acción conjunta y

combinada de bacterias que producen metano; en el caso de las aguas

85

servidas su composición química principal son los polisacáridos, proteínas,

grasas y pequeñas cantidades de metabolitos, la mayoría de ellos insolubles

en agua. Analizando el comportamiento de las bacterias anaeróbicas, se

puede conocer que estas convierten complejos productos orgánicos en

compuestos de moléculas simples, más sencillas, lo que quiere decir que

estas bacterias interfieren de manera significativa en el proceso de

fermentación para que pueda llegar a producirse gas metano. .

En el mismo contexto se dice que los factores que influyen en la

fermentación metanogénica son: el Ph, la temperatura, nutrientes, toxicidad,

nivel de carga, gas producido y el tiempo de retención.

Con el fin de determinar si los lodos residuales presentes en la laguna

anaerobia 1.1 de la PTAS cumplen con los parámetros teóricos necesarios

para realizar la fermentación y producir gas metano se decidió realizar

pruebas de medición de PH, conductividad eléctrica, DBO y DQO a un total

de tres muestras, en el laboratorio Angélica Orozco de la ULA NURR.

Fase III: Realizar un estudio de factibilidad del diseño de un biodigestor UASB que se adapte a las condiciones físicas, químicas, operacionales, económicas y geográficas de la PTAS

Según Briceño, Coronado y Molina (2011), a través del instrumento

aplicado, se evalúan cada uno de los ítems. Y se procede a evaluar la

factibilidad económica, operacional y técnica del proyecto. Esta se

presentará de manera gráfica, concluyendo de manera específica acerca de

los resultados y anexando opiniones relevantes de los expertos

entrevistados.

Fase IV Proponer el diseño de un biodigestor UASB que disminuya las emanaciones de nitrógeno e hidrogeno sulfurado en la laguna anaerobia de la PTAS

86

Según Briceño, Coronado y Molina (2011), luego a través del manual

Metcalf and Eddy se calculara el nivel de carga que es determinado según el

tamaño del biodigestor, que de acuerdo a un análisis espacial que se

realizara a la planta de tratamiento de aguas servidas se determinaran las

dimensiones que podría tener el mismo, con este dato se calcula el nivel de

carga al igual que el tiempo de retención hidráulica (HRT), durante el período

de llenado puede ser contabilizado como aproximadamente la mitad del

tiempo efectivo

Al tener todos los datos y cálculos anteriores, luego se procede a usar

el Manual Melcaft and Eddy, se selecciona el tipo de biodigestor, y se

dimensionará la cámara de fermentación, la campana y el reactor, utilizando

el programa Microsoft Visio; considerando las condiciones ambientales que

opera la PTAS, teniendo en cuenta los factores que afectan a la fermentación

metanogénica. Después de conocer el dimensionamiento del biodigestor y su

ubicación en la PTAS, se procede a diseñar el sistema de alimentación del

biodigestor, desde el fondo de la laguna anaeróbica (1.1) hasta la boquilla de

entrada del reactor; así como también el sistema de descarga del afluente

desde la boquilla de salida del reactor hasta la laguna aireada (1.2). Ver

figura 7; y por ultimo sugerir el equipo necesario para que los sistemas de

alimentación y descarga sean aptos para el funcionamiento eficiente del

biodigestor diseñado.

Instrumentos de Medición

Para la recolección de datos se utilizaron fuentes principales, como los

manuales de Melcaft and Eddy “Dimensionamiento de Digestores de lodos

residuales para plantas de tratamiento”, así como los diferentes P&ID

(diagrama de tuberías e instrumentación) y PDF (diagramas de flujo de

87

procesos), donde se especifica con detalle la distribución de los servicios,

además de cada uno de los instrumentos y equipos que los consumen

88

CAPITULO IV

RESULTADOS DEL ESTUDIO

Este capítulo muestra de forma amplia y especifica los resultados

obtenidos a lo largo de la investigación, concretando así el cumplimiento de

cada uno de los objetivos específicos definidos en el presente estudio, donde

se plantea, “Diseñar un biodigestor UASB para el aprovechamiento de lodos

residuales activos producidos en la PTAS de tipo terminal ubicada en el

municipio Carvajal en Valera Edo Trujillo. Se empleará una serie de técnicas

de recolección de información, orientadas de manera esencial a alcanzar los

fines propuestos.

Análisis de los datos y discusión de los resultados

A continuación se describe el desarrollo de las tareas y el progreso de

las fases que permitieron la culminación del trabajo.

Evaluar el proceso de la planta de tratamiento de aguas servidas (PTAS) de la ciudad de Valera. Edo. Trujillo

Es evidente que antes de conocer el diseño y proceso de la planta es

necesario identificar geográficamente la ubicación de la misma, tal y como se

mencionó anteriormente.

En este mismo marco de ideas se puede mencionar que Valera es una

ciudad de Venezuela ubicada al pie de los Andes en el Estado Trujillo, es la

capital del Municipio Valera, esta se encuentra a 547 msnm , latitud 9° 19′ 0″

N • y longitud 70° 36′ 0″ O

89

A continuación se presenta gráficamente los resultados obtenidos de la

entrevista realizada a los expertos:

Gráfico 1: Dimensión: Proceso de la PlantaFuente: Cálculos basados en la entrevista aplicada a los expertos, Briceño, Coronado y Molina (2011)

Según los resultados se puede afirmar que la PTAS se encuentra

ubicada geográficamente como se muestra en la figura 6. Se localiza en la

principal vía de acceso terrestre a las afueras de la ciudad de Valera ideal

para la recolección de las aguas servidas del colector este; sin embargo se

inicio la construcción de una urbanización ubicada a 100m de distancia de la

PTAS, la cual se encuentra afectada por los gases emanados por la misma,

en la actualidad la planta no se halla en funcionamiento debido a que el

colector esta obstruido gracias a las fuertes precipitaciones. Tomando en

cuenta que el caudal recibido por la planta en un periodo de sequia es

constante, mientras que durante el periodo de lluvia este puede variar

significativamente.

90

1 2 3 40%

20%

40%

60%

80%

100%

Dimensión: Proceso de la planta

nosi

ITEM

Porcen

taje

Localización de la PTAS

Al noroeste de la carretera principal a 370 metros sobre el nivel del mar

(de su esquina sudeste) abajo hasta la corriente del río Motatán (a 345

metros sobre el nivel del mar) completamente al norte al final de la ciudad. El

interceptor de las aguas servidas de Valera, que ya se encuentra construido,

sigue el lado oeste del eje vial Valera-Trujillo.

El proyecto original para el tratamiento de las aguas residuales de la

ciudad de Valera tratara las aguas residuales de los municipios Valera y

Motatán, las aguas residuales a ser tratadas son las correspondientes al

Municipio Valera colector este, cuya población servida sería de 175.000

habitantes, proyectada para el año 2020, según datos suministrados por el

Instituto Nacional de Estadística (INE) y los censos realizados por la Oficina

Central de Estadística e Informática (OCEI).

En la fig. 6 se muestra la imagen geográfica satelital de la ubicación de

la planta de tratamiento de aguas servidas (PTAS) y sus adyacencias; con

sus respectivas coordenadas, incluyendo el complejo urbanístico y el cauce

del rio Motatán en el cual serán vertidas las aguas previas al tratamiento,

este se usa como referencia, con el objetivo de tener una visión más amplia

del espacio geográfico que esta ocupa en la ciudad de Valera

Es necesario señalar que los datos recolectados acerca de la planta

fueron suministrados por la Dirección de Estudios de Proyectos

HIDROANDES Valera (DEYP), dentro de los cuales se especifica el área de

influencia donde se construyeron las lagunas, la cual está delimitada por la

totalidad del terreno (33 hectáreas aproximadamente).

91

Figura 6: Ubicación de la PTASFuente: Imagen satelital. Google-imágenes mapas (2011)

De igual modo el caudal aproximado que ingresa a la planta fue

calculado utilizando un valor de dotación promedio de 390 L/hab.día. Dicho

valor es mayor al estipulado en las normas venezolanas para sistemas de

abastecimiento de agua (250 L/hab.d). Sin embargo, se considero apropiado

para el dimensionamiento de la planta, conociéndose las dotaciones típicas

dentro del país para ciudades grandes como lo es el caso de Valera.

Utilizando un factor de reingreso de 0,8 y la población calculada, se estimó

que el caudal medio a tratar por la planta será de 630 L/s. este caudal es

determinante en el diseño y dimensionamiento del biodigestor para

92

garantizar de manera eficaz la producción de gas metano para abastecer la

demanda y al mismo tiempo reducir los malos olores.

La siguiente tabla muestra el caudal máximo permitido, además el

promedio así como el mínimo caudal con el que podría entrar en

funcionamiento la planta de tratamiento.

Tabla: 7

Caudales utilizados para el diseño de la planta de tratamiento

CAUDALESL/s M3/día

Caudal Máximo 1200 103.680

Caudal promedio 650 56.160

Caudal mínimo 316 27.300

Fuente: Dirección de Estudios de Proyectos HIDROANDES Valera (DEYP), 2010

Según la entrevista realizada la planta actualmente solo se encuentra

construida y en funcionamiento lo que se llama primera fase; que comprende

el sistema primario de tratamiento (remoción de sólidos y arenas) sistema

secundario (laguna anaerobia 1.1 y aireada 1.2), y el sistema de cloración.

La PTAS por el momento se halla operando con aguas pluviales ya que el

recolector este de la ciudad de Valera se obstruyo por exceso de sólidos y

está arrojando las aguas residuales al rio Motatán. Por ahora la laguna

anaerobia 1.1 está en proceso de estabilización o prueba, lo que produce un

mal olor, pero según experiencias anteriores en la PTAS del Edo. Barinas

aun pasando el periodo de estabilización el mal olor se disminuirá solo un

poco.

Por último se muestra el diagrama de flujo de la planta, anexándole el

biodigestor y quedaría el proceso de la siguiente manera: Después de la

etapa de remoción de sólidos y arena, el caudal se dirige hacia la laguna

93

anaeróbica (1.1) en la cual se sedimentan los lodos residuales, luego estos

son bombeados hacia el biodigestor para realizar el proceso de digestión,

una vez realizado esto el afluente se dirige a la laguna aireada (1.2) donde

se eliminan los coliformes fecales, así mismo el biogás producido se enviará

por un sistema de tubería a una comunidad cercana. Ver figura 7.

Figura 7. Diagrama de flujo de Fuente: Briceño, Coronado Molina, (2011)

Analizar las características de la fermentación metanogénica, de los lodos activos

Como resultado de la entrevista para una apreciación previa se muestra

el siguiente grafico:

Gráfico 2: Dimensión: Características de la fermentación metanogénica

94

Fuente: Cálculos basados en la entrevista aplicada a los expertos, Briceño, Coronado y Molina (2011)

Las bacterias anaeróbicas juegan el papel más importante en el

proceso anaeróbico, pero las más sensibles a los cambios son las

metanogénica, según las investigaciones consultadas Moeller, G (2005).

Dichas bacterias necesitan de nutrientes (nitrógeno y fósforo) para

alimentarse y reproducirse, y de esta manera llevar a cabo el proceso,

teniendo como uno de los productos finales biogás. Para que esto se cumpla

las bacterias requieren de ciertas condiciones tales como:

a) PH: la influencia del pH sobre la producción de metano está

relacionada con la concentración de AGV. Los diferentes grupos bacterianos

presentan niveles de actividad satisfactorios a pH próximos pero un poco

diferentes; los hidrolíticos

El PH optimo según Montes, M (2008) es de 6.6 a 7.6. Este se puede

ver afectado ocasionando una disminución del mismo por causa de los

ácidos grasos volátiles que no son digeridos por las bacterias acetogénicas.

Según los análisis realizados en el laboratorio Angélica Orozco en la

Universidad de los Andes, sede Trujillo, a tres muestras de agua residual de

la laguna anaerobia 1.1, a través de un phmetro electrónico, según la

entrevista realizada al MSC. Héctor Caraballo, es necesario tomar tres

95

5 6 7 8 9 100%

20%40%60%80%

100%

Dimensión:Características de la fermentación metanoge-nica

nosi

ITEM

Porcen

taje

análisis para obtener resultados más confiables ya que según numerosas

experiencias el pH de un rio puede variar incluso en horas de manera

drástica. Los resultados obtenidos fueron los siguientes:

Cuadro 3.

Resultados de pH y conductividad eléctrica

Día PH Conductividad eléctrica siemens/m3

Muestra 1 21/06/2011 7,5 0,52

Muestra 2 22/06/2011 7,3 0,47

Muestra 3 23/06/2011 7,4 0,41

Promedio 7,4 0,46Fuente: Briceño, Coronado, Molina (2011)

Según los resultados obtenidos se tomó un ph de 7.4 de promedio, el cual

se encuentra dentro de las condiciones teóricas establecidas según Montes,

M (2008), para que las bacterias metogénicas se desarrollen

satisfactoriamente. Se considera que el PH no varía semanalmente según el

instrumento aplicado.

b) Temperatura: según la entrevista realizada la temperatura es una de las

variables que más influyen en el proceso, cuya eficacia decrece por debajo

de 15ºC ya que la depuración se debe fundamentalmente a la sedimentación,

mientras que por encima de 15 ºC la biodegradación se incrementa. La

temperatura afecta la actividad de los microorganismos, determina la

cantidad de energía neta producida e influye en la relación pH-

alcalinidad.Considerando que el biodigestor estará sometido a temperatura

ambiente sin adición alguna de un sistema de calentamiento del efluente; es

muy importante recalcar la función que cumple la temperatura en el

crecimiento de las bacterias según sea su fase, ya que en la acetogénesis,

96

las bacterias pueden crecer a bajas temperaturas; pero en la metogénesis se

requieren de temperaturas más elevadas, según fuentes anteriores. Montes,

M (2008), existen tres rangos de temperatura para la digestión de residuales,

el primero es el mesofílico (de 20 a 45 °C), el segundo es el termofílico (por

encima de 45 °C). El óptimo puede ser de 35 °C a 55 °C

Para consideraciones de diseño según INE, la temperatura promedio

durante las noches es de 27°C y en las tardes de 35°C, por lo que la

temperatura promedio general es de 31°C; la cual se considera optima para

el crecimiento de las bacterias metogénicas, y se razona que se encuentra

en el rango mesofílico. Los cambios de temperatura en el intervalo mesofílico

pueden tolerarse normalmente, pero cuando la temperatura desciende la

carga también debe disminuirse de acuerdo con el descenso de la actividad

esperada.Según la entrevista realizada al MSC. Héctor Caraballo se debe tomar

la temperatura directamente al agua de la laguna 1.1 a través de un

termómetro de mercurio y luego se toma la temperatura de cada una de las

muestras en el momento de los análisis, cabe destacar que el mismo día que

se recogieron las muestras se realizaron los estudios, pero la temperatura

puede variar desde el momento que fue tomada la muestra hasta el análisis.

Cuadro 4.

Resultados de la temperatura de las muestras

Día Temperatura ºC

Muestra 1 21/06/2011 29,9

Muestra 2 22/06/2011 29,5

Muestra 3 23/06/2011 29,4

Promedio 29,6 Fuente: Briceño, Coronado, Molina (2011)

97

La temperatura promedio de las muestras fue 29,6ªC; pero la

temperatura tomada en sitio fue 28 ºC. Por lo que se decidió tomar la

temperatura en sitio, y esta cumple con los parámetros de temperatura aptos

según lo anterior descrito.

c) Nutrientes: estos son de vital importancia al igual que los factores anteriores.

Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la concentración

óptima para las bacterias metogénicas, ya que estas se inhiben severamente

por falta de los mismos. Según Melcaft and Eddy la relación carbono nitrógeno

(C:N) para lodos residuales activos es de 6:1, debido a que es menor al mínimo

recomendado (8:1), se producirá una cantidad excesiva de amonio, por lo que

según García, A (2008), en su tesis titulada Digestión Anaerobia no

Convencional de Lodos Biológicos utilizando un reactor tipo UASB, descrita

en los antecedentes consultados, el lodo digerido por el biodigestor UASB no

puede ser utilizado directamente en la agricultura sin un tratamiento previo

en un lecho de secado, por su alto contenido de amonio, perjudicial para el

consumo humano.

98

Tabla 8

Relación C/N de diferentes compuestos orgánicos

Material %Nitrógeno (seco) Relación C/N

Restos de pescado 6,5-10Estiércol 2,15 14:1

Restos de cocina 2 25:1

Algas Marinas 1,92 19:1

Paja de Trigo 0,32 128:1

Serrín triturado 0,25 200:1

Serrín entero 0,11 510:1

Residuos de comida 2,0-3,0 15:1

Basura en conjunto 0,5-1,4 30:1

Madera 0,07 700:1

Papel 0,2 170:1

Hierba cortada 2,2 20:1

Hierbas 2 19:1

Hojas 0,5-1,0 40:1

Restos de Fruta 1,5 35:1

Lodos de aguas residuales:  Activados 5,6 6:1Digeridos 1,9 16:1Fuente: Melcaft and Eddy (2000)

d) Toxicidad: como se ha comprobado los niveles así sean bajos de

contaminantes, provoca que las bacterias metogénicas se reproduzcan

normalmente ocasionando una disminución de la producción de gas metano.

Según Lettinga (2001) Son muchas las substancias que pueden resultar

inhibidoras del crecimiento de los microorganismos anaerobios. A continuación

se describe brevemente los compuestos que más comúnmente presentan

problemas de toxicidad:

99

Figura 8. Composición media de las aguas residuales domesticasFuente: Metcalf & Eddy, (2000)

-Ácidos grasos volátiles: Los ácidos grasos volátiles son los más

importantes intermediarios del proceso anaerobio, siendo, por ello,

fundamental conocer su evolución. Juegan un papel muy importante en la

monitorización y control de reactores anaerobios, mostrando una rápida

respuesta a las variaciones en el sistema, por ejemplo en el caso de

sobrecargas orgánicas o en el caso de la introducción de tóxicos. El aumento

de su concentración está relacionado con la disminución en la producción de

biogás. Las concentraciones de ácidos grasos volátiles por debajo de 50 mm,

equivalente a 3000 mg acético/L, no producen ninguna disminución de la

producción de metano. Son los ácidos propiónico y valérico los primeros que

afectan al proceso, mientras que el butírico y el acético han de acumularse

por encima de 100 mM para afectar a la tasa de producción de metano.

-Hidrógeno: El hidrógeno es un importante intermediario del proceso

anaerobio, y su acumulación puede provocar la inhibición de la acetogénesis,

con la consiguiente acumulación de ácidos grasos volátiles, estando

especialmente descrita la acumulación de propiónico.

-Ácidos grasos de cadena larga (AGCL): Los ácidos grasos libres de

cadena larga, oleico y estérico, inhiben todos los pasos de la digestión

anaerobia termofílica, provocando, a una concentración de 0,2 g/L de oleico,

100

el aumento en la duración del desfase inicia en la producción de metano,

fase lag, mientras que el crecimiento bacteriano es completamente inhibido a

una concentración de 0,5 g/L de oleico y 1,0 de esteárico.

-Cationes y metales pesados¨ todos los cationes pueden proporcionar

toxicidad a algún nivel de concentración, aumentando la toxicidad con el

peso molecular, es por eso que los metales pesados son los que provocan

toxicidad a menor concentración. El orden de toxicidad de los metales

pesados es Ni > Cu > Cr(IV) y Cr(III) > Pb > Zn.

-Desinfectantes y antibióticos: Los restos de desinfectantes,

procedentes de la limpieza y desinfección de las granjas en los residuos

animales pueden resultar tóxicos para el sistema anaerobio. La toxicidad

dependerá, básicamente de la concentración, de la biodegradabilidad de los

mismos, y del tiempo transcurrido desde su utilización, hasta la entrada del

residuo en el sistema anaerobio.

e) Nivel de carga: El siguiente parámetro fue necesario definirlo tanto

para el dimensionamiento de la planta como para ciertas consideraciones al

momento de diseñar el biodigestor, esta actividad resulta básica en la

realización de un proyecto de esta naturaleza; este corresponde a las

características fisicoquímicas del agua residual tratada. Dentro de estas

características destacan como principales la demanda bioquímica de oxígeno

(DBO), cantidad de sólidos suspendidos (SSV) y la concentración de

organismos coliformes fecales (CF). Los valores utilizados se presentan en

la tabla que se muestra a continuación:

Según la entrevista realizada a los expertos la demanda biológica de

oxigeno es una prueba analítica que permite determinar el contenido de

materia orgánica biodegradable en una muestra de aguas residuales

midiendo el consumo de oxigeno por una población microbiana heterogénea

(durante 5 días generalmente), a una temperatura de incubación de 31 ºC y

en presencia de nutrientes.

101

Tabla: 9

Características físico-químicas del agua residual a tratar

Parámetro Valor

DBO (mg / L) 180

SSV (mg / L) 50

Coliformes Fecales 1 x 107

Fuente: Dirección de Estudios de Proyectos HIDROANDES Valera (DEYP), 2010

La importancia de esta prueba radica en que es un parámetro ambiental

que da una medida del grado de contaminación.

Los resultados de los análisis realizados a las tres muestras cada una

de un litro fueron los siguientes:

Cuadro 5

Resultados de la DBO y DQO

Día DBO mg/l DQO mg/l

Muestra 1 21/06/2011 169 295,75

Muestra 2 22/06/2011 172 301

Muestra 3 23/06/2011 174 304,5

Promedio 172 301

Fuente: Briceño, Coronado, Molina (2011)

Según la entrevista realizada al MSC Héctor Caraballo, para obtener un

resultado estadísticamente aceptable se realizaron tres análisis, la DQO

según el instrumento aplicado puede ser calculada teóricamente por lo que

se utilizó la fórmula del libro Melcaft and Eddy (2000) la cual es la siguiente:

102

DQO = DBO * constante química del agua residual (1,75). Esta constante

según numerosos estudios realizados en diferentes puntos del Rio Motatán

arrojaron un factor de 1,75, esta varía según el área geográfica y la

población.

Para el diseño del biodigestor se tomó una DBO de 180 mg/l ya que fue

la suministrada por HIDROANDES y los resultados de los análisis arrojaron

un resultado similar y por razones de seguridad se tomó un valor mayor. Por

lo tanto se tomó una DQO de 315mg/l.

e) Tiempo de retención: es un factor determinante en la producción de

biogás, este se encuentra directamente relacionado con la temperatura a la

que va a estar expuesto el biodigestor UASB, en nuestro caso 31°C, según el

manual de Melcaft and Eddy (2000) el tiempo de retención hidráulico para

lodos residuales activos a 31°C es entre 6-8 horas; por lo que se consideré

un valor intermedio de 7 horas, tiempo suficiente para que las bacterias

anaeróbicas descompongan la materia orgánica de manera eficiente.

Tabla: 10

Parámetros de diseño

Parámetro Valor

Tiempo de retención (h) 6

Profundidad (m) 4-6

Velocidad ascensional (m. h-1) 1

Ángulo de inclinación separador (º) 45-60

Temperatura (ºC) 16-35

Eficiencia teórica esperada DBO (%) ≥ 80

Fuente: Van Haandel y Lettinga (2001)

103

Realizar un estudio de factibilidad del diseño de un biodigestor UASB que se adapte a las condiciones físicas, químicas, operacionales, económicas y geográficas de la PTAS

Gráfico 3: Dimensión: Factibilidad del diseño de un biodigestor Fuente: Cálculos basados en la entrevista aplicada a los expertos, Briceño, Coronado y Molina (2011)

1) Factibilidad económica, en la actualidad son numerosas las

empresas de fabricación de material de construcción tanto de concreto como

de cemento, lo que resulta beneficioso al momento de elegir el material para

la construcción del biodigestor UASB, tomando en consideración lo anterior

mencionado se eligió como material el concreto, de acuerdo a la entrevista

realizada todos los expertos concluyen que es un material de fácil obtención

en la zona, con respecto al sistema de descarga de lodos activos de la

laguna 1.1 esta servirá como sistema de alimentación del biodigestor UASB,

por otra parte se encuentra las tuberías (PVC) y válvulas de compuerta que

se encuentran en el mercado a un bajo costo, como beneficio económico

adicional se encuentra la generación de biogás que puede ser aprovechada

por alguna comunidad aledaña según la rata de producción.

104

11 12 13 14 15 160%

10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

Dimensión:Factibilidad del diseño de un biodigestor

nosi

ITEM

Porcen

taje

2) Factibilidad operacional. Según los factores que afectan la

metanogénesis, tal y como se explicó anteriormente cada uno de estos se

encuentra dentro del rango de operación, de acuerdo al instrumento aplicado

a los expertos concluyen que el biodigestor UASB es apto para controlar los

gases emanados por la PTAS, en cuanto al espacio físico con el que cuenta

la planta es idóneo para la instalación del mismo ya que este es compacto.

Una ventaja de la implementación del biodigestor sería la disminución de la

DBO en un 80% mayor que en la laguna 1.1 (40%), sin embargo la remoción

de agentes patógenos en el biodigestor es casi nula, por lo que se decidió

enviar el efluente hacia la laguna aireada 1.2. otra manera de contribuir es el

diseño del sistema de alimentación adaptado al sistema de descarga de la

laguna, para conservar la temperatura durante la noche y mejorar la

eficiencia del biodigestor se decidió que este estaría semienterrado de igual

forma la cámara de supervisión para inspeccionar el proceso

3) Factibilidad tecnológica, según los antecedentes existen numerosas

investigaciones para el tratamiento de lodos residuales mediante

biodigestores, esto se afirma una vez más en el instrumento aplicado a los

expertos, en lo concerniente a la experiencia con la que cuenta el estado

Trujillo es nula con respecto a la implementación de biodigestores para tratar

lodos residuales, ya que en condiciones normales no es necesaria su

implementación.

Proponer el diseño de un biodigestor UASB que disminuya las emanaciones de nitrógeno e hidrogeno sulfurado en la laguna anaerobia de la PTAS

Según la entrevista realizada a la Ing. Lisbeth Duran el caudal

promedio de la planta es 56.160 m3/día, ya que recibe solo las aguas del

colector Este de la ciudad de Valera, tal como se mencionó anteriormente;

por consiguiente no está trabajando con el caudal máximo para la que fue

105

diseñada. La composición de las aguas residuales domesticas es 99.9%

agua y 0.01 % son sólidos

17 180%

20%40%60%80%

100%

Dimensión:Control del proceso para la disminución de metano, nitrógeno e hidrogeno sulfurado

nosi

ITEM

Porcen

taje

Gráfico 4: Dimensión: Control del proceso para la disminución de metano, nitrógeno e hidrogeno sulfurado Fuente: Cálculos basados en la entrevista aplicada a los expertos, Briceño, Coronado y Molina (2011)

Gracias a la entrevista realizada se considero tomar el 0,1% del caudal

promedio de la PTAS, obteniendo una composición del caudal de

alimentación del biodigestor de 90% agua y 10% sólido (lodo).

- Este diseño puede hacerse en forma rectangular o cilíndrica. Se

escogió la cilíndrica en virtud de las obvias ventajas hidrodinámicas como por

ejemplo, la menor posibilidad de formación de zonas muertas, además del

tamaño, volumen, carga y caudal que se propuso manejar.

- El material considerado para la elaboración de la estructura del reactor

es concreto armado, debido a que ofrece mayor resistencia a la corrosión,

así como una larga vida útil. Según, Guevara (1996), el cual estudió los

fundamentos básicos para el diseño de biodigestores anaerobicos rurales.

106

- Por último cada una de las ecuaciones usadas para el

dimensionamiento del biodigeastor UASB, fueron tomadas de el Manual de

Lettinga, G. Van Velsen.

- Debido a esto se procede de la siguiente manera.

Caudal promedio de la planta

630¿ /seg = 0,63m3/seg

0,63m3/seg× 86400 seg

1dia = 54432 m3/dia

Debido a que el tiempo de retención (Tr) en la laguna 1.1 es de 7 días,

entonces el caudal semanal es:

381024 m3/semana, del cual se estimo un 0,1% del volumen total a una

profundidad de 4 m , entonces:

381024 m3

semana× 0,1%

100=381 m3

semana

Debido a esto, el caudal en m3/hr es:

381 m3

semana× 1 semana24hr ×7

=2 ,26 m3

hr

Diseño del biodigestor.

La temperatura media de la ciudad de Valera oscila entre, 27°C - 34°C,

se tomó como promedio 31°C. THR (tiempo de retención hidráulica): 7 horas,

según los parámetros de diseño de Van Haandlen y Lettigna (2001)

107

A continuación se presentan los resultados de las dimensiones del

biodigestor UASB, el procedimiento para los cálculos fueron incorporados en

el Anexo 2.

Según el instrumento aplicado la altura del reactor influye en el proceso

de generación de Biogás, ya que según Montes M (2009) la altura de los

biodigestores deben oscilar entre 1,5m y 7m; si es muy bajo no habría

espacio suficiente para que se forme la cámara de gas y por lo tanto el

separador GSL no funcionaría bien; por el contrario no existiría la suficiente

presión para que el biogás ascienda hasta el separador.

Con respecto al TRH según el instrumento arrojó que este influye en la

generación de biogás. Tal y como lo afirma Montes M(2009), el tiempo de

retención debe oscilar entre 6 y 8 horas, si está por debajo de las 6 horas no

producirá la cantidad de biogás suficiente, de igual modo si está, por encima

de las 8 horas la producción de biogás ira decreciendo, lo ideal es que se

encuentre en el intervalo mencionado

Dimensiones del Biodigestor UASB

Cuadro 6

Dimensiones del biodigestor U.AS.B

Componente Medida (m)Altura del reactor (Ar) 3,5Radio del cilindro (Rr) 1,2

Diámetro del cilindro (D) 2,4Altura del reactor 1,5

Altura total del reactor 5Altura de la cámara de descarga del efluente 1

Altura del biodigestor 6Fuente: Briceño, Coronado y Molina (2011)

108

Cuadro 7

Dimensiones de la campana del biodigestor U.A.S.B

Componente: Medida (m)Altura de la campana (Hc) 1,7

Radio transversal de la campana (Rc) 1Traslapo (Tv) 0,3

Ancho de los Deflectores (Wd) 0,5Longitud de los deflectores (Ld) 1

Ancho de la Abertura (Wa) 0,2

Fuente. Briceño, Coronado y Molina

Cumpliendo con la última fase del proyecto se propone un sistema de

alimentación de lodos residuales activos de la piscina anaeróbica-aeróbica

1.1; la cual puede ser sometida a cambios en el diseño como sea el caso.

Según la entrevista realizada a la Ing. Lisbeth Durán, antes de proponer el

sistema de alimentación y después de conocer las dimensiones del

biodigestor UASB, se ubica físicamente en un área adecuada dentro de la

PTAS, la cual cuenta con espacio suficiente para adaptar un equipo de

dichas dimensiones, la ubicación geográfica según los planos será la

siguiente:

Figura 9: Ubicación espacial del biodigestorFuente: Briceño, Coronado, Molina (2011)

109

Laguna 1.1

Laguna 1.2

Según la entrevista realizada a la Ing. Lisbeth Durán: existe una tubería

de 6”, ubicada en el fondo de la Laguna 1.1 la cual fue diseñada para

bombear los lodos cada 3 años hacia los lechos de secado. Ver figura 9.

Propuesta del sistema de alimentación

La alimentación del reactor se hace mediante una bomba

electrosumergible la cual proporciona un aumento en la presión de modo que

el fluido ascienda de forma eficiente, al mismo tiempo, permite dosificar y

mantener un caudal constante. Esta bomba se conecta a una tubería de 3”

que se encuentra en el fondo del reactor de material PVC, por lo que habilita

que el caudal se distribuya por la parte inferior del sistema poniéndose en

contacto con el manto de lodo. Las bombas ya existentes según Hidroandes

poseen las características siguientes:

Tabla 11:

Características de la bomba de succión

Numero de bombas 2, idénticas (una de repuesto)

Tipo Diafragma

Caudal de cada bomba 40 L/Sec

Diámetro de sección 8 plg. (200 mm)

Diámetro de impulsión 6 plg (150 mm)

Altura dinámica total 14.9 m Fuente: Dirección de Estudios de Proyectos HIDROANDES Valera (DEYP), 2010

110

Laguna 1.1

UASB

Lecho de Secado

- Con el fin de aprovechar el diseño anteriormente mencionado se

propone realizar un by pass con una reducción de 3” respectivamente.

- Los lodos serán conducidos por una tubería de PVC de 3” equipada

por válvulas y piezas especiales de acero.

- Las válvulas estarán ubicadas tal como se muestra en la figura 10.

Figura10: Diagrama de flujo del sistema de alimentación del biodigestorFuente: Brceño, Coronado, Molina (2011)

Descripción:

La V-1 es una válvula de tipo compuerta ubicada en el fondo de la

laguna 1.1 y su función es extraer los lodos residuales activos precipitados

en el fondo, esta válvula ya existe junto a la bomba E-2 cuyas características

fueron especificadas en la tabla 12.

El by pass cuenta con una reducción de 3” ya que la tubería principal

es de 6”, esta cuenta con una válvula abierta V-2, cuya principal función es

regular el caudal de flujo de lodos hacia el biodigestor.

Se propone colocar una válvula de cierre V-3 después del by pass, con

el propósito de impedir el paso de los lodos hacia el lecho de secado.

111

Propuesta del sistema de descarga

Este es de vital importancia para el óptimo funcionamiento del

biodigestor, a continuación se propone el sistema de descarga del efluente

líquido que según la tabla 10, la DBO esperada es de 80% la cual es mayor

que la obtenida por la laguna 1.1 (40%); pero considerando la cantidad de

coliformes fecales presentes, el porcentaje de remoción de las mismas

(30%), no es suficiente para enviar estas aguas hacia la laguna de

maduración por consiguiente se propone trasladar el efluente por una tubería

de PVC de 3” hacia la laguna aeróbica 1.2 con el fin de reducir los coliformes

fecales para que cumplan con los parámetros establecidos.

112

Laguna 1.2UASB

Figura 11: Diagrama de flujo del sistema de descarga del efluente del biodigestorFuente: Briceño, Coronado, Molina

Seguidamente se propone el sistema de descarga de efluentes sólidos

(lodos residuales digeridos), que son el resultado de la digestión de lodos

que se van acumulando en el fondo del reactor y cuando alcanzan una altura

de 2,5m en nuestro caso, se debe parar el proceso y desechar los lodos

hacia el lecho de secado.

Este sistema será tomado aprovechando la propuesta de diseño del

sistema de alimentación ver figura 12, para ello se cierra la válvula V-1 y se

abre la V-3.

Monitoreo del reactor (puntos de muestra)

Para la toma de muestras a través del reactor se diseñaron 5 puntos los

cuales están distribuidos de la siguiente forma; de abajo hacia arriba, se

tienen 5 puntos los cuales están cada 0,75m, esta distribución con el fin de

hacer un muestreo correcto para determinar el comportamiento del sólido en

el sistema. Los puntos de monitoreo estarán ubicados a la altura de 0,75m;

1,5m; 2,25m; 3m; 3,75m desde la parte inferior del reactor. En cada punto se

adapto una tubería de PVC de 1” con su respectiva llave de apertura rápida

del mismo diámetro (válvula de globo). Ver figura 14.

113

Cámara de supervisión

Ubicado en el lateral derecho del biodigestor, está destinada a facilitar

el monitoreo del reactor, se consideró para la misma las proporciones

máximas de una persona con las siguientes características: altura (no

limitante), ancho 1.1m, con un peso máximo de 110 kg. Ver figura 16

CONCLUSIÒN.

Tomando en consideración cada uno de los objetivos e indicadores de la

investigación, la revisión bibliográfica y el análisis de los resultados, se

presentan las siguientes conclusiones:

Los gases (metano, nitrógeno e hidrogeno sulfurado) que produce la

laguna 1,1 de la PTAS afectan directamente a la Urb. Nueva ciudad de

Valera, ya que esta se encuentra a 100m de distancia y según la ley orgánica

para la planificación y gestión de la ordenación del territorio esta debe estar a

500m de distancia. La ubicación de la PTAS es ideal para el tratamiento de

las aguas servidas ya que al ser de tipo terminal ayuda a disminuir la

114

contaminación del rio Motatàn y por ende a la disminución de la eutrofización

de la represa Agua Viva.

La temperatura ambiente promedio de la zona es de 31ºC, la temperatura

promedio de la laguna 1.1 de la PTAS es de 29,6ºC ideal para la

fermentación mesofílica, el porcentaje de lodos activos en la laguna es de

0,1%, este representa el nivel de carga del biodigestor UASB diseñado; en

cuanto al Ph, este no varía semanalmente y se mantiene en un promedio de

7.4, valor optimo que indica que el grado de toxicidad afectado por los AGV y

detergentes del lodo activo se encuentra dentro de los parámetros de diseño,

de igual manera el contenido de materia orgánica aproximado por la DBO

promedio es de 172 mg/l y la DQO promedio de 301 mg/l los cuales no

incidirán sobre la reproducción de las bacterias metanogenicas y por ende la

producción de Biogas.

Haciendo referencia a la relación C/N recomendada los lodos residuales

activos no se encuentran dentro de las especificaciones técnicas sugeridas

por los autores consultados, por lo que el lodo digerido no puede ser utilizado

como abono sin antes ser enviado a un lecho de secado debido a que este

posee un alto contenido de amonio.

Considerando que la mayoría de los materiales y equipos

implementados en el diseño del biodigestor UASB se encuentran disponibles

en el área, ya que la zona baja cuenta con numerosas empresas encargadas

de la elaboración de los mismos, por consiguiente el diseño es factible

económicamente, sin mencionar que el sistema de descarga de lodos de la

laguna se encuentra actualmente construido.

En virtud de los resultados arrojados por las entrevistas realizadas a los

expertos, con una confiabilidad calculada de 84%, la capacidad del

biodigestor UASB para controlar los gases emanados por la PTAS es viable

y necesaria ya que beneficiara directamente a la comunidad aledaña,

mientras que el espacio físico disponible en la PTAS es muy amplio y debido

115

a que biodigestor es compacto este se adaptaría fácilmente en un lugar

optimo para su eficaz funcionamiento.es necesario destacar que el

biodigestor posee un tiempo de vida útil equivalente a los seis años.

Con respecto a la factibilidad tecnológica, existe suficiente bibliografía

para el diseño construcción y operación del biodigestor UASB, ya que todo lo

relacionado a su construcción, mantenimiento y operación cuenta con una

tecnología que se implementa desde el año 1980 y ha sido implementado

con éxito en países como Colombia y Bolivia donde las condiciones son

similares.El único reto que implica este proyecto es obtener la experiencia

necesaria para llevar a cabo su ejecución, y de esta forma contribuir con el

desarrollo de la ciudad y colaborar con la defensa del ambiente.

Con relación a las condiciones anteriormente descritas se propuso un

Biodigestor UASB que se adapte a cada una de ellas, con relación a la forma

esta es cilíndrica para que la limpieza de los tanques sea más rápida y fácil

de realizar, además se planteó un sistema de alimentación y descarga que

cuenta con una cámara de supervisión necesaria para inspeccionar el

proceso.

RECOMENDACIONES

Al disminuir la temperatura a 27ºC promedio durante las noches, la

producción de biogás disminuye, ya que las bacterias metanogénicas son

mesolíticas y no digieren suficiente materia orgánica, por ende se propone

que el biodigestor UASB se encuentre bajo tierra aproximadamente 3m con

el fin de conservar la temperatura el mayor tiempo posible, y recubrir la

superficie expuesta al sol con una doble capa de pintura negra, con el fin de

que esta ayude a reflejar la menor cantidad de luz posible.

Para la puesta en marcha del biodigestor UASB es recomendable

someterlo a un periodo de prueba de dos semanas para que se estabilice el

116

manto de lodos extraído de la laguna 1.1, y por consiguiente se desarrolle la

colonia de bacterias metanogénicas suficientes para que el biodigestor

funcione óptimamente. Cada año se debe realizar un mantenimiento ya que

la capa de lodos va aumentando y según el diseño esta no debe exceder de

los 2.5 m de altura, el bypass debe abrirse V-3 y el sistema de alimentación

debe cerrarse a través de las válvulas V-2 y V-1. El lodo ya digerido se

traslada hacia los lechos de secado, para luego ser utilizados como abono

para árboles frutales.

Es posible que, como subproducto, se obtenga SH2, el cual es tóxico y

corrosivo, dependiendo del sustrato de partida y de la presencia o no de

bacterias sulfatorreductoras. La presencia de SH2 hace que se genere menos

CH4, disminuyendo la capacidad calorífica del biogás y encareciendo el

proceso por la necesidad de depurarlo. Dentro de la T que está colocada en

la tubería de conducción del biogás y sobre la válvula de seguridad, se debe

colocar una esponjilla metálica o alambrina.

La limadura de hierro de la esponjilla reacciona con el ácido sulfhídrico,

altamente tóxico, contenido en el biogás, convirtiéndolo en sulfato de hierro,

el cual es inofensivo. La esponjilla metálica debe ser cambiada cada seis

meses. Existe riesgo de explosión en caso de no cumplirse las normas de

seguridad.

El biogas producido por el biodigestor UASB puede ser utilizado como

energía alternativa en forma de combustible por la comunidad Nva. Ciudad

de Valera.

Para evitar la corrosión del separador GSL este debe ser fabricado con

acero al carbono

Los materiales y equipos utilizados para el biodigestor son los

siguientes:

Cemento, arena, concreto, cabilla, válvulas de seguridad, tuberías de

PVC 3”, entre otros.

117

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121

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

“RAFAEL MARIA BARALT”PROGRAMA: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

PROYECTO: INGENIERÍA DE GAS

ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE UN BIODIGESTOR UASB PARA APROVECHAR LODOS RESIDUALES ACTIVOS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS

SERVIDAS DE TIPO TERMINAL

INSTRUCCIONES

Este instrumento es de carácter anónimo y confidencial, para responder observe las siguientes instrucciones.

Lea detenidamente cada uno de los ítems. Marque cada uno de los ítems con una X en caso de ser su respuesta

afirmativa o negativa.

122

Lea detenidamente cada uno de los indicadores y relacione con los ítems.

Marque cada uno de los ítems con una X si le parece acorde o no. Se le agradece no firmar el instrumento.

ENCUESTA

ÍTEMS SI NO INDICADORES ACORDESI NO

1) ¿Se encuentra la planta de tratamiento de aguas servidas en la mejor ubicación geográfica para su óptimo funcionamiento?

   

Ubicación geográfica

   

2) ¿Afectan los gases emanados por la planta a la Urb. Nueva Ciudad?

       

3) Se encuentra la planta en funcionamiento actualmente?

   Diagrama de flujo de

proceso   

4) ¿El caudal que recibe la planta es constante?

   Condiciones

operacionales   

5) ¿Se puede determinar el contenido de materia orgánica biodegradable en una muestra de agua residual a través de DBO?

   Demanda biológica de Oxigeno (DBO)

   

6) ¿Se puede calcular la DQO de manera teórica?

   Demanda Química de Oxigeno (DQO)

   

7) ¿Afectan las bajas temperaturas la producción de biogás?

    Temperatura    

ÍTEMES SI NO INDICADORES ACORDESI NO

8) ¿Afecta el nivel de carga que recibe la planta a la eficiencia del biodigestor UASB?

    Nivel de Carga    

9) ¿Varia el pH en la Laguna anaeróbica 1.1 semanalmente?

    PH    

10) ¿Afectan los detergentes y ácidos grasos la reproducción de las bacterias metanogénicas?

    Toxicidad    

11) ¿El concreto, arena, cabilla y tuberías son de fácil obtención en la zona?

    Factibilidad Económica

   

12) ¿Controla el Biodigestor UASB los gases emanados por la laguna 1.1?

   Factibilidad Operacional

   

123

13 ¿Existe espacio físico actualmente para instalar un biodigestor?

       

14) ¿Existe actualmente equipos (tuberías y bombas) adaptables para instalar un biodigestor?

       

15) ¿Existe bibliografía suficiente para diseñar un biodigestor UASB?

   

Factibilidad Técnica

   

16) ¿Cuenta el estado Trujillo con alguna experiencia en la elaboración y ejecución de proyectos de esta índole?

       

17) ¿Afecta la altura del reactor en el proceso de metanogénesis?

18) ¿Afecta el tiempo de retención hidráulico la producción de biogás?

 

 

Estructura del reactor

Sistema de alimentación

Sistema de descargaMonitoreo del reactor

 

 

ANEXO Nº 2 Diseño del biodigestor.

La temperatura media de la ciudad de Valera oscila entre, 27°C - 34°C,

se tomó como promedio 31°C. THR (tiempo de retención hidráulica): 7 horas,

según los parámetros de diseño de Van Haandlen y Lettigna (2001)

Volumen del reactor (Vr)

- Vr=THR medio× Caudalmedio

124

- Vr=7hr ×2,26 m3

hr

- Vr=15,82m3≅ 16m3

Altura del reactor.

El parámetro que limita la altura del reactor es la velocidad media del

líquido que según van Haandel (1998), normalmente no debe exceder el

valor de 1m/h, por tanto adoptando un margen de seguridad se define en

0,50 m/h, valor escogido con el criterio de lograr una mayor eficiencia global

en el proceso de tratamiento.

- V= HTRH

,donde H :altura ,V : velocidad deequivalente a0,50 mhr

- Despejamos H , para obtener:

- H=V ×THR

- H=0,50 mhr

× 7hr

- H=3,50m

Según van Haandel (1998) el cono del reactor debe tener 50° de

inclinación con respecto a la horizontal.

Espesor de la pared: 200 mm (0.20m).

Volumen del cilindro (Vc)

- Vc=π Rr2 h ,despejamos Rr

125

- Rr=❑√ Vcπ h

- Rr=❑√ 16m3

3,5m× 3.14

- Rr=√1,45 m2 ¿1,2m

Diámetro del cilindro (D)

- D=2Rr- D=2 (1,2m )

- D=2.4

Cono sedimentador: está situado en la parte inferior del reactor, allí

está contenido el manto de lodos activos, posee un ángulo de inclinación

entre 45 y 50° para facilitar la sedimentación de los mismos; su principal

función es recibir el efluente y por medio del manto de lodos filtrar los sólidos

suspendidos (SSV), para que las bacterias anaeróbicas digieran el mismo.

Briceño, Coronado y Molina, (2011)

Volumen del cono (Vco)

Vco=π Rr2h, antes se debe hallar la altura del mismo utilizando el teorema de

Pitágoras

cosα= Lahip

hip= Lacosα

126

hip= 1,2mcos50 °

hip=1,86 m≅ 1,9m Figura 9. Cono sedimentador Fuente: Briceño, Coronado, Molina

Una vez obtenido el valor de la hipotenusa equivalente a la altura se

obtiene el valor de Vco

Vco=π Rr2h

Vco=3,14 ×(1,2m)2×1,9m

Vco=8,59≅ 8,6m3

Profundidad (altura del cono en eje y)

C2=a2−b2

b=❑√c2−a2

b=❑√(1,9m)2−(1,2m)2

b=1,47 m≅ 1,5m Figura10: Cuerpo del biodigestor Fuente: Briceño, Coronado, Molina

Volumen total (Vt)

Vt=Vc+Vco

Vt=16m3+8,6m3

Vt=24,6 m3

Área del reactor (Ar)

127

Ar=πD2

4

Ar=3,14 (2,4)2

4.

Ar=4,5m2

Caudal de diseño (QD¿

QD= VTTHR

QD=24,6 m3

7 hr

QD=3,51 m3 /hr

Rata de desbordamiento (RDS)

RDS=QDAr

RDS=3,51m3/hr4,5m2

RDS=0,78 m /hrCarga hidráulica (CH)

CH= QAr

CH=2,26 m3/hr4,5m2

CH=0,50m /hr

128

Velocidad de flujo en la campana

VF=4 (CH )

VF=4 (0,50 m /hr )

VF=2m /hr

Separador GSL

Uno de los objetivos principales del separador es producir una zona de

sedimentación, que depende directamente del ángulo de inclinación de la

campana, por tanto se escoge el ángulo mayor de 60º. Otro criterio

importante es la velocidad de flujo máxima permitida en la abertura entre el

reactor y el separador, que según Wildschut (1989a), no debe ser mayor a

6m/h como máximo.

Área de abertura

A abertura= QVF

A abertura=2,26 m3/hr2m /hr

A abertura=1,13 m2

Área de la sección transversal

Acampana = Ar – Aabertura = π Rc2

129

Rc= radio transversal de la campana

Acampana = 4,5m2 – 1,13m2 = π Rc2

Acampana = 3,37m2 = π Rc2

Rc = √ 3.37 m 2π

= 1,03m ≅ 1m

Acampana= 3,37 m2

Ancho de la abertura

Wa = RR – Rc

RR= radio del cilindroRc= radio de la campana

Wa = 1,2m – 1m

Wa = 0,2m

Ancho de la superficie húmeda del sedimentador

Ws = Ar/H

Ws = 4,5m23,5m

Ws = 0,89 ≅ 0 ,9 m

Dimensiones de la campana

Para el sistema de recolección de Biogás se consideró una tunería de

3” (0,07m) de PVC. Según Van Haandlen y Lettigna (2001) el ángulo de

130

inclinación de la campana debe de estar entre 50° - 60°. Para lograr una

mayor eficiencia se tomo un ángulo de inclinación de 60°.

Altura de la campana (Hc)

Hc = Wg * tangα

Wg = Rr – Wa – 0,5(Ht)

Wg= distancia horizontal de un lado

Ht= ancho mínimo de la campana

Wg = 1,2m – 0,2m- 0,5(0,07m)

Wg = 0,965m ≅ 1m

Hc = 0,965m * tang(60)

Hc = 1,73m ≅ 1 ,7m

Traslapo (Tv)

Tv = 1,5(Wa)

Tv = 1,5(0,2m)

Tv = 0,3m

Ancho de los deflectores (Wd)

Wd = Tv + Wa

Wd = 0,3m + 0,2m

131

Wd = 0,5m

Longitud de los deflectores (Ld)

Ld = 2*Wd*tang(45)Ld = 2*(0,5m)*tang45

Ld = 1m

ANEXO Nº 4.

132

Fuente: Montes M (2009)

ANEXO Nº 5.

Fuente: Alcaldia Bolivariana del municipio

ANEXO Nº 6:. Vista completa del biodigestor U.A.S.B (Escala 1:47)

133

Fuente: Briceño, Coronado, Molina (2011)

ANEXO Nº7: Vista superior del biodigestor U.A.S.B Escala (1:20)

134

Fuente: Briceño, Coronado, Molina (2011)

135

ANEXO Nº8: Cámara de supervisión (Escala 1:25)

Fuente: Briceño, Coronado, Molina (2011)ANEXO Nº9: Laguna 1.1

136

ANEXO Nº10: Entrada principal

ANEXO Nº11: Urb. Nueva Ciudad de Valera

137

138

139