Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería Ambiental y Sanitaria Facultad de Ingeniería

1-1-2006

Diseño e implementación de una unidad piloto para la remoción Diseño e implementación de una unidad piloto para la remoción

biológica de compuestos nitrogenados presentes en el agua biológica de compuestos nitrogenados presentes en el agua

subterránea de un pozo utilizado por la EMAAF-ESP de Funza subterránea de un pozo utilizado por la EMAAF-ESP de Funza

Jairo Andrés Tavera Rodríguez Universidad de La Salle, Bogotá

Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria

Citación recomendada Citación recomendada Tavera Rodríguez, J. A. (2006). Diseño e implementación de una unidad piloto para la remoción biológica de compuestos nitrogenados presentes en el agua subterránea de un pozo utilizado por la EMAAF-ESP de Funza. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_ambiental_sanitaria/570

This Trabajo de grado - Pregrado is brought to you for free and open access by the Facultad de Ingeniería at Ciencia Unisalle. It has been accepted for inclusion in Ingeniería Ambiental y Sanitaria by an authorized administrator of Ciencia Unisalle. For more information, please contact ciencia@lasalle.edu.co.

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA UNIDAD PILOTO PARA LA REMOCIÓN BIOLÓGICA DE COMPUESTOS NITROGENADOS PRESENTES EN EL AGUA SUBTERRÁNEA DE UN POZO UTILIZADO POR LA EMAAF – ESP DE FUNZA

JAIRO ANDRÉS TAVERA RODRÍGUEZ

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA

ÁREA DE TRATAMIENTO DE AGUAS BOGOTÁ, D.C.

2006

2

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA UNIDAD PILOTO PARA LA REMOCIÓN BIOLÓGICA DE COMPUESTOS NITROGENADOS PRESENTES EN EL AGUA SUBTERRÁNEA DE UN POZO UTILIZADO POR LA EMAAF – ESP DE FUNZA

JAIRO ANDRÉS TAVERA RODRÍGUEZ

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Ambiental y Sanitario

Director ROBERTO BALDA AYALA

Ing. de Alimentos

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y SANITARIA

ÁREA DE TRATAMIENTO DE AGUAS BOGOTÁ, D.C.

2006

3

Nota de aceptación

Director

Jurado

Jurado

Bogotá D.C. ___día, ___mes,___año

4

Ni la Universidad, ni el jurado calificador son responsables de las

ideas expuestas en este documento.

AGRADECIMIENTOS Agradezco a Dios la oportunidad de estar donde estoy y de ser quien soy. La realización de este proyecto de investigación fue posible gracias a la colaboración de mi familia, el Ingeniero ROBERTO BALDA, Profesora Janeth Parra, Ingeniero Jimmy Riaño, Compañeros de Carrera, y demás personas que siempre me brindaron su amistad, apoyo, conocimiento y dedicación.

6

CONTENIDO GLOSARIO ............................................................................................................10 RESUMEN.............................................................................................................14 ABSTRACT............................................................................................................16 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................................18 INTRODUCCIÓN...................................................................................................19 1. MARCO TEÓRICO .........................................................................................21

1.1 TÉCNICAS PARA REMOCIÓN DE AMONIO, NITRATO Y NITRITO. ....21 1.1.1 Los humedales .................................................................................21 1.1.2 Punto de quiebre del cloro................................................................22 1.1.3 Lodos Activados ...............................................................................23 1.1.3.1 Requisitos nutricionales....................................................................23 1.1.3.1 Parámetros de diseño para procesos de lodos activados. ...............24 1.1.3.2 Tipos de reactores que aplican para lodos activados.......................26 1.1.4 Reactor de cargas secuenciales (SBR)............................................29 1.1.5 Eliminación del nitrógeno por nitrificación / desnitrificación biológica 30

1.2 DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA MUNICIPAL DE ACUEDUCTO, ALCANTARILLADO Y ASEO DE FUNZA – EMAAF ESP. .................................33

1.2.1 Localización......................................................................................34 1.2.2 Características físicas. .....................................................................34 1.2.3 Requerimientos y usos de agua .......................................................34 1.2.4 Generalidades del pozo....................................................................34 1.2.4.1 Calidad del agua...............................................................................35 1.2.5 Diagrama de flujo del tratamiento empleado en EMAAF ESP, Planta Convencional ..................................................................................................36

2. DISEÑO EXPERIMENTAL DEL REACTOR DES-NITROX............................38 2.1 INTRODUCCION.....................................................................................38

2.1.1 Etapa Preoperativa...........................................................................39 2.1.2 Dimensionamiento del reactor. .........................................................39 2.1.3 Parámetros Operacionales. ..............................................................41 2.1.3.1 Características de funcionamiento del reactor. ................................41 2.1.4 Corrección de TTC. ..........................................................................43 2.1.5 Puesta en marcha y funcionamiento. ...............................................44 2.1.5.1 Etapa de pre-experimentación. ........................................................45 2.1.5.2 Llenado.............................................................................................47 2.1.5.3 Aireación y mezcla. ..........................................................................47 2.1.5.4 Tiempo anóxico. ...............................................................................47

7

2.1.5.5 Sedimentación..................................................................................47 2.1.5.6 Vaciado. ...........................................................................................47 2.1.6 Etapas del experimento....................................................................47 2.1.6.1 Periodo de aclimatación. ..................................................................47 2.1.6.2 Periodo de producción......................................................................47

2.2 ANALISIS DE DATOS .............................................................................48 2.2.1 Análisis estadístico de datos: Curvas de Crecimiento ......................48 2.2.1.1 Variables cuyo comportamiento será evaluado................................48 2.2.1.2 Objetivo. ...........................................................................................48 2.2.1.3 Metodología......................................................................................49 2.2.2 Resultados. ......................................................................................50 2.2.2.1 Comportamiento de Amonio. ............................................................50 2.2.2.1.1 Comportamiento de Amonio, periodo de 0 a 4 horas....................52 2.2.2.2 Comportamiento de Nitratos.............................................................55 2.2.2.3 Comportamiento de Nitritos. .............................................................58 2.2.2.3.1 Comportamiento de Nitritos en el periodo de 6 horas...................59 2.2.3 Verificación de los nutrientes en el afluente del reactor. ..................62 2.2.4 Calidad del efluente del reactor. .......................................................62

2.3 DETERMINACION DE LOS PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL REACTOR HALLADOS EXPERIMENTALMENTE.....................................64

2.3.2 Determinación de f/m. ......................................................................64 2.3.3 Determinación de la concentración de lodos....................................65

3. ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD TÉCNICA Y ECONÓMICA DEL SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS A TAMAÑO REAL...............................................................67

3.2 DISEÑO...................................................................................................67 3.2.3 Dimensionamiento del proceso. .......................................................69

3.3 VALORACION DE COSTOS ...................................................................71 3.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO. ...................................................................................72

4. CONCLUSIONES ...........................................................................................73 5. RECOMENDACIONES...................................................................................75 BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................76 ANEXOS................................................................................................................78

8

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Concentración máxima de sustancias inhibidoras de crecimiento biológico........................................................................................................................23

Tabla 2. Principales parámetros de diseño y control de procesos de lodos activados.........................................................................................................28

Tabla 3. Análisis fisico - químico del agua de pozo. ..............................................35 Tabla 4. Dimensiones del reactor ..........................................................................40 Tabla 5. Parámetros operacionales en el reactor experimental .............................41 Tabla 6. Parámetros de funcionamiento del reactor ..............................................44 Tabla 7. Evaluación de las hipótesis de significancia estadística para evaluar el

grado del polinomio, Amonio. .........................................................................51 Tabla 8: Estimación e intervalos de confianza, curvas de crecimiento Amonio. ....51 Tabla 9: Evaluación de las hipótesis de significancia estadística para evaluar el

grado del polinomio Amonio. ..........................................................................54 Tabla 10: Estimación e intervalos de confianza, curvas de crecimiento Amonio. ..54 Tabla 11: Evaluación de las hipótesis de significancia estadística para evaluar el

grado del polinomio, Nitratos. .........................................................................56 Tabla 12: Estimación e intervalos de confianza, curvas de crecimiento Nitratos. ..57 Tabla 13: Evaluación de las hipótesis de significancia estadística para evaluar el

grado del polinomio. .......................................................................................60 Tabla 14: Estimación e intervalos de confianza, curvas de crecimiento Nitritos. ...61 Tabla 15. Comprobación de la carga de nutrientes existentes. .............................62 Tabla 16. Comparación del agua de entrada con el agua de salida del reactor ....62 Tabla 17. Comparación de f/m...............................................................................65 Tabla 18. Dimensiones de cada reactor SBR a tamaño real .................................69 Tabla 19. Costo por metro cúbico de agua tratada................................................71

9

LISTADO DE FIGURAS

Figura 1. Punto de quiebre del cloro ......................................................................22 Figura 2. Esquema del proceso de lodos activados de mezcla completa..............24 Figura 3. Reactor de flujo continuo y mezcla completa..........................................27 Figura 4. Esquema del reactor de carga secuencial. .............................................29 Figura 5. Proceso de nitrificación/desnitrificación ..................................................31 Figura 7. Diagrama de flujo tratamiento planta convencional ................................37 Figura 8. Diagrama del reactor ..............................................................................40

10

GLOSARIO ACINETOBACTER: son bacilos o cocobacilos gran negativos ACUÍFERO: Roca capaz de almacenar y transmitir la suficiente capacidad de agua para ser explotada económicamente. AEROBIAS: son condiciones en presencia de oxigeno. AFLUENTE: curso de agua que va a parar a otro. El punto donde se unen dos cursos de agua se llama confluencia. ALCALINIDAD: es la capacidad del agua para aceptar protones (H +), es por lo tanto la capacidad de neutralizar los ácidos; se caracteriza por la presencia natural de iones carbonatos (CO3=), bicarbonatos (HCO3-) e hidróxidos (OH- ). Los hidróxidos pueden estar presentes en aguas que ha sido ablandada por el proceso cal - carbonato o que han estado en contacto con concreto fresco. La alcalinidad da una guía para escoger el tratamiento adecuado para un agua cruda o un efluente. ANIÓN: un ión cargado negativamente. CATIÓN: un ión cargado positivamente. CLORO RESIDUAL LIBRE: es la cantidad de cloro libre que queda después de biodegradar toda la materia orgánica. CONDICIONES ANAEROBIAS: condiciones en ausencia de oxígeno. CONDICIONES ANÓXICAS: condiciones en ausencia de oxigeno disuelto en el agua, sin embargo los microorganismos lo toman de los compuestos de su material celular. DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGENO (DBO): cantidad de oxigeno usado en la estabilización de la materia orgánica carbonácea y nitrogenada por acción de los microorganismos en condiciones de tiempo y temperatura especifica (generalmente 5 días y 20ºC). Mide indirectamente el contenido de materia orgánica biodegradable.

11

DENSIDAD: en física, relación entre la masa de un cuerpo y su volumen. Se mide en gramos por centímetro cúbico o kilogramo por metro cúbico. DESNITRIFICACIÓN: es la reducción de nitratos a nitritos y estos a gas de nitrógeno por bacterias anaeróbicas. DRENAJE: acción de desecar, de eliminar el agua superflua o perjudicial de un terreno por medio de conductos subterráneos, bombeo u otros procedimientos. EDAD DE LODO: tiempo medio de residencia celular en el tanque de aireación. FACTOR DE HIDROGENIONES (pH): es un número que nos indica la concentración de hidrogeniones de una disolución. Dado un pH cualquiera, por ejemplo, 7, la concentración de iones H3O + será de 10 elevado a - el número de pH, por ejemplo, en este caso: 10 - 7. Si el pH es 7 la disolución es neutra (igual número de iones H3O + que de iones OH -. Si el pH es mayor que 7 la disolución es básica, también llamada alcalina; y si el pH es menor que 7 la disolución es ácida. FACULTATIVAS: bacterias que pueden adaptarse crecer y metabolizar tanto en presencia como en ausencia de oxigeno. HETERÓTROFAS: se dice del organismo incapaz de elaborar su propia materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas. ÍNDICE VOLUMÉTRICO: indica las características de sedimentabilidad del lodo. LICOR MEZCLADO O MIXTO: mezcla de lodo activado y agua en el tanque de aireación. LODO BIOLÓGICO: lodo excedente que se genera en los procesos biológicos de las aguas residuales. LODOS ACTIVADOS: proceso de tratamiento biológico de aguas residuales en ambiente químico aerobio donde las aguas residuales son aireadas en un tanque que contienen alta concentración de microorganismos degradadores. Está alta concentración de microorganismos se logra con un sedimentador que retiene los flóculos biológicos y los retorna al tanque aireado. MATERIA ORGÁNICA: comprende a las moléculas naturales y artificiales, que contienen carbón e hidrógeno. Toda la materia viva presente en el agua, es de moléculas orgánicas.

12

METABOLISMO: conjunto de las reacciones que se producen en el interior de los seres vivos, y que, mediante el consumo de energía producen sustancias propias del cuerpo a partir de materia obtenida del exterior, o bien, cediendo energía, degradan las sustancia del organismo y la transforman en un compuesto más sencillo. NITRATOS: ión NO3 - y sus sales o sales del ácido nítrico, HNO3. Son nutrientes fácilmente asimilables por las plantas, por lo que son utilizadas como fertilizantes. Los aportes de nitratos al mar y al agua de ríos y lagos favorecen el crecimiento de algas (eutrofización). NITRITO: ión NO2 - y sus sales o sales del ácido nitroso, HNO2. Tienen aplicaciones industriales. Son sustancias tóxicas a partir de las cuales pueden formarse nitrosaminas, que son cancerígenas. NITRÓGENO AMONIACAL: nitrógeno combinado en forma de amoniaco (NH3) o amonio (NH4 + ). El amoniaco y el amonio son gases que se producen de forma natural por fermentaciones microbianas de productos nitrogenados, por ejemplo en la descomposición de proteínas o urea. NITRÓGENO KJELDAHL: cantidad de nitrógeno determinada por el método Kjeldahl. Incluye el nitrógeno de compuestos orgánicos y el nitrógeno amoniacal. NITRÓGENO TOTAL: en una muestra orgánica, el contenido en nitrógeno medido como la diferencia entre el nitrógeno Kjeldahl y el nitrógeno amoniacal. NITRÓGENO: elemento gaseoso, incoloro, inodoro e insípido. Este metaloide es un elemento fundamental en la composición del aire de la atmósfera y se encuentra formando parte de muchos compuestos orgánicos, como, por ejemplo, las proteínas. Núm. atómico 7, Símbolo N. pH: es el logaritmo base 10, de la actividad molar de los iones hidrógeno de una solución. PPM: una de las unidades de medición más comunes en el análisis de agua, en soluciones muy diluidas como es el caso de las aguas naturales, es equivalente a mg/l. OXÍGENO DISUELTO (OD): es la medida del oxígeno disuelto en el agua, expresado normalmente en ppm (partes por millón). La solubilidad del oxígeno en el agua depende de la temperatura: a mayor temperatura menos oxígeno se disuelve.

13

PUNTO DE QUIEBRE DEL CLORO: concentración de cloro al agua que es capaz de oxidar todas las sustancias orgánicas e inorgánicas para obtener al final una proporción deseada de cloro residual libre. SAPRÓFITOS: también llamados saprobios. Son aquellos organismos que obtienen alimento disuelto a partir de los cuerpos muertos o en descomposición de otros organismos. Ejemplos de éstos son muchos hongos, bacterias y algunas orquídeas. Los saprobios ponen a disposición de las especies autótrofas, los elementos contenidos en la materia muerta. SÓLIDOS DECANTABLES O SEDIMENTABLES: fracción del total de sólidos en el agua que se separan de la misma por acción de la gravedad, durante un periodo determinado (generalmente 30 minutos) y en unas condiciones preestablecidas. SÓLIDOS DISUELTOS: fracción del total de sólidos en el agua que pasan a través de un papel de filtro estandarizado. Incluyen la materia coloidal, los compuestos orgánicos solubles e inorgánicos (sales). SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN: fracción del total de sólidos en el agua que pueden ser separados por filtración a través de un papel de filtro estandarizado. Incluyen los sólidos volátiles (materia orgánica). TURBIDEZ: es una suspensión de partículas muy finas, que obstruye el paso de la luz. Por el pequeño tamaño de estas partículas, se requieren muchos días para que se sedimente.

14

RESUMEN El presente proyecto se desarrolló en la EMPRESA MUNICIPAL DE ACUEDUCTO, ALCANTARILLADO Y ASEO DE FUNZA – EMAAF ESP (ubicada en Funza), con el fin de remover compuestos nitrogenados de las aguas subterráneas del acuífero captadas por medio de un pozo profundo en cumplimiento con los objetivos planteados, ya que en este punto el agua presenta una concentración de amonio de 8 ppm, valor que se encuentra fuera de la normatividad nacional1. En las instalaciones de EMAAF ESP el agua subterránea se trata en una planta convencional, donde su principal preocupación se centra en las redes de distribución por la presencia de nitratos y nitritos. De acuerdo con las características fisicoquímicas del agua y el contenido de amonio, se estudió la aplicación de la técnica de lodos activados, usualmente empleados para la remoción de materia orgánica en aguas residuales con el fin de encontrar una mejor opción de remoción de compuestos nitrogenados, evaluando los resultados obtenidos en la planta piloto. Se propuso esta solución debido a la factibilidad que se presenten las reacciones químicas y biológicas típicas de la técnica, para lograr la remoción de las sustancias objetivo. La investigación que evaluó el comportamiento de los lodos activados implementados en el desarrollo de este proyecto para el tratamiento de aguas subterráneas, se configuro bajo el concepto de un diseño experimental el cual fundamenta estadísticamente los resultados obtenidos, y se denominará como reactor Des-Nitrox. Con esta investigación se busca establecer un diseño compacto y sencillo para el tratamiento de aguas crudas de origen subterráneo en el cual se empleen procesos biológicos por medio de microorganismos nitrificantes y denitrificantes con la capacidad de remover el amonio, nitritos y nitratos presentes en la fuente y generados durante la línea de tratamiento actual con el fin de alcanzar las normas nacionales de agua potable y que además posibilite ser implementado en las empresas tanto privadas como públicas en donde las características del agua utilizada lo amerite. Se realizó una etapa preliminar de investigación sobre el origen y cantidad de lodos a inocular para iniciar el reactor, en la cual se seleccionó lodo de la PTAR de Carulla Vivero S.A. para iniciar el reactor Des-Nitrox. Paso seguido se realizó aclimatación del lodo, proceso que tomo cuatro semanas. Finalizado este proceso, se realizó seguimiento continuo del afluente y el efluente del reactor Des-Nitrox 1 Decreto 1594 de 1984

15

por un periodo de 60 días, en los cuales se realizó el muestreo del periodo de productividad con una duración de quince días, y se efectuó de forma continua (muestreo realizado para realizar el análisis estadístico)2. Se evaluó la calidad del agua de salida sin realizar ningún estudio adicional de potabilidad, ya que además de presentar el agua de salida mejores características fisicoquímicas que el agua de entrada para el proceso de potabilización, el reactor Des-Nitrox es una unidad propuesta como un complemento al proceso actual de potabilización establecido en EMAAF ESP, y no como reemplazo de alguno de los procesos unitarios3. Los resultados de la investigación muestran una acción favorable y eficiente con de microorganismos, aplicando la técnica de lodos activados, realizando una remoción de los compuestos de interés, y complementando de manera acertada el tratamiento que actualmente se le realiza al agua extraída del pozo profundo en EMAAF ESP.

2 Ver numeral 2.2 ANALISIS DE DATOS 3 Ver ANEXO A DESCRIPCION DEL PROCESO DE POTABILIZACION UTILIZADO EN EMAAF

16

ABSTRACT The present project developed in the EMPRESA MUNICIPAL DE ACUEDUCTO, ALCANTARILLADO Y ASEO DE FUNZA – EMAAF ESP is located in Funza, Colombia. In order to remove composed nitrogenous from the groundwater of an aquifer it is extracted through a deep well. In fulfillment with the investigation’s objectives, at this point the water presents a concentration of ammonia of 8 ppm. This value is higher than the Nation’s standard. In the installations of EMAAF ESP the groundwater undergoes the treatments of a conventional water plant. The main problem in the water plant is the distribution of water with the presence of nitrates and nitrites. According to the physiochemical characteristics of the water and the content of ammonia, the application of the technique of activated mud was studied. It is usually used for the removal of organic matter in residual water. In order to find a better option to remove the composed nitrogenous, the results obtained in the test plant had to be evaluated. This solution was due to the feasibility proposed by the typical biological and chemical reactions of the technique of activated mud to achieve the removal of the objective substances. The investigation that evaluated the behavior of the implemented technique of activated mud lead to the development of this project for the processing of subterranean water. I configured it under the concept of an experimental design which supports the statistically results obtained and will be called like reactor Des-Nitrox. With this investigation it is sought to establish a simple and compact design for the raw water processing of subterranean water. In this biological process through which a microorganism uses nitrifying and denitrifying to remove the ammonia, nitrites, and nitrates present. It is generated during the line of present processing in order to reaching the national standard levels of drinking water. This enables the water to be implemented in the private, businesses and public where the characteristics of the water need it. A preliminary phase of the investigation was carried out and on the quantity of activated mud technique to inoculate and initiate the reactor. The mud PTAR was selected from Carulla Vivero S.A. to initiate the reactor Des-Nitrox. It continued step habituation of the mud and carried it out, a process that takes four weeks. Finalizing this process with continuous monitoring of the affluent one was carried out the effluent of the reactor Des-Nitrox by a period of 60 days. In which the sampling of the period of productivity with a duration of fifteen days was also carried out, and was performed on a continuous form (sampling carried out to

17

statistical analysis). The quality of the untreated water was evaluated without carrying out any additional study of drinkable water. The water had better physiochemical characteristics than the processed water from Des-Nitrox. It is a proposed unit as a complemented by the present process of drinkable water established in EMAAF ESP, unlike the replacement of some of the processes. The results of the investigation show an efficient and favorable action with microorganisms. Applying the technique of activated mud, it carried out the removal of the proposed objectives. This complemented in a wise way of processing the water treatment carried out on the water extracted from a deep well in EMAAF ESP.

18

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN OBJETIVO GENERAL o Implementar un sistema piloto compacto para la remoción de amonio, nitratos y

nitritos presentes en el agua del pozo profundo utilizado por EMMAF S.A. - ESP4, aplicando la técnica biológica de lodos activados.

OBJETIVOS ESPECIFICOS o Establecer las características físico-químicas del agua a emplear haciendo

énfasis en el contenido de Amonio, nitrato y nitrito. o Identificar las características y fases de funcionamiento del reactor a

implementar, mediante el prediseño de un modelo que conduzca al óptimo manejo de los tiempos de los procesos en los cuales se da la mejor remoción de contaminantes nitrogenados.

o Construir un reactor biológico con miras a evaluar su comportamiento a través

del tiempo conforme a los parámetros establecidos en su predimensionamiento y a las características del agua a tratar.

o Fijar los parámetros de funcionamiento que aplican al sistema de remoción de

compuestos nitrogenados. o Realizar un estudio de factibilidad económica para la implementación del

sistema en la empresa (EMMAF S.A. – ESP), comparándolo con el tratamiento existente.

4 EMMAF S.A. – ESP : Empresa Municipal de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Funza

19

INTRODUCCIÓN Los problemas presentes por la demanda de agua potable dentro del territorio colombiano arrojan una serie de inconvenientes que se presentan en los municipios nacionales, dando como resultado productos de baja calidad con el correspondiente incumplimiento de la norma de potabilización. Esto trae consigo una disminución en la calidad de vida y la salud de los habitantes de determinadas zonas. Dentro de las sustancias que presentan serias complicaciones cuando se encuentran presentes en el agua cruda y en concentraciones importantes durante el tratamiento para su potabilización son amonio, nitratos y nitritos. Los procesos de tratamiento convencionales a aguas con concentraciones importantes de estas sustancias son de tipo físico químico (punto de quiebre con Cloro y resinas de intercambio, entre otros). Algunos presentan bajos costos, pero sus tasas de remoción no son tan eficientes como para disminuir las concentraciones al nivel de las normas actuales; para obtener buenos resultados se hace necesario elevar los costos en el sistema en el caso de las resinas de intercambio, pues teniendo concentraciones elevadas éstas se colmatan muy rápido requiriendo frecuente regeneración. Además, en el caso de punto de quiebre, se corre el riesgo de formar compuestos derivados tales como los trihalometanos, compuestos de carácter cancerígeno. Al occidente de la sabana de Bogota existe un acuífero fuente de abastecimiento del acueducto de Funza, el cual presenta un alto contenido de amonio, ocasionado principalmente por la descomposición de la materia orgánica que allí se encuentra ya que esta localizado en una formación cuaternaria, y por la reducción esquelética de los cementerios indígenas, además de algunos indicios por contaminación de productos agroquímicos infiltrados en el acuífero. El contenido de amonio en el agua, presenta cierta afectación dentro de algunos procesos industriales, como ocurre en el proceso de telas; el tejido, es pasado por altas temperaturas para reafirmar el color, donde aflora el amonio impidiendo la fijación. Otra industria afectada es la que produce agua potable, debido a que en la etapa de desinfección se presenta un alto consumo de cloro; esto a causa de la eliminación de las sustancias orgánicas (cloraminas) del agua antes de la generación de cloro residual como desinfectante. Los nitritos y en especial los nitratos interfieren en la cocción de los alimentos, en especial la carne, y en

20

concentraciones altas (mayores a 10mg/L) presenta en los bebes la enfermedad llamada metaglobinemia (bebés azules). El amonio, puede producir por su consumo encefalopatía hepática, deprime el flujo cerebral y el metabolismo de la glucosa. Teniendo en cuenta que muchas de las sustancias que se encuentran presentes en el agua cruda forman parte de los ciclos biogeoquímicos, la naturaleza tiene métodos biológicos para convertirlos en sustancias que no interfieran en procesos antrópicos tales como la potabilización del agua. Es por esta razón que los microorganismos encargados de dichos procesos naturales son de suma importancia dentro del campo investigativo para acceder a tratamientos biológicos que garanticen la remoción de compuestos naturales presentes en aguas destinadas a la potabilización y posterior consumo humano.

21

1. MARCO TEÓRICO 1.1 TÉCNICAS PARA REMOCIÓN DE AMONIO, NITRATO Y NITRITO. La concentración total de nitrógeno en el agua está compuesta por nitrógeno amoniacal, nitritos, nitratos y nitrógeno orgánico. Cuando hay presencia de materia orgánica en el agua, esta comienza a descomponerse especialmente por la hidrólisis de proteínas produciendo material no carbonáceo como el amoníaco, el cual existe en solución acuosa tanto en forma del ión amonio como en forma de amoniaco, dependiendo del pH de la solución. Estas aguas con alto contenido de nitrógeno amoniacal presentan problemas de purificación y generalmente están asociados con altas concentraciones de hierro y color, provocando así una alta demanda de cloro. 1.1.1 Los humedales5. Son áreas inundadas con profundidades inferiores a 60 cm. con plantas emergentes. La vegetación proporciona superficies para la formación de películas bacterianas, facilita la filtración y adsorción de nutrientes del agua a tratar, permite la transferencia de oxígeno a la columna de agua y controla el crecimiento de algas al limitar la penetración de luz solar. Los humedales tienen tres funciones básicas que los hacen tener un atractivo potencial para el tratamiento de agua con contenido de nitrógeno y compuestos nitrogenados, generalmente presentes en aguas residuales, que son:

Fijar físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia orgánica,

Utilizar y transformar los elementos por intermedio de los microorganismos, Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía y

bajo mantenimiento. Los humedales pueden tratar con efectividad altos niveles de demanda química de oxígeno (DBO), sólidos suspendidos (SS), y nitrógeno. Los mecanismos básicos del tratamiento incluyen sedimentación, precipitación química, absorción, e interacción biológica con la DBO y e nitrógeno, así como la captación por parte de la vegetación. En los sistemas de humedales, el potencial de remoción de nitrógeno puede tomar varios años en desarrollarse, por lo menos se requiere de dos o tres etapas de crecimiento de plantas, sistemas e raíces, capas de residuos y materiales del bentos, para alcanzar el equilibrio, sin contar con la gran extensión de terreno que demanda esta técnica para poder ser llevada a cabo.

5 Según lo visto en la cátedra de Recurso Agua

22

1.1.2 Punto de quiebre del cloro6. El punto de quiebre del cloro sucede cuando se añade cloro al agua y este es capaz de oxidar todas las sustancias orgánicas e inorgánicas, para obtener al final una proporción deseada de cloro residual libre en forma de ácido hipocloroso o ión hipoclorito. Transcurre en cuatro fases (Ver figura 1)

Figura 1. Punto de quiebre del cloro Fuente: http//:tierra.rediris.eshidrored.ebooks.ripda.contenidocapitulo14.htm

El cloro introducido en el agua se combina inmediatamente con la materia orgánica. Consecuentemente, el residual medio se mantiene en cero. Mientras no se destruyan estos compuestos no se producirá la desinfección. A partir del punto de ruptura, el cloro introducido que finalmente disponible para producir se función de desinfectante. La eficacia de esta técnica radica en que el cloro reaccione con el amonio desde que aparece el cloro residual combinado hasta que sucede el punto de ruptura, así garantiza la reducción del ión. Este procedimiento es realizado como operación preliminar en las plantas de tratamiento de agua potable. Sin embargo, al utilizar esta técnica se producirán cloruros, con el consecuente aumento de los iones en el agua e incumplimiento de la norma (Cl – 250 mg/L)7.

6 MALDONADO, Diego y CHACON, Yara, Diseño y ensayo de un sistema biológico y de intercambio iónico a escala para remover amonio en el agua del pozo de Corpoica Tibaitatá. 7 Decreto 475 de 1998

23

1.1.3 Lodos Activados 8. Todos estos procesos se han empleado principalmente para la degradación aerobia de la materia orgánica de las aguas residuales, generándose un floc biológico en un tanque de aireación y dando como resultado final una porción de materia orgánica susceptible de descomposición biológica que es convertida en compuestos inorgánicos y el resto transformado en lodo activado adicional. Cuando se ha usado la capacidad de almacenamiento total de este, deja de ser dinámico en el sentido adsortivo. Para activarlo nuevamente se usa un proceso de aireación que restablece la actividad y estimula la capacidad adsortiva, esto se conoce como estabilización del lodo. Los lodos recirculados y el agua, entran en el tanque de aireación, donde son aireados y mezclados a medida que el icor mezclado (lodos + agua) fluye a lo largo del tanque, el exceso es enviado al sistema de tratamiento y disposición de lodos. Básicamente, la comunidad de los lodos activados puede ser muy variable y depende de: la naturaleza del suministro alimenticio, la concentración del alimento, la turbulencia, la temperatura, el tiempo de aireación y la concentración de los lodos. Esta comunidad está conformada principalmente por bacterias (las encargadas de remover el amonio por medio de la nitrificación son las nitrosomonas y los nitrobacter, y de los nitrito y nitratos son bacterias desnitrificantes), hongos, protozoos y metazoos. 1.1.3.1 Requisitos nutricionales 9. Todo proceso biológico requiere que los microorganismos reciban los elementos esenciales para la formación del protoplasma, las características del agua y sus compuestos orgánicos determinan la especie biológica determinante en el floc biológico de lodo activado. Teóricamente debe cumplirse una relación de DBO/N/P de 100/5/1 para el tratamiento aeróbico, sin embargo este está sujeto a variaciones de diseño, cuando el afluente tiene deficiencias de nitrógeno se agrega amoniaco deshidratado (NH3) o urea, y si requiere fósforo se agrega ácido fosfórico (H3PO4). También existen sustancias que dependiendo de la concentración impiden el crecimiento de las bacterias (Ver tabla 1)

Tabla 1. Concentración máxima de sustancias inhibidoras de crecimiento biológico

PARÁMETROS CONCENTRACIÓN

(mg/L) Aluminio 26 Amoniaco – N 583 Arsénico 0,1

8 ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales. Enero 2000. Bogotá: Escuela Colombiana de Ingeniería, junio 2001, Pag. 379 9 Según cátedra de Recurso Agua

24

Boro 100 Cadmio 100 Cianuro 5 Cobre 1 Cromo hexavalente 10 Cromo trivalente 50 Dicloroetileno 0,2 Fenoles 200 Magnesio 50 Manganeso 10 Mercurio 0,005 Níquel 2,5 Plata 5 Plomo 0,1 Zinc 10

Fuente: Romero, 1995

1.1.3.1 Parámetros de diseño para procesos de lodos activados. El esquema de parámetros necesarios para el diseño se puede, entender fácilmente en la figura suponiendo que es un reactor de mezcla completa. El tiempo de aireación, la carga volumétrica o carga de DBO10 por unidad de volumen, sólidos suspendidos de licor mezclado, la relación alimento/microorganismos (A/M)11 y el tiempo promedio de retención celular son los parámetros más usados en el diseño de lodos activados.

Figura 2. Esquema del proceso de lodos activados de mezcla completa.

Fuente: Romero, 1995 10 Se expresa usualmente en gramos de DBO aplicada por metro cúbico de volumen de licor en el tanque de aireación. 11 Forma de expresar carga de alimentos (DBO) por unidad de masa microbial (SS) en el sistema.

25

Donde: Q: caudal de entrada So: sustrato de entrada V: volumen en el tanque de aireación X: sólidos suspendidos volátiles de licor mezclado en el tanque de aireación S: sustrato en el tanque Qr: caudal de recirculación Xr: biomasa en el loo recirculado TS: tanque de sedimentación Qe: caudal del efluente Se: sustrato del efluente Xe: concentración de sólidos suspendidos volátiles en el efluente tratado Qw: caudal de lodo dispuesto

Tiempo de aireación: es función de la concentración de DBO del afluente y del volumen del tanque de aireación.

Donde: θ = tiempo de retención hidráulica o tiempo de aireación, d V = volumen del tanque de aireación, m3 Q = caudal del afluente, m3/d

Carga orgánica volumétrica: se expresa usualmente en gramos de aplicada por metro cúbico de volumen de licor en el tanque de aireación.

Donde: COV = carga orgánica volumétrica, gDBO/ m3d So = Sustrato de entrada, gDBO

Relación alimento/microorganismos: es una forma de expresar la carga de DBO por unidad de masa microbial en el sistema.

QV

=θ

VSoQCOV *

=

26

Donde:

A/M = relación alimento/microorganismos, gDBO/gSSVLM, d X = SSVLM, concentración de sólidos suspendidos volátiles en el tanque de aireación, mg/L

Tiempo promedio de retención celular: también es llamado edad del lodo.

Donde:

cθ = edad del lodo, d Qw = caudal del lodo dispuesto, m3/d Xr = concentración de SSV en el lodo dispuesto, mg/L Qe = caudal efluente tratado, m3/d Xr = concentración de SSV en el efluente tratado, mg/L

En la tabla 2 se muestran los principales parámetros de diseño y control de procesos de lodos activados. 1.1.3.2 Tipos de reactores que aplican para lodos activados. Son definidos por las características del afluente, discontinuidad, variación de carga, aumento de caudal, después de esto se determina la dispersión y su cinética de reacciones. Las características geométricas y el equipo del reactor determinan la trayectoria de flujo a través del mismo, además fijan las condiciones de mezcla que contribuyen a diluir el afluente y a transportar y redistribuir sus componentes. Para el caso de la investigación, si se analizan las necesidades y escenario que debe darse para cada proceso de eliminación, es necesaria una alternancia de condiciones anaerobias, anóxicas y aerobias, donde el ambiente que se precisa para el proceso de eliminación de uno de los nutrientes no impide la eliminación del otro. Por este motivo se ha seleccionado un Reactor de Carga Secuencial, el cual se explicará con más detalle a continuación12. Los reactores ideales son13:

12 Ver numeral 1.1.4 Reactor de cargas secuenciales (SBR) 13 BALDA Ayala, Roberto. Cátedra de Recurso Agua.

XVSoQ

MA

**

=

XeQeXrQwXVc

***+

=θ

27

Reactor de flujo continuo y mezcla completa: proceso donde se garantiza la

mezcla completa y continua mediante aireación mecánica o por difusores, para minimizar los desequilibrios biológicos causados por las variaciones de carga orgánica en los afluentes, ya que estos son mezclados instantáneamente y completamente con el contenido del reactor, lo cual hace que las partículas se dispersen inmediatamente y esta sea infinita, por lo cual siempre habrá un contenido homogéneo y una composición uniforme en su volumen lo que hará que el efluente sea idéntico al licor mezclado del reactor (Ver figura 3).

Figura 3. Reactor de flujo continuo y mezcla completa

Fuente: Romero, 1995

Reactor de flujo en pistón: se caracteriza por que el fluido se desplaza y sale

del tanque en la misma secuencia en la que entra, tiene dispersión nula, las partículas del fluido retienen su identidad y permanecen en el tanque un periodo igual al tiempo teórico de retención hidráulica.

Reactor de lecho empacado: está constituido por un tanque lleno con algún

medio de empaque como piedra, escoria, cerámica o plástico que opera en flujo continuo o intermitente, puede ser anaerobio, aerobio o facultativo.

28

Tabla 2. Principales parámetros de diseño y control de procesos de lodos activados.

Proceso Periodo de aireación ¶,

horas

Carga volumétrica gDBO/m3-d

f/m gDBO/gSSLM-

d X SSLM mg/L Edad de lodos Tasa de

recirculación Eficiencia DBO

%

Convencional 4 - 0 300 - 600 0,2 - 0,4 1500-300 5 - 15 25-75 85-95

Aireación gradual 4 - 8 301 - 600 0,2 - 0,4 1500-300 5 - 15 25-50 85-95

Mezcla completa 3 - 5 600 - 2400 0,2 - 0,6 2500-400 5 - 15 25-100 85-95

Aireación ocasionada 3 - 5 600 - 1000 0,2 - 0,4 2000-3500 5 - 15 25-75 85-95

Aireación corta 1,5 - 3 1200 - 1400 1,5 - 5 200-1000 0,2 - 0,5 5-25 60-75

Estabilización y contacto 0,5 - 1 1000 - 1200 0,2 - 0,6 1000-3000 5 - 15 50 150 80-90

Aireación prolongada 18 - 38 100 - 1000 0,05 - 0,15 3000-6000 20 - 30 50 150 75-95

Krauss 4 - 8 600 - 1500 0,3 - 0,8 2000-3000 5 - 15 50-100 85-95

Tasa alta 2 - 4 1800 - 16000 0,4 - 1,5 4000-10000 5 - 10 100-500 75-90

Oxígeno puro 1 - 3 1600 - 3300 0,25 - 1 2000-5000 3 - 10 25-50 85-95

Zanjón de oxidación 8 - 36 80 - 480 0,05 - 0,3 3000-6000 10 - 30 75-150 75-95

Fuente: Romero, 1995

29

1.1.4 Reactor de cargas secuenciales (SBR). Es un reactor caracterizado por la inexistencia de afluente y efluente, con mezcla completa del contenido del tanque y aireación constante, es utilizado para determinar condiciones físicas favorables para la remoción de cargas dentro del laboratorio (Ver figura 4)

Figura 4. Esquema del reactor de carga secuencial. Fuente: Romero, 1995

1.1.4.1 Fases de funcionamiento del reactor. Las fases de funcionamiento del reactor son:

Fase anaerobia: Interviene el acinetobacter, que toma los ácidos grasos de cadena corta presentes en el agua y los acumula en forma de reservas carbonosas, utilizando para ello la energía que había acumulada. Libera fósforo en forma de fosfatos inorgánicos. El nitrógeno pasa a forma amoniacal siempre y cuando el tiempo de retención sea suficiente. Para esta fase es necesario contar con un sistema de aireación que tenga la capacidad de suministrar el oxígeno necesario para que se puedan realizar todas reacciones.

Fase aerobia: Interviene el acinetobacter, que toma del agua los fosfatos

inorgánicos y los bioacumula, consume sus reservas carbonosas y se multiplica. En este momento la concentración de fósforo en el agua es mínima. Intervienen las nitrosomonas y los nitrobácter que oxidan el amoniaco a nitritos y nitratos. En este momento la concentración de amoniaco en mínima y la de nitratos es máxima. Si se requiere desnitrificación, se hace necesario proceder a recircular el agua a la zona anóxica en un sistema convencional. Así mismo, se extrae el agua, ya que se tiene concentración mínima de fósforo. Como se puede analizar, el hecho de producir en este momento una fuerte recirculación de licor mixto a la zona anóxica es lo que permite liberar el nitrógeno, teniendo así en el vertimiento final un contenido aceptable de nitratos, y mínimo de amoniaco

30

y nitrógeno orgánico. A su vez, el vertimiento tendrá una mínima cantidad de fósforo. Como en todo proceso biológico, el licor mezclado se sedimentará en la fase de decantación. El lodo se quedará en el SBR o bien se recirculará en un proceso convencional.

Fase anóxica: Intervienen las bacterias heterótrofas facultativas que oxidan

la materia carbonosa fácil y rápidamente oxidable utilizando el oxígeno de los nitratos presentes, liberando nitrógeno elemental. Esta fase resulta de suma importancia para la reducción de los nitritos y nitratos que se han formado durante los periodos de reducción de amonio.

1.1.5 Eliminación del nitrógeno por nitrificación / desnitrificación biológica14. Este proceso de tratamiento suele ser adecuado para la eliminación de nitrógeno por las siguientes razones:

1. Elevado rendimiento potencial de eliminación 2. Alta estabilidad y fiabilidad del proceso 3. Relativa facilidad de control del proceso 4. Reducidas necesidades de espacio 5. Costos moderados

La eliminación de nitrógeno por nitrificación / desnitrificación biológica es un proceso de dos etapas: En la primera de ellas, el amoniaco se transforma por vía aerobia a nitrato (NO3 nitrificación). En la segunda etapa, los nitratos se convierten a nitrógeno molecular (gas N2 desnitrificación). Este proceso también se logrará conseguir en un SBR15, el cual mediante la modificación de los tiempos de reacción elimina nitrógeno (nitrificación). Para llevar a cabo la desnitrificación, en la fase anóxica es necesario disponer de una fuente de carbono, ya sea externa o por la respiración endógena de la biomasa presente, además este proceso biológico parte del principio en que ciertas bacterias, bajo ciertas condiciones, pueden transformar el nitrógeno presente en forma de nitratos en nitrógeno elemental. La Figura 5 describe los diferentes procesos y los compuestos que se generan en la asimilación de los compuestos nitrogenados (amonio, nitratos y nitritos). 14 MALDONADO, Diego y CHACON, Yara, Diseño y ensayo de un sistema biológico y de intercambio iónico a escala para remover amonio en el agua del pozo de Corpoica Tibaitatá. 15 SBR: sequencing batch reactor ó reactor de cargas secuenciales.

31

Figura 5. Proceso de nitrificación/desnitrificación

Fuente: www.geocities.com Es importante no olvidar que el nitrógeno elemental se produce por la acción de ciertas bacterias heterótrofas facultativas que han de partir del nitrógeno en forma inorgánica. Una vez que el nitrógeno orgánico se ha transformado en amoniaco, éste es transformado en nitritos por la acción de bacterias denominadas nitrosomonas, y éstos, a su vez, son transformados en nitratos por las bacterias llamadas nitrosobacter, siempre y cuando se den las siguientes condiciones:

Ausencia de compuestos orgánicos oxidados, Ph mayor de 6.5 hasta 8 se obtiene el óptimo rendimiento, Temperatura óptima entre 28 y 32°c, por debajo de 10°c no hay reacción, El oxígeno disuelto debe ser mayor a 1.5mg/l. Es importante prever las

necesidades de oxígeno: para oxidar 1 kg de N2 se nesecitan 4.57 kg de O2,

La edad del lodo (tiempo medio de residencia celular en el tanque de aireación) debe estar entre 4 y 6 días, pues de lo contrario no aparecen las nitrosomonas y las nitrobacter, ya que el crecimiento de estas bacterias es muy lento,

Relación DBO, nitrógeno y fósforo igual a 100:5:1.

N° DE OXIDACIÓN

+5

+4

+3

+2

0

+1

-2

-1

N I T R

IF IC A C

I O N

NO3-

NO2-

NH2OH

NH2 NH4-

NO

N2O

N2

REMOCIÓN POR NITRIFICACIÓN

NO3-

NO2

NO3-

NO2-

NO

N2O

D E

S N

I T R IF IC

A C

I O N

32

Las reacciones que se producen son: 2NH4

+ + 3O2 + NTROSOMONAS => 2NO2- + 4H+ + NUEVAS CELULAS

2NO2

- + O2 + NTROBACTER => 2NO3- + NUEVAS CELULAS

La desnitrificación si se desea se produce, como ya se mencionó, por la acción de bacterias heterótrofas facultativas que, en ambiente anóxico, son capaces de utilizar el oxígeno de los nitratos para oxidar carbón y producir CO2.

33

1.2 DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA MUNICIPAL DE ACUEDUCTO, ALCANTARILLADO Y ASEO DE FUNZA – EMAAF ESP. La Empresa Municipal De Acueducto, Alcantarillado Y Aseo De Funza – EMAAF ESP., esta dedicada a la prestación de servicios públicos de acueducto, alcantarillado y aseo en el municipio de Funza. Fue fundada en el año de 1996, año en el cual de acuerdo con la ley 142 de 1994 de Servicios Públicos Domiciliarios y su decreto reglamentario No 2785 de diciembre 22 de 1994, se formalizó la creación de la Empresa Municipal de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Funza, EMAAF E.S.P. por medio del acuerdo No 034 de diciembre 4 de 1995 prestando los servicios a la cabecera municipal y en la zona rural a las veredas el Cocli, Siete Trojes y el Hato, considerados como barrios del Municipio. La EMAAF E.S.P., fue fundada como una empresa industrial y comercial del estado, con estatutos aprobados por el Concejo Municipal de Funza. En el año de 1997 se hizo la perforación de un segundo pozo profundo para abastecer nuevamente con fuente propia al Municipio entrando en operación en abril de 1998 con un caudal de 40 L/s tratado entre las dos plantas existentes. Según las pruebas de bombeo efectuadas para este pozo y de acuerdo al diámetro en el que se construyó el pozo, el caudal máximo de explotación era de 60 L/s. Por ello, se hizo necesario ampliar la capacidad de tratamiento y en el año 2000 se contrató la construcción de una planta de tratamiento convencional compacta en lámina, con una capacidad de 50 L/s con la firma Acuatécnica. Actualmente, el pozo tiene una capacidad de explotación de 58 L/s, quedando la operación del sistema de tratamiento en la actualidad con 33 L/s en la planta compacta en lámina, 25 L/s en la planta convencional en concreto y 7 L/s en la planta compacta en concreto para reciclar el agua de lavado de los filtros. A comienzos del año 2003 se hizo la perforación de un nuevo pozo profundo ubicado a 800 m de las instalaciones de la EMAAF, con el objeto de aumentar la autosuficiencia hídrica y poder disminuir en un mínimo el consumo de agua de Bogotá, pues el costo por metro cúbico producido de agua de pozo es aproximadamente la mitad del costo por metro cúbico de agua que la EAAB le vende a la EMAAF mediante la modalidad de venta en bloque. Dado que del nuevo pozo profundo se espera un caudal de captación de 60 L/s, se necesita tratar la mayor cantidad de agua que sea posible entre las plantas junto a los 58 L/s ya existentes y por eso se ha propuesto estudiar la posibilidad del aumento del caudal de trabajo (25 L/s) de la planta convencional en concreto

34

en 15 L/s, mientras existen los recursos para contratar una nueva planta de tratamiento para el pozo nuevo. 1.2.1 Localización. La Empresa Municipal De Acueducto, Alcantarillado Y Aseo De Funza – EMAAF ESP., se encuentra ubicada en el municipio de Funza, departamento de Cundinamarca, carretera central occidente, a 24 kilómetros de la capital. 1.2.2 Características físicas. La empresa está situada dentro de la denominación de bosque seco bajo, con una altura sobre el nivel del mar de 2.548 metros, temperatura media de 14°C, temperatura máxima promedio de 18.9°C, temperatura mínima promedio de 5.8°C, evaporación anual de 1108 mm, promedio de precipitación anual de 637 mm, velocidad máxima del viento de 17m/seg, humedad relativa de 76%, con periodos de lluvia comprendidos de marzo a junio y de septiembre a diciembre, con presencia de heladas fuertes entre mediados de diciembre y principios de enero. Se encuentran ubicados en un suelo en el cual predominan las texturas franco arcillosas y franco arcillo limosas, con horizontes superficiales arcillosos y lentes de arena gruesa a fina en profundidad. La topografía en general es plana con una pendiente general de 0 a 0.9%. 1.2.3 Requerimientos y usos de agua. En la actualidad el Municipio de Funza suple sus necesidades de agua potable en un 35% con el sistema de acueducto de Bogotá y el 65% con agua de un pozo profundo procesada en plantas de tratamiento, ubicados en el predio de la empresa administradora del servicio, Empresa Municipal de Acueducto, Alcantarillado y Aseo de Funza, EMAAF E.S.P. 1.2.4 Generalidades del pozo. El pozo del acueducto de Funza fue perforado en 1997 por la firma INDEPENDENCE, alcanzando una profundidad de 610 m, para explotar la formación Tilatá. La capacidad de extracción es de 58 L/s y se realiza mediante una motobomba sumergible con un motor de 125 HP y bomba de 5 etapas; el equipo de bombeo se encuentra ubicado a 120 m de profundidad. El pozo es operado durante las 24 horas reportando nivel estático promedio de 53 m y nivel dinámico promedio de 76 m.

35

Fuente: El Autor, 2005 1.2.4.1 Calidad del agua. Según los análisis suministrados por la empresa, además de los realizados, se encontró que el agua proveniente del pozo presenta las siguientes características:

Tabla 3. Análisis fisico - químico del agua de pozo. PARÁMETROS UNIDADES CONCENTRACIÓN DEC. 475/98 DEC. 1594/84 Alcalinidad Total mg/L CaCO3 * 260 100 - Aluminio mg/L <0.05 - - Amonio mg/L NH4 * 8 - 1 Color unidades 38 <15 20 Conductividad µS/cm 640 5 - 1000 - DBO mg/L * 3.5 - - DQO mg/L 30 - - Fosfatos mg/L PO4 5.96 - - Fósforo mg/L 2.5 - - Grasas y Aceites

mg/L 1.2 - -

Hierro mg/L 3.4 0.27 0.3 Manganeso mg/L 0.023 0.1 - Mercurio mg/L <.001 - - Nitratos mg/L * 1 10 10 Nitritos mg/L * 0.003 0.1 1 Nitrógeno total mg/L 8.7 - - pH Unidades 7.1 - 6.8 – 8.5 Plata mg/L <0.05 - - Sólidos Suspendidos Totales

mg/L 20 - -

Tensoactivos mg/L 0.09 - - Turbiedad NTU * 10.7 - -

Figura 6. Cabezal pozo profundo

36

Coniformes Fecales UFC/100 ml negativo - -

Coniformes Totales UFC/100 ml negativo - -

Fuente: ANALQUIM LTDA. Diciembre 13 de 2004 y el autor (*) Febrero 16 de 2005 (Ver anexo A)

1.2.5 Diagrama de flujo del tratamiento empleado en EMAAF ESP, Planta Convencional A continuación se ilustra de manera resumida el proceso del tratamiento establecido en la planta convencional de EMAAF ESP. Para mayor información ver Anexo I.16

16 ANEXO I. DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE EXISTENTE EN EMAAF E.S.P

37

Figura 7. Diagrama de flujo tratamiento planta convencional

Fuente: El Autor, 2005

Extracción agua

Etapa de aireación

Etapa de oxidación y coagulación Etapa de conducción

Entrada planta convencional Etapa de floculación

Etapa de sedimentación Agua sedimentada Etapa de filtración

38

2. DISEÑO EXPERIMENTAL DEL REACTOR DES-NITROX La implementación de lodos activados en los procesos de potabilización de agua es poco común, esto debido a la escasa presencia de nutrientes en los afluentes tales como materia orgánica, nitritos, nitratos, amonio, DBO y fósforo, entre otros necesarios para la proliferación de microorganismos encargados del tratamiento, y a la creencia de la dificultad de eliminación de los microorganismos post tratamiento. Sin embargo, considerando el contenido de amonio en el agua de estudio, las consideraciones anteriores no se consideran un obstáculo, teniendo como objetivo de la investigación la remoción de compuestos nitrogenados (amonio, nitrato y nitrito) presentes en el agua cruda o resultantes del proceso de potabilización actual. 2.1 INTRODUCCION Los resultados de diseño, parámetros y secuencias de operación, muestreos y demás presentados en este capítulo, fueron el resultado de una etapa pre-operativa del reactor. Para dar inicio a esta investigación se realiza una consulta al procedimiento ejecutado en el trabajo de grado “Diseño y ensayo de un sistema biológico y resinas de intercambio iónico a escala para remover amonio en el pozo de CORPOICA Tibaitata”17, se hizo un análisis fisicoquímico al agua de pozo (Tabla 3), donde se analizan las concentraciones de amonio, DBO, nitrógeno y fósforo las cuales son importantes para el desarrollo del experimento, al igual que se observaron las sustancias inhibidoras presentes en el agua (Tabla 1). El lugar de ubicación del reactor fue Bogotá, al presentarse los siguientes inconvenientes al ubicarlo en otro sitio:

• Horarios de trabajo poco flexibles e incompatibles con las necesidades del experimento,

• Seguridad y mantenimiento de los equipos utilizados en la investigación, • Manipulación no controlada y manejo del reactor en general.

El reactor empleado para la investigación trabaja bajo el concepto de reactor en cochada de mezcla completa. Este tipo de reactor permite observar cada etapa a nivel de laboratorio por ser de fácil manipulación y puesta en marcha. Se esperó que en el reactor se presenten los procesos de nitrificación en el periodo de

17 MALDONADO, Diego y CHACON, Yara, Diseño y ensayo de un sistema biológico y de intercambio iónico a escala para remover amonio en el agua del pozo de Corpoica Tibaitatá.

39

aireación continua en la fase aerobia, y la desnitrificación en la fase anóxica caracterizada por la ausencia de una fuente de oxígeno. Al ser este un diseño experimental, la toma y análisis de datos debieron fundamentarse estadísticamente, y así, obtener resultados representativos y que mostraran tendencias de comportamiento. 2.1.1 Etapa Preoperativa. Se realizó esta etapa para enfocar la investigación hacia el resultado (remoción de compuestos nitrogenados). Este proyecto requirió de esta etapa, con el fin de encontrar la mejor configuración y funcionamiento de los tiempos del proceso de lodos activados, por medio de la aplicación de pruebas de ensayo y error. Las pruebas iniciaron inoculando lodos en un reactor cuyas dimensiones se especifican a continuación. Es importante tener en cuenta que el reactor SBR no maneja un caudal continuo, por lo que su diseño parte de un volumen asumido por el autor y trabajado con anterioridad en este tipo de experimentos, bajo los siguientes criterios: • Disponibilidad de espacio: Debe ser un área ventilada, iluminada y con

espacio para la movilidad. • Facilidad de transporte de agua: Se transportó desde Funza hacia Bogotá en

tanques plásticos opacos de 5 galones una vez por semana, de común acuerdo con EMAAF.

• Consecución de materiales: Se buscaron materiales que no aportaran reacción

alguna al proceso. Estos fueron vidrio, manguera plástica, polidifusores en caucho y agitador plástico.

2.1.2 Dimensionamiento del reactor. Este se vio determinado por la cantidad de agua que se podía transportar desde Funza hasta Bogotá, calculada en 120 - 125 litros por semana. De allí se calculó los litros disponibles al día, teniendo 18 litros al día, y al conocer la duración del ciclo del reactor se dispone de 9 litros por ciclo de operación del reactor. Con esta características se busco una pecera de tamaño comercial para ser acondicionada, con las siguientes características (Ver tabla 4):

40

Tabla 4. Dimensiones del reactor DIEMNSIONES VALOR (m)

Ancho 0.23 Largo 0.3 Alto 0.2 Altura de la lámina de agua 0.13 Volumen de agua 0.009

Fuente: El autor, 2005

Figura 8. Diagrama del reactor Fuente: El autor, 2005

41

2.1.3 Parámetros Operacionales. Son los que permiten el correcto funcionamiento del reactor, estos valores se encuentran consignados en la tabla 5.

Tabla 5. Parámetros operacionales en el reactor experimental

PARÁMETRO UNIDADES VALOR Carga orgánica Kg DBO/Kg SSLM-d 0.164 (asumido)Carga volumétrica Kg DBO/m3-d 0.00667Tiempo de aireación teórica* hr 8 (asumido)Edad del lodo d 12Concentración de lodos Kg/m3 6 (asumido)Volumen m3 0.009Carga de DBO Kg/d 0.00006Carga de nitrógeno Kg/d 0.0001566Carga de fósforo Kg/d 0.000045Eficiencia de remoción % 98Consumo oxígeno total Kg O2/d 0.00078Cantidad de aire para oxigenar m3 aire/h 0.06Alfa** - 0.4Beta - 0.92Tasa de transferencia en campo TTC Lb O2/HP-h 0.653Potencia del motor rpm 30* Tiempo recomendado en la tesis “Diseño y ensayo de un sistema biológico y resinas de intercambio a escala para remover amonio en el pozo de Corpoica Tibaitatá. ** Coeficiente utilizado para aireación con difusores de burbuja fina. Fuente: El autor, 2005 En el anexo C se muestran el desarrollo de los cálculos para el diseño. Estos datos son los principales para poder iniciar el proceso experimental. 2.1.3.1 Características de funcionamiento del reactor. Los equipos y/o elementos considerados en el reactor para garantizar su funcionalidad fueron: • Un aireador con caudal de 0.06 m3 aire/h, el cual corresponde a la cantidad de

aire requerida para oxigenar el icor mezclado. • Un sistema de difusión de aire constituido por mangueras polidifusoras (con

una Tasa de Transferencia en Campo calculada asumiendo un valor de α=0.418 y β=0.9219, verificando posteriormente el valor de α) ubicadas en el fondo del tanque.

18 Relación de la tasa de transferencia de oxígeno en agua residual a agua potable a la misma temperatura 19 Relación de concentración de saturación de oxígeno disuelto en agua residual a agua potable (0.92-0.98)

42

• Un sistema de mezcla impulsado por un motor de 30 rpm que garantizó una mezcla constante y uniforme, brindando un ambiente de aclimatación de los microorganismos. La función del motor es homogenizar el licor mezclado distribuyéndolo uniformemente y evitando las zonas anóxicas y la sedimentación del lodo.

• Un termostato de 5 galones20 garantizando una temperatura de 25 oC. • Un sistema de vaciado del reactor, que consistió en un manguera instala en el

fondo del reactor, a 3 cm del fondo por el cual se drenaba el agua decantada, sin realizar extracción del lodo sedimentado (Ver Figura 9):

Fuente: El autor, 2005 A continuación se muestran los equipos utilizados para garantizar los parámetros operacionales en el reactor: 20 Valor comercial de la capacidad en volumen que puede calentar un termostato

Figura 9. Sistema de vaciado del reactor

43

Fuente: El autor, 2005 2.1.4 Corrección de TTC. Para la corrección de TTC (Tasa de transferencia en campo) se realizó el cálculo del Kla (Coeficiente de transferencia de oxígeno) de las mangueras polidifusoras por medio del ensayo de Determinación del Kla21. Los cálculos se muestran en el anexo F, los resultados obtenidos del Kla para agua limpia fue de 3.4 h-1 y el del agua de pozo fue de 2.8 h-1. Para realizar la corrección de TTC es necesario calcular el α teniendo en cuenta los Kla obtenidos, por medio de la siguiente fórmula:

Este valor obtenido de α debe ser remplazado en la fórmula de cálculo de TTC por el asumido en la tabla 5, para determinar la TTC del equipo.

21 ROMERO, Op. Cit., p. 382

Reactor de vidrio

Aireador

Manguera polidifusoras

Mezclador

823.04.38.2

lim__

===piaKla

pozoKlaα

( ){ } ( )

LmgCrCsTTALTTC

T

2.9

024.1 20 αβ ××−××=

−

Figura 10. Equipos utilizados en el reactor

44

Donde: TTAL: tasa de transferencia de agua limpia, esta entre 3-4 lb O2/HP-h Cs: concentración de saturación α: coeficiente corrección tasa de transferencia corregido β: coeficiente de corrección saturación Cr: concentración OD a mantener T: temperatura del experimento Cs20: concentración de saturación del agua a 20 oC Obteniendo así:

El TTC corregido del reactor es 1.382 lb O2/HP-h. 2.1.5 Puesta en marcha y funcionamiento. Para la puesta en marcha del reactor se realizó inoculación de lodos de la PTAR de Carulla Vivero S.A. Planta Montevideo, pues existían varias experiencias satisfactorias con la inoculación de dichos lodos en otras investigaciones, incluyendo plantas de tratamiento de aguas industriales y la etapa pre-operativa de este proyecto. Los lodos provenían del tanque de aireación del proceso de lodos activados, y del espesador. Presentaban un color amarillo, mal olor y alto contenido de grasas. El proceso de preparación consistió en dejarlo sedimentar durante ocho horas para extraer la mayor cantidad de agua.

Tabla 6. Parámetros de funcionamiento del reactor PARÁMETRO UNIDAD VALOR

Oxígeno disuelto OD mg/L 1.5 – 2 pH unidades 6.5 – 8 Temperatura C 20 – 32

Fuente. El autor, 2005 Para garantizar una concentración aceptable de lodos dentro del reactor, se inoculó el 11.8% del volumen del reactor (1,06 litros), como se muestra en el anexo D, y se completo el volumen con agua del pozo.

( )

hHPlbO

Lmg

Lmg

Lmg

hHPlbO

TTC −=××

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ −⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ ××−

=

−

2

204.162

382.12.9

823.0024.10.292.043.75.3

45

2.1.5.1 Etapa de pre-experimentación. En esta etapa se acondiciono el lodo a las características del agua de entrada al reactor. Cabe resaltar que se realizó una primera inoculación de lodo, la cual no funcionó debido a que la cantidad inoculada en esa ocasión fue muy baja (500 ml aprox.), y, el cual después de finalizar el periodo de aclimatación (15 días) utilizando el ciclo inicial de 12 horas (Ver figura 11) no presentaba condiciones favorables de sedimentación, se veía disminución en su volumen y no se presentaba remoción significativa de compuestos. Basándonos en este resultado, y en lo encontrado en la tesis “ Diseño y ensayo de un sistema biológico y de intercambio iónico a escala para remover amonio en el agua del pozo de Corpoica Tibaitata”22, se realizó la inoculación de la cantidad definitiva de lodo, mucho mayor que la inoculación inicial (1,06 litros), el cual después de someterlo al mismo periodo de aclimatación presentó condiciones de funcionamiento muy favorables. A partir de ese momento se comenzó la evaluación del reactor con un ciclo de 12 horas repartido de la siguiente manera (Ver figura 11):

Fuente. El autor, 2005

22 MALDONADO, Diego y CHACON, Yara

Agua Llenado con equipos apagados

Aireación y mezcla: aireador y mezclador

Tiempo anóxico: solo mezclador

Sedimentación: apagado

Vaciado

Agua tratada

15 min

15 min

1 hora

2 horas

8 horas 30 min

Figura 11. Diagrama de flujo del ciclo inicial de 12 horas

46

Esta distribución de tiempos se comenzó a variar debido a que la remoción que se obtuvo de nitratos y nitritos no era la deseada. Los valores que se presentaban a la salida del reactor era nitritos = 1 mg/L y nitratos = 3.9 mg/L. Las variaciones realizadas consistían en aumentar el tiempo anóxico y disminuir el de aireación y mezcla. Por cada modificación de tiempos de proceso, se daba un margen de 7 días al reactor, para que se estabilizara a las nuevas condiciones. Este modificación de tiempos se llevo a cabo tres veces, y derivó el ciclo definitivo de 12 horas. Todas las mediciones realizadas y con las cuales se realizaron todos los cálculos de esta investigación fueron resultado de someter al agua de pozo a el ciclo definitivo de 12 horas. Fuente: El autor, 2005

Agua Llenado: equipos apagados

Aireación y mezcla: aireador y mezclador

Tiempo anóxico: solo mezclador

Sedimentación: apagado

Vaciado

Agua tratada

15 min

15 min

1 hora

5 horas 30 min

5 horas

Figura 12. Diagrama de flujo del ciclo definitivo de 12 horas

47

2.1.5.2 Llenado. En esta etapa se encuentran apagados todos los equipos. El agua de pozo fue agregada al reactor por la parte superior. Este procedimiento tenía una duración de 15 minutos. 2.1.5.3 Aireación y mezcla. Una vez lleno el reactor, se pusieron en funcionamiento el sistema de mezcla para que el lodo entrara en contacto con el agua y el termostato, para empezar a calentar el agua con licor mezclado. Además, se encendió el suministro de oxígeno para la oxidación del amonio por el proceso de nitrificación. Se controló la cantidad de oxígeno, temperatura, de acuerdo con lo enunciado en la tabla 6. Este procedimiento tenía una duración de 5 horas. 2.1.5.4 Tiempo anóxico. Se detuvo la aireación y continuó funcionando la mezcla y el termostato, en busca de suscitar el proceso de desnitrificación. Este procedimiento tenía una duración de 5 horas 30 minutos. 2.1.5.5 Sedimentación. Se detuvieron todos los sistemas del reactor para dar tranquilidad al sistema y permitir la sedimentación de los lodos, por espacio de una hora. 2.1.5.6 Vaciado. Consistió en extraer en un periodo de 15 minutos el agua clarificada de la sedimentación sin generar turbulencia. 2.1.6 Etapas del experimento. Dentro del desarrollo del proyecto se enmarcaron estas etapas, las cuales describen la manera como evolucionó el experimento a través del tiempo. 2.1.6.1 Periodo de aclimatación. Este periodo se mantuvo por un lapso aproximadamente de un mes y medio después de inoculados los lodos, en el cual los microorganismos se adaptan al nuevo medio y a las nuevas condiciones de nutrientes proporcionadas. Este periodo se extendió en su duración debido a la variación de tiempos anóxico y de aireación que se realizaron en búsqueda del mejor ciclo para la remoción de los compuestos nitrogenados. 2.1.6.2 Periodo de producción. Es el periodo en el cual, habiendo obtenido la remoción de compuestos nitrogenados buscada, comprobada por los análisis realizados, se mantuvo estable y se cumplieron los parámetros de funcionamiento del reactor. El periodo de productividad se mantuvo durante el tiempo en el cual estuvo funcionando el reactor durante la investigación, y al momento de desmontar el reactor, todavía se encontraba en este periodo.

48

2.2 ANALISIS DE DATOS Los datos que se analizaron pertenecen al periodo del experimento denominado periodo de producción, debido a que el resto de datos obtenidos, solo representan un seguimiento al comportamiento del reactor, en la búsqueda de la remoción deseada de los compuestos nitrogenados y en la toma de decisiones que finalmente derivó el ciclo definitivo de 12 horas. Vale la pena destacar que durante todo el experimento fueron constantes las mediciones de temperatura, pH, datos importantes ya que se encuentran enmarcados en los parámetros que garantizan el desarrollo de los microorganismos, enunciados en la tabla 6. La toma de datos durante el periodo de productividad correspondió a la aplicación de una Muestra por Convenienciaℑ, debido a fuertes limitaciones de recursos técnicos (reactivos, equipos, laboratorios y agua) y económicos (transporte), que no permitieron realizar otro tipo de muestreo. El periodo durante el cual se realizó el muestreo del periodo de productividad tuvo una duración de sesenta días, pero solo se realizó muestreo para el análisis estadístico de quince días, y se efectuó de forma continua. Se realizó un análisis de cada una de las variables por separado debido a que las tres tuvieron comportamientos distintos a través del ciclo de funcionamiento del reactor, y según la información obtenida del estadístico, esta era la mejor manera de realizar un análisis acertado de los datos que se tenían a disposición. 2.2.1 Análisis estadístico de datos: Curvas de Crecimiento. A continuación se muestra el análisis efectuado a los datos arrojados por el experimento a través del análisis de curvas decrecimiento, para evaluar las tendencias de comportamiento de los parámetros de interés en el experimento.

2.2.1.1 Variables cuyo comportamiento será evaluado a) Amonio b) Nitratos c) Nitritos 2.2.1.2 Objetivo. Describir y estimar el comportamiento a través del tiempo de las variables expuestas anteriormente.

ℑ Término empleado en estadística para preestablecer un número de muestra en el evento de tener limitaciones para aplicar otra metodología.

49

2.2.1.3 Metodología. Con el fin de cumplir con el objetivo del presente trabajo, se realizaron los siguientes procedimientos:

1. Análisis descriptivo de los perfiles para cada una de las variables. En este análisis redescribe el comportamiento de cada variable a través del tiempo, con base en las 15 muestras de agua que fueron analizadas.

2. Análisis de curvas de crecimiento, donde se tienen en cuenta las

siguientes condiciones, • La extracción de las muestras de agua se realizó de manera aleatoria, por lo

cual, se asume que no existe relación entre los datos registrados para las muestras seleccionadas.

• Cada medición sobre la concentración de las variables, se realizó durante 15 días, tomando mediciones cada hora de funcionamiento del reactor, para un total de 13 observaciones, contemplando la concentración inicial cuando no había ingresado al proceso.

• La medición sobre la concentración de las variables de estudio se realizó con los mecanismos óptimos, presentados en el estudio.

En curvas de crecimiento se parte de la siguiente ecuación:

Ecuación 1

En la ecuación 1, X es una matriz que representa los datos obtenidos para un cierto número de observaciones; en este caso, el número de observaciones es 15 (muestras de agua) y el total de columnas equivale a 12, correspondiente al número de tiempos analizados. La matriz A es una matriz de constantes e identificadora de grupos, en este caso solo se tiene un grupo, puesto que todas las muestras fueron expuestas al mismo proceso, por ello, A es una matriz de dimensión 15 x 1. ℘, es una matriz que representa los parámetros que se requieren estimar, en este caso ξ es un vector de dimensión p, donde p representa el total de coeficientes en la curva de crecimiento que se requieren estimar. La ecuación 1, se puede generalizar con la siguiente expresión:

Ecuación 2

mxpnxmnxp AXE ξ=)(

pxqmxpnxmnxq PAXoE ξ=)(

50

Donde la matriz P, representa y especifica el grado del polinomio que se va a utilizar en el análisis de curvas de crecimiento. Cada una de las matrices generadas para cada una de las hipótesis planteadas para cada variable son manejadas en SAS, programa de estadística seleccionado para realizar el análisis de datos. 2.2.2 Resultados. A continuación se muestran los datos obtenidos del análisis estadístico realizado.

2.2.2.1 Comportamiento de Amonio.

Gráfico 1. Comportamiento del Amonio a través del tiempo.

Fuente: El autor, 2005

En el gráfico 1 se observa que la concentración del Amonio, a medida que transcurren las horas redisminuye significativamente. Se nota claramente que para las 15 muestras, luego de la hora 4 del proceso, la concentración de Amonio se vuelve constante en 0,1 mg / L.

Comportamiento del Amonio a través del tiempo

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12

Tiempo (hora)

Con

cent

raci

ón d

e A

mon

io (m

g / L

)

Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

Muestra 4

Muestra 5

Muestra 6

Muestra 7

Muestra 8

Muestra 9

Muestra 10

Muestra 11

Muestra 12

Muestra 13

Muestra 14

Muestra 15

Promedio

Estimación

51

Tabla 7. Evaluación de las hipótesis de significancia estadística para evaluar el grado del polinomio, Amonio.

ANALISIS DE SIGNIFICANCIA COEFICIENTE ESTIMACION ESTADISTICA VALOR F DECISIÓN INTERCEPTO 1,3348 1347,95 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO℘

T -0,463333 1534,33 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO T^2 0,1145821 3704,162 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO T^3 -0,018774 1365,53 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO T^4 0,0010636 11,98 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO T^5 0,0004914 22,15 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO T^6 -0,000188 52,9 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO T^7 0,000026 13,66 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO T^8 6,16E-06 4,73 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO T^9 -5,61E-06 26,36 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO

T^10 2,44E-06 45,19 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO Fuente: El autor, 2005 En la tabla 7, se evidencia que un polinomio de grado 4 es adecuado, teniendo en cuenta que aunque se pueden ajustar polinomios de grado superior, estos no aportan información más precisa que el polinomio de grado 4, observando los coeficientes estimados y el comportamiento de las curvas de crecimiento estimadas.

Tabla 8: Estimación e intervalos de confianza, curvas de crecimiento Amonio.

ESTIMACIONES INTERVALO DE

CONFIANZA* TIEMPOS (HORAS) PREDICCION PROMEDIO L. INFERIOR L.SUPERIOR

T0 8,0552 7,726666667 7,847713431 8,262686569T1 4,8015056 5,38 4,521033047 5,081978153T2 2,5863616 2,913333333 2,240990064 2,931733136T3 1,1822516 0,346666667 0,393862978 1,970640222T4 0,3871856 0,186666667 -1,639788149 2,414159349T5 0,0247 0,1 -4,345385868 4,394785868T6 -0,0561424 0,1 -8,283342282 8,171057482T7 0,0192476 0,1 -14,05055846 14,08905366T8 0,1509856 0,1 -22,26278859 22,56475979T9 0,2647136 0,1 -33,54873283 34,07816003T10 0,3116 0,1 -48,5471305 49,1703305 T11 0,2683396 0,1 -67,90484781 68,44152701T12 0,1371536 0,1 -92,27540529 92,54971249

* INTERVALOS CON UN NIVEL DE CONFIANZA DEL 95%. Fuente: El autor, 2005 ℘ Se entiende como significativo el grado de una ecuación que se ajusta al recorrido de una curva

52

Gráfico 2: Predicción e intervalos de confianza, Amonio.

Fuente: El autor, 2005 En la tabla 8 como en el gráfico 2, se observa que la estimación de la concentración de Amonio a través de una curva de crecimiento donde se indexa el tiempo (horas en el proceso), es precisa hasta la hora 4, de ahí en adelante las estimaciones tienen un alto grado de imprecisión. Esto de debe primordialmente a que para el periodo entre 5 y 12 horas, la cantidad de Amonio es constante. Por ello, se realizó un análisis de curvas de crecimiento para evaluar la concentración de Amonio en los tiempos 0, 1, 2, 3 y 4. 2.2.2.1.1 Comportamiento de Amonio, periodo de 0 a 4 horas. Una de las ventajas de este análisis es poder utilizar la información de la relación que existe entre las cinco primeras horas, respecto a la concentración de Amonio, en términos técnicos, se utilizó la matriz de varianzas y covarianzas entre estos tiempos, lo cual produce excelentes resultados en la estimación y precisión de los intervalos de confianza.

PREDICCION E INTERVALOS DE CONFIANZA

-92

-72

-52

-32

-12

8

28

48

68

88

t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12

TIEMPO (HORA)

CO

NC

ENTR

AC

ION

DE

AM

ON

IO (m

g / L

)

PREDICCIONPROMEDIOL. INFERIORL.SUPERIOR

53

Gráfico 3: Comportamiento del Amonio a través del periodo de 0 a 4 horas.

Fuente: El autor, 2005

Comportamiento del Amonio a través del tiempo

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

t0 t1 t2 t3 t4

Tiempo (hora)

Con

cent

raci

ón d

e A

mon

io (m

g / L

)

Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

Muestra 4

Muestra 5

Muestra 6

Muestra 7

Muestra 8

Muestra 9

Muestra 10

Muestra 11

Muestra 12

Muestra 13

Muestra 14

Muestra 15

Promedio

Estimación

54

Gráfico 4: Predicción e intervalos de confianza, Amonio periodo de 0 a 4 horas.

Fuente: El autor, 2005

Tabla 9: Evaluación de las hipótesis de significancia estadística para evaluar el grado del polinomio Amonio.

ANALISIS DE SIGNIFICANCIA COEFICIENTE ESTIMACION ESTADISTICA VALOR F DECISIÓN

T^3 0,2244215 33,7875 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO Fuente: El autor, 2005

Tabla 10: Estimación e intervalos de confianza, curvas de crecimiento Amonio.

ESTIMACIONES INTERVALO DE

CONFIANZA* TIEMPOS (HORAS) PREDICCION PROMEDIO L. INFERIOR L.SUPERIOR

t0 7,716961 7,7 7,533269836 7,900652164t1 5,4533155 5,4 4,982511776 5,924119224t2 2,544079 2,9 2,213908693 2,874249307t3 0,3357805 0,3 0,27177903 0,39978197 t4 0,174949 0,2 0,152054522 0,197843478

* INTERVALOS CON UN NIVEL DE CONFIANZA DEL 95%. Fuente: El autor, 2005

PREDICCION E INTERVALOS DE CONFIANZA

0

1

2

3

4

5

6

7

8

t0 t1 t2 t3 t4

TIEMPO (HORA)

CO

NC

ENTR

AC

ION

DE

AM

ON

IO (m

g / L

)

PREDICCIONPROMEDIOL. INFERIORL.SUPERIOR

55

La tabla 9 indica que un polinomio de grado 3 se podría ajustar a los datos y tener resultados significativamente acertados. La tabla 10 y el gráfico 4, evidencian que el ajuste es bastante acertado, mostrando que el promedio de concentración de Amonio para las muestras analizadas, se encuentra dentro de las bandas de confianza. El grado de precisión es muy bueno y esto se ve reflejado en la longitud de los intervalos de confianza. Coeficientes estimados de la curva de crecimiento Concentración de Amonio = 7,716961 -1,492007(t) -0,99606(t^2)+ 0,2244215(t^3) En esta curva estimada t varía entre 0 y 4 horas.

2.2.2.2 Comportamiento de Nitratos.

Gráfico 5: Comportamiento de Nitratos a través del tiempo.

Fuente: El autor, 2005

Comportamiento de Nitratos a través del tiempo

0

5

10

15

20

25

t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12

Tiempo (hora)

Con

cent

raci

ón d

e N

itrat

os (m

g / L

)

Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

Muestra 4

Muestra 5

Muestra 6

Muestra 7

Muestra 8

Muestra 9

Muestra 10

Muestra 11

Muestra 12

Muestra 13

Muestra 14

Muestra 15

Promedio

Estimación

56

Gráfico 6: Predicción e intervalos de confianza, Nitratos.

Fuente: El autor, 2005 En el gráfico 5 se observa que la concentración de Nitratos promedialmente tiene un comportamiento parabólico con un máximo aproximadamente en la hora 5. La tabla 11 indica que un polinomio de grado 3 se podría ajustar a los datos y tener resultados significativos. La tabla 12 y el gráfico 6, evidencian que el ajuste es bastante acertado, mostrando que el promedio de concentración de Nitratos para las muestras analizadas, se encuentra dentro de las bandas de confianza. La longitud de los intervalos de confianza es pequeña lo cual indica un excelente nivel de precisión.

Tabla 11: Evaluación de las hipótesis de significancia estadística para evaluar el grado del polinomio, Nitratos.

ANALISIS DE SIGNIFICANCIA COEFICIENTE ESTIMACION ESTADISTICA VALOR F DESICIÓN

T^3 0.0386364 99,1983 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO Fuente: El autor, 2005

PREDICCION E INTERVALOS DE CONFIANZA

0,5

2,5

4,5

6,5

8,5

10,5

12,5

14,5

16,5

18,5

20,5

t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12

TIEMPO (HORA)

CO

NC

ENTR

AC

ION

DE

NIT

RA

TOS

(mg

/ L)

PREDICCIONPROMEDIOL. INFERIORL.SUPERIOR

57

Tabla 12: Estimación e intervalos de confianza, curvas de crecimiento Nitratos.

ESTIMACIONES INTERVALO DE

CONFIANZA* TIEMPOS (HORAS) PREDICCION PROMEDIO L. INFERIOR L.SUPERIOR

t0 1,354 1,000 1,016602884 1,691397116t1 8,887883 9,400 8,309054169 9,466711831t2 14,3173544 13,933 13,66764375 14,96706505t3 17,8742326 18,467 17,2970645 18,4514007 t4 19,790336 19,933 19,38061755 20,20005445t5 20,297483 19,933 20,06994135 20,52502465t6 19,627492 19,533 19,38224628 19,87273772t7 18,0121814 17,933 17,5844021 18,4399607 t8 15,6833696 14,867 15,10858286 16,25815634t9 12,872875 13,267 12,25786607 13,48788393

t10 9,812516 10,533 9,307805661 10,31722634t11 6,734111 6,867 6,475011306 6,993210694t12 3,8694784 3,467 3,350665426 4,388291374

* INTERVALOS CON UN NIVEL DE CONFIANZA DEL 95%. Fuente: El autor, 2005 Coeficientes estimados de la curva de crecimiento Concentración de Nitratos = 1,354-8,6633616 (t) -1,168115 (t^2)+ 0,0386364 (t^3) En esta curva estimada t varía entre 0 y 12 horas.

58

2.2.2.3 Comportamiento de Nitritos.

Gráfico 7: Comportamiento de Nitritos a través del tiempo.

Fuente: El autor, 2005 En el gráfico 7, se evidencia claramente un comportamiento no constante en la concentración de Nitritos. En este gráfico también se observa que la estimación de la curva de crecimiento describe el comportamiento de la variable de estudio, pero presenta problemas de ajuste en la medida que las estimaciones de las horas evaluadas no es precisa respecto al promedio de concentración de Nitritos. De igual manera los intervalos de confianza presentan problemas de estructura y estimación. Esto se debe a un problema de medición; sin embargo, se analizó la concentración de Nitrititos en un periodo de tiempo de 5 horas y se encontraron resultados mucho más fiables.

Comportamiento de Nitritos a través del tiempo

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12

Tiempo (hora)

Con

cent

raci

ón d

e N

itrito

s (m

g / L

)

Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

Muestra 4

Muestra 5

Muestra 6

Muestra 7

Muestra 8

Muestra 9

Muestra10Muestra11Muestra12Muestra13

59

2.2.2.3.1 Comportamiento de Nitritos en el periodo de 6 horas.

Gráfico 8: Comportamiento de Nitratos a través del tiempo, en el periodo de 5 horas.

Fuente: El autor, 2005

Comportamiento de Nitritos a través del tiempo

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

t0 t1 t2 t3 t4 t5

Tiempo (hora)

Con

cent

raci

ón d

e N

itrito

s (m

g / L

)

Muestra 1

Muestra 2

Muestra 3

Muestra 4

Muestra 5

Muestra 6

Muestra 7

Muestra 8

Muestra 9

Muestra 10

Muestra 11

Muestra 12

Muestra 13

Muestra 14

Muestra 15

Promedio

Estimación

60

Gráfico 9: Predicción e intervalos de confianza, Nitritos en el periodo de 5 horas.

Fuente: El autor, 2005 La tabla 13 indica que un polinomio de grado 3 se podría ajustar a los datos y tener resultados significativos. La tabla 14 y el gráfico 9 evidencian que el ajuste es bastante acertado, mostrando que el promedio de concentración de Nitritos para las muestras analizadas, se encuentra dentro de las bandas de confianza. La longitud de los intervalos de confianza es pequeña lo cual indica un excelente nivel de precisión. Cabe notar que estas estimaciones se realizan con base en la información obtenida de la hora 0 a la 5.

Tabla 13: Evaluación de las hipótesis de significancia estadística para evaluar el grado del polinomio.

ANALISIS DE SIGNIFICANCIA

COEFICIENTE ESTIMACION ESTADISTICA VALOR F DESICIÓN T^3 0,0059568 84.656.818 F(2,14)=3,738 SIGNIFICATIVO

Fuente: El autor, 2005

PREDICCION E INTERVALOS DE CONFIANZA

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

t0 t1 t2 t3 t4 t5

TIEMPO (HORA)

CO

NC

ENTR

AC

ION

DE

NIT

RIT

OS

(mg

/ L)

PREDICCIONPROMEDIOL. INFERIORL.SUPERIOR

61

Tabla 14: Estimación e intervalos de confianza, curvas de crecimiento Nitritos.

ESTIMACIONES INTERVALO DE

CONFIANZA* TIEMPOS (HORAS) PREDICCION PROMEDIO L. INFERIOR L.SUPERIOR

t0 0,005963 0,003333333 0,005077908 0,006848092t1 0,0685182 0,077333333 0,065778349 0,071258051t2 0,0676282 0,058666667 0,064933211 0,070323189t3 0,0390338 0,039333333 0,035298857 0,042768743t4 0,0184758 0,022666667 0,012652164 0,024299436t5 0,041695 0,04 0,033059902 0,050330098

* INTERVALOS CON UN NIVEL DE CONFIANZA DEL 95%. Fuente: El autor, 2005 Coeficientes estimados de la curva de crecimiento Concentración de Nitritos = 0,005963+0,1061914 (t) - 0,049593 (t^2)+ 0,0059568 (t^3)

En esta curva estimada t varía entre 0 y 5 horas. Sin embargo de 2,5 a 5 horas, se nota una precisión adecuada de la curva de crecimiento ajustada. De acuerdo con el análisis mostrado anteriormente, aunque se evidencia un problema al estimar los intervalos de confianza de los nitritos a causa de la baja sensibilidad del método usado para la medición (Aqua-Merck), se puede deducir que tanto el tiempo de aireación determinado en el experimento, como el tiempo anóxico, y el tiempo de retención en el reactor son adecuados para realizar la remoción de compuestos nitrogenados presentes en el agua tratada.

62

2.2.3 Verificación de los nutrientes en el afluente del reactor. Se efectuaron los análisis de DBO, nitrógeno y fósforo al inicio del experimento, y durante al tiempo destinado a realizar la toma de datos del periodo de productividad, con el fin de verificar el estado de los nutrientes que entraban al ciclo del reactor, ver anexo E. Los datos utilizados para determinar los valores expresados en la tabla 15, son el promedio de la caracterización realizada al periodo de productividad.

Tabla 15. Comprobación de la carga de nutrientes existentes. DBO N P 100 5 1 UNIDADES

Carga requerida 0.00006 0.000003 0.0000006 Kg/d

Carga en el agua 0.00006 0.0001566 0.000045 Kg/d

Fuente: El autor, 2005 Según lo indicado en la tabla 15, no existe déficit en ninguno de los nutrientes básicos requeridos para implementar un sistema de tratamiento biológico. 2.2.4 Calidad del efluente del reactor. Cabe resaltar que a pesar de haber utilizado un tipo de proceso común en el tratamiento de aguas residuales como el caso de los lodos activados, el tipo de agua objeto de esta investigación no es en forma alguna agua residual; por el contrario, la utilización de la misma es para fines de potabilización. Por esta razón es importante evaluar las condiciones y características del agua a la salida del reactor después de haber sido sometida a un tratamiento con lodos activados, ver tabla 16.

Tabla 16. Comparación del agua de entrada con el agua de salida del reactor

PARÁMETROS UNIDADES ENTRADA SALIDA REMOCIÓN %

DECRETO 475/98

Alcalinidad mg/L 261,3 213,9 18,14 100 Amonio mg/L 7,7 0,01 99,87 -

Conductividad μσ/χμ 0,51 0,48 5,88 5-1000 DQO mg/L 30,5 11,3 62,95 -

Nitratos mg/L 1 3,06 - 10 Nitritos mg/L 0,003 0,001 66,67 1

pH Unidades 7,1 7,3 - 5 a 9 Turbiedad NTU 6,3 3,2 49,21 -

Fuente: El autor, 2005

63

Gráfico 10. Comportamiento horario del amonio y los nitratos en el reactor Fuente: El autor, 2005 Como se observa en la tabla 16, el reactor remueve parámetros como alcalinidad, amonio, conductividad, DQO, nitratos, nitritos∞ y turbiedad. Los demás parámetros que se encuentren fuera de norma, serán removidos al complementar este tratamiento con las operaciones unitarias existentes en las instalaciones de EMAAF ESP, cumpliendo así con la normatividad vigente.

∞ La remoción para este parámetro se toma a partir del comportamiento en el proceso del reactor donde alcanza una concentración máxima de 20 ppm, como se puede observar en la gráfica 10, y no al comparar la entrada con la salida.

COMPORTAMIENTO HORARIO REACTOR

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14

HORA

CO

NC

ENTR

AC

ION

(mg/

L)

NITRATOSAMONIO

64

2.3 DETERMINACION DE LOS PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO DEL REACTOR HALLADOS EXPERIMENTALMENTE Para diseñar el reactor se tuvieron en cuenta los parámetros descritos en la tabla 5, en el cual se asumió la relación f/m, la concentración de lodos y el tiempo de aireación, datos tomados de la teoría empleada para el tratamiento de aguas residuales, con características bastante distintas al tipo de agua del experimento. Por esta razón deben ser corregidos con los datos propios del proyecto para que correspondan a las características del agua a tratar. 2.3.2 Determinación de f/m. (Relación entre DBO disponible y microorganismos presentes). Su corrección se realiza utilizando los valores obtenidos durante el desarrollo del proyecto de la concentración de sólidos suspendidos de licor mezclado, la carga de DBO, aplicando la siguiente fórmula:

Donde: Q: caudal del reactor, 0.018 m3/d (18 mg/L) So: sustrato de DBO, 0.0035 Kg/m3 (3.5 mg/L) V: volumen del reactor, 0.009 m3 (9 mg/L) X: concentración sólidos suspendidos de licor mezclado en el reactor, 2.406 Kg/m3 (2406 mg/L) Reemplazando en la ecuación obtenemos:

El valor obtenido de f/m (carga másica) es menor que el asumido (Ver tabla 5) inicialmente pata el desarrollo del proyecto, y se encuentra por debajo del rango establecido para el tratamiento de aguas residuales por lodos activados. La principal explicación para este fenómeno es la baja concentración de matería orgánica y nutrientes en el agua del pozo, si se compara con las concentraciones de contaminantes en un agua residual. A continuación se muestra la comparación, ver tabla 17.

XVSoQ

mf

××

=

dKgSSLMKgDBO

mf

−=××

= 00291.0406.2009.0

0035.0018.0

65

Tabla 17. Comparación de f/m Valor (Kg DBO/Kg LMSS-d) Asumido Calculado Rango AR

Carga Másica (f/m) 0.164 0.00291 0.05-0.25 Fuente: El autor, 2005 2.3.3 Determinación de la concentración de lodos. Este valor corresponde al cálculo de los sólidos suspendidos totales y se expresa en Kg/m3.

La concentración de lodos obtenida experimentalmente se encuentra por debajo del límite del rango establecido para el tratamiento de aguas residuales (3 – 6 Kgm3), la explicación para este fenómeno es de igual manera la baja presencia de sustrato, pues f/m es una relación establecida entre la cantidad de alimento y la cantidad de microorganismos, relación que se encuentra directamente conectada. La cantidad de alimento determinó en gran medida la concentración de microorganismos, y al tener una entrada de alimento tan escasa a el reactor, como lo fue de 3.5 mg DBO/L, la concentración de organismos fue baja. Este resultado soporta el resultado obtenido en la relación de f/m. Sin embargo un valor de 2410 mg/L de SS no resulta tan bajo para tener un alimento tan bajo como 3.5 mg/L. 2.3.4 Ensayo de sedimentabilidad. Esta prueba se realiza con el objetivo de evaluar el comportamiento del sistema en la etapa de sedimentación del lodo, para lo cual se aplica la siguiente fórmula:

Donde: IVL: índice volumétrico de lodos Vl: volumen de lodos sedimentados en una probeta de 1000 ml durante 30 min. SSLM: sólidos suspendidos de licor mezclado Reemplazando en la ecuación, tenemos:

336 41.21

1000112406_. m

Kgm

Lmge

KgL

mglodosConc =××=

gmg

LmgSSLML

mlVlL

mgIVL 1000×=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

66

Para el calculo del anterior valor se realizaron mediciones del volumen de lodos (ver anexo E) y se reemplazo por el valor promedio, de igual manera se realizó con el valor de SSLM. El valor obtenido de IVL se encuentra dentro del rango establecido (80 – 150 ml/g), lo que se traduce en una buena sedimentación del lodo en el reactor.

gml

gmg

Lmg

Lml

gmlIVL 8,811000

2406

197=×=⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛

67

3. ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD TÉCNICA Y ECONÓMICA DEL SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS A TAMAÑO REAL

Los esquemas que se maneja generalmente en los tratamientos tradicionales de agua potable se basan en la remoción de ciertos parámetros que en ninguna operación unitaria incluye la remoción de amonio, nitrato o nitrito; parámetros que afectan directamente el desarrollo de ciertas actividades que utilizan el agua como materia prima dentro de sus procesos (industria textil, elaboración de alimentos, tratamiento de agua potable). A continuación se pretende mostrar un escalamiento del diseño del reactor Des-Nitrox en tamaño real para el tratamiento del agua en EMAAF ESP., proponiendo seis reactores con las mismas características, por cochadas, con aireación por sopladores, con el fin de analizar los costos, ventajas y desventajas. 3.2 DISEÑO Como ya se ha enunciado, el sistema de lodos activados es una técnica comúnmente utilizada para el tratamiento de aguas residuales para realizar remoción de nutrientes (N y P) y altos contenidos de materia orgánica característica de este tipo de aguas, con altas eficiencias de remoción generales (80 -98%). Al aplicar esta técnica de tratamiento el el agua proveniente de EMAAF ESP., con un contenido considerable de amonio, que se derivaba en la generación de nitratos y nitritos durante el proceso de tratamiento y conducción del agua, se observaron porcentajes de remoción dentro del rango mencionado anteriormente. Las consideraciones de diseño tenidas en cuenta para la selección del tipo de reactor que se propuso a tamaño real fueron: la transferencia de oxígeno y la naturaleza del agua a tratar, debido al bajo contenido de materia orgánica por su naturaleza, razones por las cuales se estableció un diseño del proceso mediante la técnica de cargas secuenciales (SBRϒ) con sopladores. 3.2.2 Descripción del diseño propuesto. El SBR, fue el sistema aplicado experimentalmente en la investigación, su característica principal es que no tiene un afluente ni efluente constante, lo que quiere decir que en un periodo

ϒ SBR: Sequency Batch Reactor

68

determinado de tiempo existirá mezcla, aireación y decantación dentro del mismo sistema. Para poder realizar este diseño a tamaño real y garantizar un flujo continuo en las demás operaciones unitarias del sistema de tratamiento de EMAAF ESP., se decidió dividir el caudal total a tratar en seis reactores, los cuales trabajarán escalonadamente, generando un final de ciclo de tratamiento cada 4 horas, y conduciendo el agua tratada a un tanque de almacenamiento que deberá tener 1.5 veces el volumen calculado para cada uno de los reactores, desde el cual se distribuirá el agua más fácilmente al resto del proceso, ya que se tiene que dar cubrimiento al tiempo de operación de EMAAF ESP, que es de 24 horas. Cada reactor manejará el ciclo establecido en la etapa experimental del proyecto (ver cuadro 3). Fuente: El autor, 2005

Agua Llenado: equipos apagados

Aireación y mezcla: aireador y mezclador

Tiempo anóxico: solo mezclador

Sedimentación: apagado

Vaciado

Agua tratada

15 min

15 min

1 hora

5 horas 30 min

5 horas

Figura 13. Etapas del ciclo de funcionamiento del reactor

69

3.2.3 Dimensionamiento del proceso. El proceso propuesto para el tratamiento es un sistema de lodos activados en un reactor SBR, diseñado para presentar las eficiencias de remoción esperadas con la aplicación de aireación extendida, además de presentar procesos de nitrificación y desnitrificación en busca de la mayor remoción de compuesto nitrogenados posibles. Los cálculos de dicho diseño se encuentran especificados en el anexo H. A continuación se muestran las dimensiones de cada uno de los reactores:

Tabla 18. Dimensiones de cada reactor SBR a tamaño real DISEÑO UNIDADES VALOR

Caudal m3/h 36 Tiempo de retención h 12 Volumen del tanque m3 440 Altura del tanque m 8.5 Ancho del tanque m 8.63 Largo del tanque m 6 Consumo de oxígeno total Kg O2/d 140,03

Fuente: El autor, 2005 Estas dimensiones facilitan la organización de los seis reactores de forma compacta generando una figura casi cuadrada para ahorrar espacio, como se muestra en la figura 14.

70

Fuente: El Autor, 2005

Figura 14. Distribución de reactores a escala real.

71

3.3 VALORACION DE COSTOS Se realizó la evaluación analizando los costos por metro cúbico de agua tratada ($/m3) para el sistema propuesto, realizando un análisis para recuperar la inversión en un periodo de un año. Se tuvo en cuenta el crecimiento dado por la tasa de inflación del año 2005 (4.85%ϒ) obteniendo los siguientes resultadosℜ:

Tabla 19. Costo por metro cúbico de agua tratada

INVERSIÓN VALOR ACTUAL DEL EQUIPO

VALOR DEL EQUIPO A 1 AÑO

Inversión inicial Tanque en concreto $ 356.000.000 $ 373.266.000Número difusores (18) $ 2.510.000 $ 2.631.735Número sopladores (6) $ 36.000.000 $ 37.746.000Total unidad $ 394.510.000 $ 413.643.735Bomba 120 m3/h $ 14.000.000 $ 14.679.000

Operación y mantenimiento Mantenimiento y operación $ 25.800.000 $ 27.051.300Valor Total $ 434.310.000 $ 455.374.035Cantidad de agua (m3/año) 1892169$/m3 de agua $ 241$/m3 de agua + iva (16%) $ 279

El incremento en los costos de tratamiento al incluir este sistema como una operación unitaria adicional al tratamiento convencional realizado en las instalaciones de EMAAF ESP. es de $279 por metro cúbico. Este incremento resulta bajo, haciendo factible la construcción de este sistema. Se aclara que este costo no incluye algunos costos de materiales y equipos al desconocerse el la posible ubicación exacta del reactor dentro de la empresa, pero de igual forma se pone esta propuesta a consideración de la entidad interesada, en este caso EMAAF ESP., resaltando, claro esta, la eficiencia presentada en el reactor experimental y los compuestos removidos en el tratamiento propuesto. ϒ www.portafolio.com.co ℜ Ver ANEXO J. CALCULO DE COSTOS

72

3.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO. Se llevó a cabo un análisis de las posibles ventajas y desventajas que se podrían presentar al implementar el sistema biológico propuesto de lodos activados en las instalaciones de EMAAF ESP., mostrándolas a continuación:

VENTAJAS DESVENTAJAS Mejora la calidad del efluente de la planta al realizar remoción de amonio y evitando la presencia de nitratos y nitritos durante la conducción.

La extensión de terreno utilizada es considerable.

El sistema de aireación seleccionado para el tratamiento (extendida), presenta una baja producción de lodos, como se observó en el reactor Des-Nitrox, donde nunca se realizó remoción de lodos en exceso.

Existe un aumento en los consumos de energía por parte de EMMAF ESP., debido al funcionamiento de equipos las 24 horas del día.

Se trataría caudal total de agua utilizado como materia prima por EMAAF ESP.

Por ser un proceso biológico con aireación, presenta tiempos de tratamiento considerables.

El incremento del costo por metro cúbico de agua tratada hace pensar en la posibilidad de aplicación del sistema

Se necesita control del proceso las 24 horas.

Se enfocaría el tratamiento de agua potable hacia un nuevo campo de investigación, innovando con la aplicación de este tipo de tratamiento.

Las variables a controlar para garantizar condiciones óptimas para el proceso aumentarían en número y complejidad para llevar un control estricto.

Mejoraría la calidad de vida de la población al ofrecer un servicio de primera necesidad con mejores condiciones.

Encarecería el valor del servicio prestado, hecho de gran impacto al ver la naturaleza de la comunidad.

Fuente: El autor, 2005

73

4. CONCLUSIONES

Se espera que esta investigación de tratamiento biológico con lodos activados para procesos de potabilización de agua sea un ejemplo para encaminar nuevas investigaciones sobre nuevos métodos de tratamiento.

Se obtuvo una alta remoción de amonio en el sistema propuesto, que alcanzó

valores de 99%, así como la remoción de nitritos del 66,67% y nitratos 86,4% (de la concentración más elevada encontrada en el reactor) generados durante el ciclo de funcionamiento del reactor, generando un efluente con los parámetros objeto de estudio, bajo las normas vigentes para agua potable.

Al obtener el costo de la implementación del proceso de lodos activados, este

se puede tener en cuenta como presupuesto para realizar el tratamiento del agua utilizada por EMAAF ESP., adicionándole los costos de ingeniería e instalación del reactor.

La implementación del sistema de lodos activados en el tratamiento de aguas

provenientes del pozo profundo utilizado por EMAAF ESP., se deberá introducir como un proceso unitario adicional que en ningún momento reemplaza alguno de los procesos unitarios existentes.

La utilización de lodos activados en el tratamiento del agua de pozo profundo,

según se evidenció en la realización de la investigación, genera muy bajos niveles de lodo (4,6e-5 KgMLSS/d), esto debido a la escasa presencia de nutrientes, disminuyendo los costos de operación y manejo, al no tener que realizar disposición importante de los mismos.

Contrario a lo que se esperaba se presentara en un sistemas de tratamiento de

lodos activados, el lodo mostró un total acoplamiento a las características y condiciones del agua y del reactor (baja presencia de nutrientes).

Se observó que la variación de los tiempos de aireación (de 8,5 horas a 5

horas) y anóxico (de 2 horas a 5,5 horas) en el proceso del reactor, influye notablemente en la remoción de nitritos y nitratos, debido a que en estos tiempos es que se realiza la nitrificación y desnitrificación del nitrógeno, que entra al reactor como amonio.

Se observo remoción de otros compuestos tales como alcalinidad con 18,14%,

conductividad con 5,9%, DQO con 62,95% y turbiedad con 49,21%, y, aunque

74

la concentración de nitratos de salida es mayor que la concentración de entrada, al observar el comportamiento de su concentración a través del tiempo de funcionamiento de cada ciclo del reactor, se observa un importante descenso en su concentración (de 22 ppm de nitratos como concentración máxima a 3.06 ppm como concentración de nitratos en la salida, remoción del 86,4%).

No se pudo realizar comparación de las condiciones actuales del sistema de

tratamiento del EMAAF en cuanto a remoción de compuestos nitrogenados y lo propuesto en esta investigación, debido a que actualmente no se tiene ningún tipo de control específico para dichos compuestos.

75

5. RECOMENDACIONES

Al realizar una investigación de este tipo se debe realizar un análisis de la metodología investigativa a desarrollar, así como de la técnica y distribución de recursos disponibles, con el fin de encaminar todo el proceso para así obtener los resultados esperados.

Evaluar cada uno de los procesos unitarios actualmente utilizados en la planta

de tratamiento de EMAAF ESP., determinar si cumplen con los requisitos y características esperadas, y buscar posibles puntos de mejora para elevar la eficiencia del proceso.

Se recomienda implementar el tratamiento biológico con lodos activados en el

proceso de potabilización utilizado por EMAAF ESP. y en aguas similares, preferiblemente con contenidos más altos de amonio; por los altos niveles de remoción presentados y por el tipo de compuestos removidos, los cuales generan actualmente inconvenientes con la calidad del agua suministrada a la población.

Se recomienda dar continuidad a los procesos investigativos que se deriven en

nuevas técnica de tratamiento de agua en procesos de potabilización que garanticen la calidad del agua suministrada a las poblaciones de nuestro país.

Se debe establecer un estricto control de algunos parámetros (T, pH,

aireación) y de los nutrientes que entran al reactor durante la etapa de aclimatación del lodo, asimismo se debe realizar un seguimiento al reactor cada vez que se realice algún cambio en las características de operación, especialmente en el cambio de los tiempos de aireación y anóxico, pues son estos tiempos los que definen la remoción de compuesto nitrogenados presentes en el agua.

Se deberá evaluar los costos de inversión de las conducciones y

acondicionamiento del terreno para conocer el presupuesto real de toda la obra de tratamiento.

76

BIBLIOGRAFÍA • ARBOLEDA VALENCIA, Jorge. Teoría y práctica de la purificación del agua.

Bogotá D.C., Editorial ACODAL, 1993. 684 p. • BARRERA L., Gloria Judith. Estudio del reactor de fases alternadas anaerobia-

aerobia para la remoción de materia orgánica y nutrientes, nitrógeno y fósforo, ACODAL revista No. 161 de 1994, Bogotá D.C. 22 p.

• GARZÓN G., Guillermo. Química general. Mc Graw Hill. México. 1942. 472 p. • MONTGOMERY Douglas. Diseño y análisis de experimentos. Grupo Editorial

Iberoamérica. México. 1991. • ROMERO ROJAS, Jairo, Tratamiento de Aguas Residuales, Teoría y Principios

de Diseño. Escuela Colombiana de Ingenieros. Bogotá D.C. 1999. 1232 p. • http//:tierra.rediris.eshidrored.ebooks.ripda.contenidocapitulo14.htm • Memorias “Seminario Internacional sobre Métodos Naturales para el

Tratamiento de Aguas Residuales Domésticas y sus Implicaciones Ambientales y de Salud Pública”. Cartagena de Indias, Colombia.

• Memorias “Seminario Internacional Actualización y Nuevas Tendencias en

Potabilización de Aguas”. Santiago de Cali, Colombia. • HIDROSAN LTDA., Informe final sobre el problema de la nitrificación del agua

en las redes del acueducto de Funza. Bogotá D.C. 2002. 24 p. • MALDONADO, Diego y CHACON, Yara, Diseño y ensayo de un sistema

biológico y de intercambio iónico a escala para remover amonio en el agua del pozo de Corpoica Tibaitatá.

77

• SOTTON, David B., Fundamentos de Ecología. Editorial Limusa. México. 2000. 293 p.

78

ANEXOS

ANEXO A. ANÁLISIS FISICOQUÍMICO DEL AGUA DEL POZO PROFUNDO UBICADO EN EMAAF ESP.

79

80

81

ANEXO B. MARCO LEGAL A continuación se muestran las normas que aplican respecto a los parámetros evaluados en la calidad del agua potable DECRETO 475 DE 1998 Artículo 7º. Los criterios organolépticos y físicos de la calidad del agua potable son los siguientes:

CARACTERISTICAS EXPRESADAS EN VALOR ADMISIBLE Color Verdadero Unidades de Platino Coblato (UPC) ≤ 15 Olor y sabor - Aceptable Turbiedad Unidades nefelométricas de tubidez (UNT) ≤ 5 Sólidos Totales mg/L ≤ 500 Conductividad microohms/cm 50 - 1000 Sustancias Flotantes - Ausentes

Artículo 8º. Los criterios químicos de la calidad del agua potable son los siguientes: a) Criterios para elementos y compuestos químicos, diferentes a los plaguicidas y otras sustancias, que al sobrepasar los valores establecidos tienen reconocido efecto adverso en la salud humana:

CARACTERISTICAS EXPRESADAS COMO VALOR ADMISIBLE mg/L

Aluminio Al 0.2 Antimonio Sb 0.005 Arsénico As 0.01 Bario Ba 0.5 Boro B 0.3 Cadmio Cd 0.003 Cianuro libre y disociable CN- 0.05 Cianuro total CN- 0.1 Cloroformo CHCl3 0.03 Cobre Cu 1.0 Cromo Hexavalente Cr+6 0.01 Fenoles totales Fenol 0.001 Mercurio Hg 0.001 Molibdeno Mo 0.07 Níquel Ni 0.02 Nitritos NO2 0.1 Nitratos NO3 10 Plata Ag 0.01 Plomo Pb 0.01 Selenio Se 0.01

82

Sustancias activas al azul de metileno

ABS 0.5

Grasas y aceites – Ausentes Trihalometanos Totales THMs 0.1

b) Criterios de calidad química para características con implicaciones de tipo económico o acción indirecta sobre la salud.

CARACTERISTICAS EXPRESADAS COMO VALOR ADMISIBLE mg/L

Calcio Ca 60 Acidez CaCO3 50 Hidróxidos CaCO3 <LD Alcalinidad Total CaCO 100 Cloruros Cl -250 Dureza Total CaCO3 160 Hierro Total Fe 0.3 Magnesio Mg 36 Manganeso Mn 0.1 Sulfatos SO4

-2 250 Zinc Zn 5 Fluoruros F 1.2 Fosfatos PO4

-3 0.2 Artículo 36. Criterios de calidad organolépticas y físicas del agua segura son las siguientes:

CARACTERÍSTICAS EXPRESADAS EN VALOR ADMISIBLE Color Verdadero Unidades de Platino Cobalto (UPC) <25 Olor y Sabor – Aceptable Turbiedad Unidades Nefelométricas de turbidez

(UNT) ≤5

Sólidos Totales mg/L <1000 Conductividad microsiemens/cm ≤1500 Sustancias Flotantes – Aceptable

Artículo 37. Criterios de calidad química del agua segura son las siguientes: a) Normas para elementos y sustancias químicas:

CARACTERÍSTICAS EXPRESADAS COMO VALOR ADMISIBLE mg/L Aluminio Al 2.0 Antimonio Sb 0.02 Arsénico As 0.05 Bario Ba 1.0 Boro B 1.0 Cadmio Cd 0.005 Cianuro libre y disociable CN- 0.1

83

Cianuro total CN- 0.2 Cloroformo CHCl3 0.7 Cromo Hexavalente Cr+6 0.025 Cobre Cu 2.0 Fenoles totales Fenol 0.01 Mercurio Hg 0.002 Molibdeno Mo 0.2 Níquel Ni 0.1 Nitritos NO2

- 1.0 Nitratos NO3

- 10 Plata Ag 0.05 Plomo Pb 0.02 Selenio Se 0.015 Sustancias activas al azul de metileno

ABS 0.7

Grasas y Aceites mg/L Ausente Trihalometanos Totales THMs ≤1.0

b) Criterios de calidad química para agua segura:

CARACTERÍSTICAS EXPRESADAS COMO VALOR ADMISIBLE mg/L Calcio Ca 100 Acidez CaCO3 60 Hidróxidos CaCO <LD. Alcalinidad Total CaCO 120 Cloruros Cl- 300 Dureza Total CaCO3 180 Hierro Total Fe 0.5 Magnesio Mg 60 Manganeso Mn 0.15 Sulfatos SO4

-2 350 Zinc Zn 10 Fluoruros F- 1.7 Fosfatos PO4

-3 0.4 DECRETO 1594 DE 1984 Artículo 38: Los criterios de calidad admisibles para la destinación del recurso para consumo humano y doméstico son los que se relacionan a continuación, e indican que para su potabilización se requiere solamente tratamiento convencional:

Referencia Expresado como Valor Amoníaco N 1.0 Arsénico As 0.05 Bario Ba 1.0 Cadmio Cd 0.01 Cianuro CN- 0.2

84

Cinc Zn 15.0 Cloruros - Cl 250.0 Cobre Cu 1.0 Color Color real 75 unidades, escala

platino - -- -cobalto Compuestos fenólicos

Fenol

0.002

Cromo Cr + 6 0.05 Difenil policlorados

Concentración de agente activo

No detectable

Mercurio Hg 0.002 Nitratos N 10.0 Nitritos N 1.0 pH Unidades 5.0- 9.0 unidades Plata Ag 0.05 Plomo Pb 0.05 Selenio Se 0.01 Sulfatos SO=4 400.0 Tensoactivos Sustancias activas

al azul de metileno 0.5

Coliformes totales

NMP 20.000 microorganismos/100 ml.

Coliformes fecales

NMP 20.000 microorganismos/100 ml

Parágrafo 1: La condición de valor "no detectable" se entenderá que es la establecida por el método aprobado por el Ministerio de Salud. Parágrafo 2: No se aceptará película visible de grasas y aceites flotantes, materiales flotantes, radioisótopos y otros no removibles por tratamiento convencional que puedan afectar la salud humana. Artículo 39: Los criterios de calidad admisibles para la destinación del recurso para consumo humano y doméstico son los que se relacionan a continuación, e indican que para su potabilización se requiere solo desinfección:

Referencia

Expresado como

Valor

Amoníaco N 1.0 Arsénico As 0.05 Bario Ba 1.0 Cadmio Cd 0.01 Cianuro CN- 0.2 Cinc Zn 15.0 Cloruros - Cl 250.0 Cobre Cu 1.0

85

Color Color Real 20 unidades, escala Platino - cobalto

Compuestos fenólicos

Fenol 0.002

Cromo Cr + 6 0.05 Difenil policlorados

Concentración de agente activo

No detectable

Mercurio Hg 0.002 Nitratos N 10.0 Nitritos N 1.0 pH

Unidades 6.5 - 8.5 unidades

Plata Ag 0.05 Plomo Pb 0.05 Selenio

Se 0.01

Sulfatos SO= 4 400.0 Tensoactivos Sustancias activas al

azul de metileno 0.5

Turbiedad UJT 10 unidades Jackson de turbiedad,

Coliformes totales NMP 1.000 microorganismos100ml

Parágrafo: No se aceptará película visible de grasas y aceites flotantes, materiales flotantes provenientes de actividad humana, radioisótopos y otros no removibles por desinfección, que puedan afectar la salud humana.

86

ANEXO C. CALCULOS DEL DISEÑO EXPERIMENTAL DE LODOS ACTIVADOS

PLANTA MODELO Dimensiones del reactor:

Largo: 30 cm = 0.3 m Ancho: 23 cm = 0.23 m Profundidad: 13 cm = 0.13 m

Área: A = 0.3m * 0.23m = 0.069m2 Volumen: V = 0.069m2 * 0.13m = 0.009m3 Tiempo de aireación teórica = 8 h. Se toma este valor como dato teórico para arrancar la planta, sin embargo esta es una variable que se modificará durante la experimentación del diseño. Duración teórica del ciclo = 12 h. Se ha tomado este tiempo de acuerdo a experiencias realizadas para la duración de todo el ciclo de funcionamiento del reactor, comenzando en el momento que entra el afluente hasta el momento que sale el efluente. Caudal:

Carga de DBO: Así,

hm

hmQ

33

00075.012009.0

==

87

Donde: F: concentración DBO, mg/L Q: caudal en m3/h B: carga en Kg/d Al reemplazar,

Carga de Nitrógeno: Así,

Donde: F: concentración N, mg/L Q: caudal en m3/h B: carga en Kg/d Al reemplazar,

Carga de Fósforo: Así,

Bdh

mL

mgekgQF =∗∗∗∗

124

11000

11

36

dkg

dh

mL

mgekg

hm

Lmg 000063,0

124

11000

1100075,05,3 36

3=∗∗∗∗

Bdh

mL

mgekgQF =∗∗∗∗

124

11000

11

36

dkg

dh

mL

mgekg

hm

Lmg 0001566,0

124

11000

1100075,07,8 36

3=∗∗∗∗

88

Donde: F: concentración P, mg/L Q: caudal en m3/h B: carga en Kg/d Al reemplazar,

Se determina el peso seco de lodos, de la siguiente forma:

Donde: L: carga contaminante en Kg/d Ls: carga másica en Kg DBO/Kg MLSS-d (valor asumido inicialmente) WL: peso seco de lodos en Kg. Reemplazando en la ecuación se obtiene:

La producción de lodos (PL) se halla por medio de la siguiente ecuación empírica:

Donde Ls: carga másica Eb: eficiencia de remoción L: carga entrante al reactor

Bdh

mL

mgekgQF =∗∗∗∗

124

11000

11

36

dkg

dh

mL

mgekg

hm

Lmg 000045,0

124

11000

1100075,05.2 36

3=∗∗∗∗

WLlsl

=

KgedKgMLSS

KgDBOd

KgDBOlodosdeopeso 46585.3

164.0

00006.0__sec_ −=

−

=

LEbLsPl ×××=100

)(2.1 23.0

89

Así, la producción de lodos determinada será:

El peso de sólidos en el agua se asume de 2% (%P=PS) y por lo tanto el peso del agua será de 98% (%V=PA), para un total del 100%. Con los datos anteriores se puede calcular la densidad de lodos (DL) a razón del peso sobre volumen, de la siguiente manera:

Donde,

Conociendo la producción de lodos (PL) y su densidad, se puede calcular el volumen que ocuparan (VL) de la siguiente manera:

El siguiente parámetro a tener en cuenta es la edad del lodo, el cual describe el tiempo de residencia del lodo en el sistema de tratamiento. Este es el tiempo requerido por los microorganismos para asimilar el sustrato y reproducirse. Para la determinación de este parámetro de debe conocer el peso de los lodos y la producción de los mismos, así:

Tipo de aireación

dKgMLSSed

KgDBOdKgLMSS

KgDBOPl 523.0 6555.400006.010098)164.0(2.1 −=××−×=

1000100

×=PSDL

3201000100

2m

KgDL =×=

dMLSSme

mKg

dKgMLSSe

DLPLVL −=== −

−36

3

5

327.320

6555.4

dd

KgLMSSe

KgePLWLLe 9.7

6555.4

6585.35

4

===−

−

90

El oxígeno necesario para oxigenar el reactor se calculó bajo la modalidad de aireación extendida, por presentar mayor eficiencia, para esto los parámetros se deben encontrar dentro de los siguientes valores:

PROCESO Carga Orgánica

Kg DBO/Kg LMSS-d

Tiempo Retención

horas

Edad lodo días

Carga Volumétrica

Kg DBO/m3-d

LMSSKg/m3

Aireación Extendida 0.005-0.25 >18 12-30 <0.4 3-6

Uno de los parámetros a tener en cuenta para la utilización de la aireación extendida, es la carga volumétrica (CV), dada por la relación entre carga entrante al reactor (L) y el volumen del mismo (VT). Teniendo en cuenta lo anterior, la carga volumétrica será:

Consumo de Oxígeno Durante el tratamiento propuesto de lodos activados, se presencia una serie de procesos metabólicos y de asimilación de compuestos, empezando con la generación de nuevo material celular (producción de biomasa) y respiración del sustrato. Este primer proceso es importante debido a que en un tratamiento aerobio se debe garantizar una concentración suficiente de oxígeno disuelto para llevar a cabo la degradación de la materia orgánica. La ecuación característica del proceso es:

8(CH2O)+NH3+3O2 C5H7NO2+3CO2+6H2O+E

La ecuación utilizada para calcular el consumo de oxígeno necesario para la respiración del sustrato (Rs) es:

dmKgDBOe

md

KgDBO

VTLCV

−=== −

33

3 667.6009.0

00006.0

dKgOed

KgDBOKgDBO

KgORs

LEaRs

252 94.200006..098.05.0

100−=××=

××=

91

Donde, a= 0.5 Kg O2/Kg DBO, requerido para oxidar el carbón orgánico L= carga que ingresa al tanque de aireación Kg DBO/d El segundo proceso que se presenta es la auto oxidación del material celular para abastecer a microorganismos vivos y realizar la respiración endógena. Este proceso se representa por la siguiente ecuación:

C5H7NO2+502 5CO2+NH3+2H2O+E

La ecuación que permite conocer el consumo de oxígeno de este proceso es:

Donde, Kre= tasa de respiración endógena M= SSLM VT= volumen del reactor El valor de Kre (tasa de respiración endogena, que depende de la carga de lodos) se obtiene por la relación con Ls, expresada de la siguiente manera:

Ls Kre Kg O2/Kg MLSS-d

<0.1 0.1 0.2 0.12 0.3 0.13 0.5 0.14

>1.0 0.15-2.0 De acuerdo con la tabla y el valor de Ls= 0.164 Kg DBO/Kg LMSS-d, el valor a utilizar de Kre será igual a 0.12 Kg O2/Kg MLSS-d. Reemplazando en la ecuación, se obtiene:

El tercer proceso de consumo de oxígeno lo realiza la estabilización completa y reducción de nitrógeno. Es en este proceso que se produce la nitrificación bajo condiciones ambientales adecuadas, y se expresa por medio de la siguiente ecuación:

VTMKre ××=Re

dKgOemm

KgdKgMLSS

KgO 2533

2 428.4009.0041.012.0Re −=××−=

92

NH4

++2O2 NO3-+2H++H2O

Para determinar la relación de oxígeno por cantidad de nitrógeno se debe utilizar la siguiente ecuación:

Donde, Nlex= nitrógeno en lodo en exceso Lnox= carga de nitrógeno que se va a oxidar De esta manera se obtiene:

El consumo total de oxígeno del reactor será entonces:

Cálculo de los sopladores Para determinar los sopladores se debe tener en cuenta los siguientes aspectos: La profundidad de los difusores, Di = 0.13m La concentración de oxígeno en el aire, Ca = 0.28 Kg O2/m3

LnoxRnNlexCnLnox

×=−=

57.4

dKgOed

KgORn

dKgO

dKgLnox

Nlex

242

2

1566.70001655.057.4

0001566.000001566.0

0

−=×=

=−=

=

hKgOe

hd

KgOeCOT

dKgOeeeeCOT

RnRsCOT

2524

24455

287.324

89.7

89.71566.7428.494.2

Re

−

−

−−−−

==

=++=

++=

93

Se calcula la tasa de absorción específica de la siguiente manera:

Ahora, se determina la tasa de absorción así:

Para determinar el valor de saturación de oxígeno disuelto (Cs), se tuvieron en cuenta la temperatura del agua de 15oC y la concentración de cloruros de 0, obteniendo un valor de oxígeno disuelto de 10.15 mg/L, ver Tratamiento de Aguas Residuales, Jairo Romero, Tabla C, página 1029. Se tiene una presión barométrica de 560 mmHG y una presión de vapor del agua a esa temperatura de 1.7 Kpa (equivalentes a 12.75 mmHg), ver Tratamiento de Aguas Residuales, Jairo Romero, Apéndices, página 1028. La ecuación utilizada para el cálculo de la concentración de saturación es:

Donde, OD= oxígeno disuelto en el agua P= presión barométrica p= presión de vapor a la temperatura del agua Reemplazando con los datos para el reactor:

Se debe mantener una concentración mínima de oxígeno residual (Cr) de 2.0 mg/L. Para determinar la cantidad real de oxígeno requerido, se utiliza la siguiente fórmula:

%572.0

72.513.0100

4.4100

4.4 3

=′

=×=×=′ −

n

emDin

%0744.013.0%572.0 =×=×′=

nDinn

ppPODCs

−−

×=760

Lmg

mmHgmmHgmmHgmmHg

LmgCs 43.7

75.1276075.1256015.10 =

−−

×=

94

Reemplazando los datos,

La tasa de transferencia de O2 en campo (TTC) está dado en unidades de lb O2/HP-h, y se determina teniendo en cuenta el sitio exacto en el cual se instalará la operación unitaria, ya que comprende todos los parámetros corregidos y la tasa de transferencia del agua limpia (TTAL), que por lo general se asume como 3.5 lb O2/HP-h a condiciones normales de la zona. Este valor se puede hallar de la siguiente manera:

Obteniendo así:

( )( )20024.1

2.9−×

−××= T

CrCsL

mgCOTOCR

βα

( ) hKgOe

Lmg

Lmg

hKgOe

OCR 24)2015(25

344.1024.1243.792.0

2.9

4.0

287.3−−

−

=×−×

×=

( ){ } ( )

LmgCrCsTTALTTC

T

2.9

024.1 20 αβ ××−××=

−

( )

hHPlbO

Lmg

Lmg

Lmg

hHPlbO

TTC −=××

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ −⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛ ××−

=

−

2

20152

65357.02.9

4.0024.10.292.043.75.3

95

ANEXO D. CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LODOS INOCULADOS

Para poder agilizar el proceso de maduración del licor mezclado, se inoculó el reactor con lodo proveniente de la planta de tratamiento de Carulla Vivero S.A. Planta Montevideo. Este porcentaje de lodo inoculado se asume como el 15% del volumen efectivo, debido a que se desconocía el valor de la concentración de licor mezclado del reactor. A continuación se determinará el volumen de inoculo introducido al reactor: Se determina el peso de los lodos:

Donde: SSLM: concentración de sólidos suspendidos de licor mezclado, 2406 mg/L (promedio mediciones tomadas, ver anexo ) V: volumen del reactor, 9L Se determina volumen de lodos en base seca:

Donde: Pl: peso de lodo en base seca ρ: densidad del lodo, 1017 gr/L Se determina el volumen de lodo en base húmeda

mgLLmgPl

VSSLMPl

2165492406 =×=

×=

LLmg

mgVs

PlVs

0213.01017000

21654==

=δ

96

Donde: %h: factor para lodos en base húmeda Ahora se calcula el porcentaje real de lodos inoculados en el reactor:

LLVs

hVsVh

06.102.0

0213.0%

==

=

%8.119

%10006.1%

%100%

=×

=

×=

LLli

VVhli

97

ANEXO E. ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICO DEL REACTOR

Los análisis enunciados a continuación fueron realizados en las instalaciones del Laboratorio de Ingeniería Ambiental de la Universidad de La Salle, aplicando las siguientes metodologías:

PARÁMETROS MÉTODO Alcalinidad mg/L Titulación según Standard Methods Amonio mg/L Espectrofotómetro Color Unidades PtCo Disco color cuallitativo Conductividad microS/cm Conductímetro Fósforo mg/L Espectrofotómetro Nitratos mg/L Espectrofotómetro Nitritos mg/L Espectrofotómetro Nitrogeno mg/L Espectrofotómetro pH Unidades pH-metro

DQO mg/L Digestión y titulación según Estándar Methods

DBO mg/L Turbiedad NTU Turbidímetro Los análisis se realizaron en los siguientes puntos:

• Agua de entrada al reactor: se analizó durante 2 meses con una frecuencia de dos veces por semana para así tener una caracterización representativa de las condiciones de salida del agua del pozo. Las fechas en las cuales se realizó fueron del 24 de enero al 22 de marzo de 2005.

• Agua de salida del reactor: se analizó durante 2 meses con una frecuencia de dos veces por semana para así tener una caracterización representativa de las condiciones de salida del agua del pozo. Las fechas en las cuales se realizó fueron del 24 de enero al 22 de marzo de 2005. En este periodo ya se encontraba totalmente estabilizado el reactor para realizar el muestreo de forma continua.

• Agua en el reactor: se analizó durante 15 días consecutivos con el fin de observar el comportamiento de parámetros como temperatura, amonio, nitratos, nitritos, IVL. Se realizaron entre el 19 de febrero al 5 de marzo de 2005.

Los resultados se encuentran consignados a continuación:

98

Tabla 1. Caracterización agua de entrada al reactor MEDIDAS PARÁMETROS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 PromedioALCALINIDAD

mg/L 265 260 261 258 259 260 254 262 267 261 258 263 261 260 271 261,3

AMONIO mg/L 8 7,4 7,9 8 7,5 7,5 8 8 7,7 8 7,4 7,5 7,5 8 7,5 7,7

COLOR Unidades PtCo 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,0

CONDUCTIVIDAD microS/cm 0,52 0,49 0,53 0,52 0,53 0,51 0,54 0,48 0,49 0,52 0,51 0,5 0,52 0,49 0,53 0,51

FOSFORO mg/L 2,8 2,6 2,2 2,7 2,3 2,5 2,5 2,5 2,6 2,3 2,4 2,7 2,5 2,8 2,5 2,5

NITRATOS mg/L 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,0

NITRITOS mg/L 0,003 0,004 0,002 0,004 0,003 0,002 0,005 0,004 0,003 0,002 0,005 0,003 0,005 0,003 0,002 0,003

NITROGENO mg/L 8,7 8,9 9,1 9 8,5 8,8 8,9 8,6 8,9 9 8,5 8,4 8,5 8,7 8,7 8,7

PH unidades 7,1 7,4 7,2 7 7 7,3 7 7,1 7,3 7 7,2 7 7 7 7,1 7,1

DQO mg/L 32 30 32 31 28 27 33 31 32 30 30 32 30 31 29 30,5

DBO mg/L 3,3 3,7 3,4 3,6 3.5 3.5 3 3,7 3,4 3,4 3,5 3,7 3,5 3,5 3,5 3,5

TURBIEDAD NTU 5,29 5,1 6,5 7,2 8,1 6,2 6,3 5,9 5,4 7 6,9 5,8 5,3 7,1 6,7 6,3

Fuente: El autor

99

Tabla 2. Análisis realizados en el reactor

DIA 1 HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%)

0 1 0,003 7,5 12,3 1 10 0,07 5 21 2 15 0,05 2 23 3 20 0,03 0,2 23,4 4 20 0,02 0,1 23 5 20 0,04 0,1 23,2 6 20 0,04 0,1 24 7 20 0,02 0,1 24 8 15 0,04 0,1 24 9 15 0,02 0,1 24 10 10 0,03 0,1 24 11 7 0,02 0,1 23,4 19,712 2500 3,5 0,001 0,1

DIA 2

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,002 7,7 11,8 1 8 0,08 6 20 2 14 0,06 3 22 3 18 0,04 0,5 22 4 20 0,02 0,2 22 5 20 0,04 0,1 23 6 20 0,03 0,1 23,5 7 17 0,02 0,1 24 8 15 0,03 0,1 24 9 14 0,02 0,1 23,7 10 11 0,04 0,1 23,5 11 8 0,01 0,1 23,5 1812 2280 3,5 0,001 0,1

DIA 3

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,005 8 12 1 11 0,08 5 19,6 2 16 0,06 3 21 3 20 0,04 0,4 21,9 4 20 0,02 0,2 22 5 20 0,04 0,1 22

100

6 19 0,03 0,1 22 7 16 0,02 0,1 23 8 14 0,03 0,1 23,3 9 12 0,02 0,1 23,5 10 11 0,04 0,1 23 11 7 0,01 0,1 23 2012 2350 4 0,001 0,1

DIA 4 HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%)

0 1 0,002 8 13 1 10 0,08 6 21 2 14 0,06 3 21 3 19 0,04 0,4 21 4 21 0,02 0,2 22 5 20 0,04 0,1 22,4 6 19 0,03 0,1 23 7 17 0,02 0,1 23 8 14 0,03 0,1 23 9 12 0,02 0,1 23 10 10 0,04 0,1 23 11 6 0,01 0,1 23 2312 2250 3 0,001 0,1

DIA 5

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,002 7,5 10 1 9 0,08 4,5 19 2 12 0,06 2 21 3 16 0,04 0,3 21,4 4 19 0,02 0,2 22 5 20 0,04 0,1 22 6 20 0,03 0,1 22,3 7 20 0,02 0,1 22,7 8 17 0,03 0,1 23 9 13 0,02 0,1 23 10 9 0,04 0,1 22,5 11 6 0,01 0,1 22,8 1712 2430 3,5 0,001 0,1

DIA 6

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,005 8 13

101

1 11 0,08 5 20,4 2 16 0,06 3 21 3 20 0,04 0,4 21 4 20 0,02 0,2 21 5 20 0,04 0,1 21,4 6 19 0,03 0,1 22 7 16 0,02 0,1 22 8 14 0,03 0,1 23 9 12 0,02 0,1 22,7 10 11 0,04 0,1 23 11 7 0,01 0,1 23 19,812 2310 4 0,001 0,1

DIA 7

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,005 7,4 12 1 11 0,08 6 19 2 16 0,06 4 20 3 20 0,04 0,5 21 4 20 0,02 0,2 21 5 20 0,04 0,1 22 6 19 0,03 0,1 22 7 16 0,02 0,1 22 8 14 0,03 0,1 22 9 12 0,02 0,1 22 10 11 0,04 0,1 22 11 7 0,01 0,1 22 18,912 2240 4 0,001 0,1

DIA 8

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,002 8 11 1 10 0,08 6 18 2 14 0,06 3 19 3 19 0,04 0,4 20,3 4 21 0,02 0,2 21 5 20 0,04 0,1 21 6 19 0,03 0,1 21 7 17 0,02 0,1 22 8 14 0,03 0,1 21,8 9 12 0,02 0,1 22

102

10 10 0,04 0,1 22 11 6 0,01 0,1 23 21,112 2370 3 0,001 0,1

DIA 9

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,004 7,5 11,8 1 9 0,08 6 20,1 2 14 0,05 3 20,8 3 19 0,03 0,2 21 4 19 0,02 0,1 21 5 19 0,04 0,1 21 6 18 0,03 0,1 21,6 7 18 0,02 0,1 22 8 15 0,04 0,1 22 9 14 0,02 0,1 23 10 10 0,03 0,1 23 11 6 0,01 0,1 23 22,312 2150 3,5 0,001 0,1

DIA 10 HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%)

0 1 0,004 8 12 1 10 0,08 6 19 2 14 0,06 3 20 3 18 0,05 0,4 20 4 19 0,03 0,2 21 5 20 0,04 0,1 21 6 20 0,03 0,1 22 7 19 0,01 0,1 22 8 15 0,03 0,1 22 9 14 0,02 0,1 23 10 10 0,04 0,1 23 11 7 0,01 0,1 23 18,112 2540 3,5 0,001 0,1

DIA 11

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,003 7,4 11 1 8 0,07 5,5 18 2 12 0,06 3 19,4

103

3 17 0,04 0,3 20,2 4 20 0,03 0,2 21 5 20 0,04 0,1 21 6 20 0,02 0,1 21 7 19 0,02 0,1 22 8 15 0,03 0,1 22 9 14 0,02 0,1 23 10 11 0,03 0,1 23 11 7 0,01 0,1 23 19,612 2560 3 0,001 0,1

DIA 12

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,004 7,5 12 1 8 0,08 4 19 2 14 0,06 2,5 20 3 18 0,04 0,3 20,5 4 20 0,02 0,2 20,9 5 20 0,04 0,1 2121 6 20 0,03 0,1 21,8 7 18 0,02 0,1 22 8 16 0,03 0,1 22,4 9 14 0,02 0,1 23 10 12 0,04 0,1 23 11 8 0,01 0,1 23 19,512 2480 4 0,001 0,1

DIA 13

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,003 8 11 1 10 0,08 4,5 18 2 14 0,06 2 19,3 3 19 0,04 0,3 20,2 4 20 0,02 0,2 20,9 5 20 0,04 0,1 21 6 20 0,03 0,1 21 7 18 0,02 0,1 21 8 15 0,03 0,1 22 9 13 0,02 0,1 23 10 10 0,04 0,1 23 11 7 0,01 0,1 22,9 18,612 2530 3,5 0,001 0,1

104

DIA 14

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,003 7,5 13 1 8 0,07 5,5 20,3 2 12 0,06 3 21 3 17 0,04 0,3 21 4 20 0,03 0,2 22 5 20 0,04 0,1 22 6 20 0,02 0,1 23 7 19 0,02 0,1 23,3 8 15 0,03 0,1 23,6 9 14 0,02 0,1 24 10 11 0,03 0,1 24 11 7 0,01 0,1 24 20,412 2490 3 0,001 0,1

DIA 15

HORA SSLM NITRATOS NITRITOS AMONIO TEMP. IVL (%) 0 1 0,003 7,9 11,7 1 8 0,07 5,7 19,8 2 12 0,06 4,2 21 3 17 0,04 0,3 21 4 20 0,03 0,2 21 5 20 0,04 0,1 22 6 20 0,02 0,1 22 7 19 0,02 0,1 23 8 15 0,03 0,1 23 9 14 0,02 0,1 23 10 11 0,03 0,1 23 11 7 0,01 0,1 23,5 19,612 2610 3 0,001 0,1

105

Tabla 3. Caracterización agua salida del reactor durante dos meses #

MUESTRA AMONIO NITRATOS NITRITOS pH TURBIEDAD ALCALINIDAD1 0,01 3,4 0,04 7,4 4,8 2172 0,01 3,2 0,06 7,9 4,4 2153 0,01 3 0 7,5 4,7 2124 0,01 3,1 0,006 7,8 4,2 2185 0,01 3,1 0 7,4 4,5 2106 0,01 3,4 0 7,6 4,9 2157 0,02 3,2 0,011 8 4,8 2058 0,01 3,1 0,006 7,8 4,6 2099 0,01 3,3 0,003 7,8 5,3 208

10 0,01 3,4 0,002 7,9 5 21011 0,01 3,3 0,001 7,6 4,2 20912 0,01 3,2 0,003 7,5 4,4 21213 0,01 2,7 0,003 8 3,3 20514 0,01 2,9 0,005 8,1 3,4 20715 0,01 2,7 0,002 8 4,2 22016 0,01 2,9 0,003 7,9 4,3 21517 0,01 2,9 0,001 7,7 4,3 21718 0,01 3 0,003 7,8 4,5 21919 0,01 3,1 0,001 7,8 4 21620 0,01 3 0,001 7,6 3,9 21321 0,01 3,2 0 7,7 4,3 21822 0,01 3,3 0 7,8 4,4 21723 0,01 3,7 0 7,7 2,6 20924 0,01 3,6 0 7,9 2,5 20425 0,01 3,3 0,001 7,8 4,6 21626 0,01 3,4 0,001 7,6 4,5 21027 0,01 3 0 7,9 3,9 20928 0,01 3 0 8 4 21029 0,01 3,1 0,001 7,7 3,1 21530 0,01 3,1 0,002 7,8 3 21431 0,01 4,1 0,003 7,6 3,5 21632 0,01 4 0,002 7,7 3,6 21833 0,01 3,5 0,001 7,9 3,8 21934 0,01 3,7 0,003 7,8 4,2 20535 0,01 3,9 0,003 7,6 3,9 20836 0,01 4,1 0,005 8 3,8 21737 0,01 3,3 0,003 8,1 4,6 20738 0,01 3,5 0,002 7,4 4,3 20939 0,01 3,2 0,001 7,6 4,1 205

106

40 0,01 3,9 0,002 7,7 4,5 20941 0,01 3,7 0,001 7,5 4,2 21842 0,01 3,8 0,003 7,8 4,7 21643 0,01 3,4 0,003 7,8 3,9 21344 0,01 3,2 0,005 7,9 3,6 21245 0,01 3,3 0,002 7,6 3,8 21146 0,01 3,6 0,003 7,4 3,9 21447 0,01 4,1 0,001 7,9 4,1 21948 0,01 3,1 0,003 7,6 4,2 21649 0,01 3 0,001 7,7 4,6 21450 0,01 2,9 0,002 7,8 4,8 21251 0,01 2,8 0,001 7,9 4,3 21852 0,01 3 0 7,9 3,9 21553 0,01 3,5 0 7,6 3,7 20554 0,01 3,4 0,004 7,9 3,8 20855 0,01 3,6 0,002 7,5 3,5 20356 0,01 3,8 0,003 7,8 4,1 20657 0,01 3,3 0 7,9 4,3 20958 0,01 3,1 0,001 7,6 3,9 20759 0,01 3,3 0,002 7,4 4,5 21460 0,01 3,2 0,001 7,8 4,2 212

107

Tabla 4. Caracterización agua de salida del reactor durante 15 días MEDIDAS PARÁMETROS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 PromedioALCALINIDAD

mg/L 220 215 217 219 216 213 218 217 209 204 216 210 209 210 215 213,9

AMONIO mg/L 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

COLOR Unidades PtCo 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,0

CONDUCTIVIDAD microS/cm 0,49 0,48 0,5 0,49 0,47 0,49 0,48 0,47 0,47 0,49 0,5 0,49 0,47 0,48 0,49 0,48

FOSFORO mg/L 1,2 1,1 1,4 1,3 1 1 1,4 1,2 0,9 1,1 0,9 0,9 1,3 1,2 1,3 1,15

NITRATOS mg/L 3,2 3,1 3,3 3,4 3,3 3,2 2,7 2,9 2,7 2,9 2,9 3 3,1 3 3,2 3,06

NITRITOS mg/L 0,001 0,001 0 0 0 0 0,001 0,001 0 0 0,001 0,002 0,002 0,003 0,001 0,001

NITROGENO mg/L 4,5 4,2 4,1 4,8 4,6 4,5 4,2 4,2 4,3 4,7 4,3 4,2 4,1 4,3 4,5 4,4

PH unidades 6 7 7,4 7,9 6,6 6,9 7,4 7,2 7,4 7,9 6,7 7,3 7,9 7,9 7,8 7,3

DQO mg/L 8,7 9 12,4 11,4 10,6 10,7 12,3 12,1 10,7 11,3 11,2 11,7 11,9 13 12 11,3

DBO mg/L 87 94 63 118 -∂ - - - - - - - - - - -

TURBIEDAD NTU 2,9 3,4 3,4 3,8 3,1 3 3 2,8 2,9 3,6 3,8 3,1 3,2 3 3 3,2

Fuente: El autor

∂ En el momento de realizados los análisis, no se tubo disponibilidad de un equipo que arrojara resultados fiables. Se evidenció una inconsistencia en los datos, sustentados en la poca confiabilidad del método que se estaba utilizando(Método Winckler).

108

ANEXO F. DETERMINACIÓN DEL KLA

KLA DE AGUA LIMPIA Se determinó un volumen de agua para realizar la prueba V= 3L Se realizó medición de temperatura y OD del agua t= 16oC OD= 5.4 mg/L Se desoxigenó el agua con sulfito de sodio23, teóricamente se aplican 12 mg/L de sulfito de sodio por 1 mg/L de OD para asegurar la desoxigenación completa.

como catalizador de la reacción se utiliza cloruro de cobalto, a una tasa no mayor de 0.05 mg/L, entonces:

A continuación se comprobó la concentración de oxígeno, que debería ser cero. Para este experimento se registro un valor inferior de Co= 0.04 mg/L. Se pone en marcha el sistema de aireación del reactor hasta el tiempo t en el cual el valor del OD es constante. Este es el valor de saturación. Una vez definidos los intervalos de medición de OD a lo largo del experimento, se tabularon, como se muestra a continuación:

23 ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales. Enero 2000. Bogotá, Escuela colombiana de Ingeniería, junio 2001.

mgLLmgSulfito 4.19434.512 =××=

mgLLmgCLoruro 15.0305.0 =×=

109

Tabla 1. OD según tiempo de aireación

TIEMPO min

OD mg/L

0 0.04 2 1.18 10 2.83 15 4.21 20 4.8 25 5.23 30 5.31 35 5.42 40 5.52 45 5.65 50 5.7 55 5.74 60 5.74

Se determinó el déficit de OD para el tiempo de aireación:

Tabla 2. Datos determinación Kla TIEMPO Cs-C

min mg/L (Cs-Co)/(Cs-

C) LOG (Cs-

C) LOG (Cs-Co)/(Cs-

C) 0 7,13 1,00 0,85 0,00 5 5,99 1,19 0,78 0,08

10 4,34 1,64 0,64 0,22 15 2,96 2,41 0,47 0,38 20 2,37 3,01 0,37 0,48 25 1,94 3,68 0,29 0,57 30 1,86 3,83 0,27 0,58 35 1,75 4,07 0,24 0,61 40 1,65 4,32 0,22 0,64 45 1,52 4,69 0,18 0,67 50 1,47 4,85 0,17 0,69 55 1,43 4,99 0,16 0,70 60 1,43 4,99 0,16 0,70

LmgmmHgCs

PCsCs

17.776056074.9

760760

=×=

×=

110

Donde: Cs: coeficiente de saturación a la temperatura y presión del experimento C: concentración de OD en el experimento Co: concentración inicial de OD Se grafica LOG (Cs-C) Vs. T para determinar el valor de Kla.

Se determina Kla así:

Se reemplazó el t= 25 min. Y su valor de LOG (Cs-C)= 0.29, ver gráfica anterior y tabla 2.

LOG (Cs-C) Vs. t

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

0 10 20 30 40 50 60 70

Tiempo (min)

LOG

(Cs-

C) (

mg/

L)

11.36094.1

04.017.725

3.2

3.2

−=×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

×=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

×=

hLOGKla

CCsCoCsLOG

tKla

111

Se realiza la gráfica de LOG(Cs-Co)/(Cs-C) Vs. t para determinar el valor de Kla,

Se determina Kla:

Se tomo t1= 20 min. Y su respectivo valor de LOG(Cs-Co)/(Cs-C)= 0.48, y t2= 10 min. Con un valor de LOG(Cs-Co)/(Cs-C)= 0.22, teniendo Δ t= 10 min. KLA DEL AGUA DEL POZO PROFUNDO Se mantuvo el volumen anterior para esta prueba, 3L Se realizó medición de temperatura y OD del agua del pozo

LOG(Cs-Co)/(Cs-C) Vs. t

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0 10 20 30 40 50 60 70

TIEMPO (min)

LOG

(Cs-

Co)

/(Cs-

C)

1

22

5.3603.210

22.048.0

3.2

−=××−

=

×Δ−

=

hKla

tttKla

112

t= 16,8 oC OD= 3,21 mg/L Se realiza desoxigenación del agua de pozo con sulfito de sodio, a razón de 12 mg/L de sulfito de sodio por 1 mg/L de OD para asegurar la desoxigenación completa.

mgLLmgSulfito 4.194321.312 =××=

como catalizador de la reacción se utiliza cloruro de cobalto, a una tasa no mayor de 0.05 mg/L, entonces:

A continuación se comprueba la concentración de oxígeno, que debería ser cero. Para este experimento se registro un valor inferior de Co= 0.05 mg/L.

Se pone en marcha el sistema de aireación del reactor hasta el tiempo t en el cual el valor del OD es constante. Este es el valor de saturación. Una vez definidos los intervalos de medición de OD a lo largo del experimento, se tabulan, como se muestra a continuación:

Tabla 3. OD según tiempo de aireación TIEMPO

min OD

mg/L 0 0,05 2 0,1 10 0,21 15 1,98 20 3,63 25 4,75 30 5,34 35 5,86 40 5,98 45 6,08 50 6,12 55 6,14 60 6,14

mgLLmgCLoruro 15.0305.0 =×=

113

Se determina el déficit de OD para el tiempo de aireación:

Tabla 4. Datos determinación Kla TIEMPO Cs-C

min mg/L (Cs-Co)/(Cs-

C) LOG (Cs-

C) LOG (Cs-Co)/(Cs-

C) 0 7,12 1,00 0,85 0,00 5 7,07 1,01 0,85 0,00

10 6,96 1,02 0,84 0,01 15 5,19 1,37 0,72 0,14 20 3,54 2,01 0,55 0,30 25 2,42 2,94 0,38 0,47 30 1,83 3,89 0,26 0,59 35 1,31 5,44 0,12 0,74 40 1,19 5,98 0,08 0,78 45 1,09 6,53 0,04 0,82 50 1,05 6,78 0,02 0,83 55 1,03 6,91 0,01 0,84 60 1,03 6,91 0,01 0,84

Donde: Cs: coeficiente de saturación a la temperatura y presión del experimento C: concentración de OD en el experimento Co: concentración inicial de OD Se grafica LOG (Cs-C) Vs. T para determinar el valor de Kla.

LmgmmHgCs

PCsCs

17.776056074.9

760760

=×=

×=

114

Se determina Kla así:

Se reemplazó el t= 40 min. Y su valor de LOG (Cs-C)= 0.08, ver gráfica anterior y tabla 4.

LOG (Cs-C) Vs. t

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

0 10 20 30 40 50 60 70

TIEMPO (min)

LOG

(Cs-

C) (

mg/

L)

168,26019,1

05.017.740

3.2

3.2

−=×⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −×=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

×=

hLOGKla

CCsCoCsLOG

tKla

115

Se realiza la gráfica de LOG(Cs-Co)/(Cs-C) Vs. t para determinar el valor de Kla, Se determina Kla:

Se tomo t1= 40 min. Y su respectivo valor de LOG(Cs-Co)/(Cs-C)= 0.78, y t2= 30 min. Con un valor de LOG(Cs-Co)/(Cs-C)= 0.59, teniendo Δ t= 10 min. Conociendo los valores anteriores se procede a calcular el valor de Kla en condiciones estándar para el agua limpia y de pozo.

LOG (Cs-Co)/(Cs-C) Vs. t

-0,10

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

0 10 20 30 40 50 60 70

TIEMPO (min)

LOG

(Cs-

Co)

/(Cs-

C) (

mg/

L)

1

22

62.2603.210

59.078.0

3.2

−=××−

=

×Δ−

=

hKla

tttKla

116

Ahora se calcula la capacidad nominal de oxigenación del equipo de la siguiente manera:

La capacidad nominal del equipo de aireación será entonces:

1420

201616

20

1420

201616

20

8.2024.1

6.2

4.3024.1

1.3lim

lim

−−

−

−−

−

==

=

==

=

hpozoKla

HlapozoKla

hpiaKla

HlapiaKla

θ

θ

76.25)02.9(8.2

)(

28.31)02.9(4.3lim

)(lim

20

20

=−×=

−×=

=−×=

−×=

pozodtdC

CCsKlapozodtdC

piadtdC

CCsKlapiadtdC

hgrONlpozo

dtdCVNlpozo

hgrOpiaN

dtdCVpiaN

2

2

2318.076.25009.0

2815.028.31009.0lim

lim

=×=

×=

=×=

×=

117

ANEXO G. RUTINA SAS V.8

/*********************************************** * ANALISIS DE CURVAS DE CRECIMIENTO * * TRATAMIENTO DE AGUAS * * COMPORTAMIENTO DE AMONIO, NITRATOS Y NITRITOS.* ***********************************************/; /*********************** * IMPORTACION DE DATOS * **********************/; PROC IMPORT DATAFILE="C:\Documents and Settings\Mauricio_Mendoza\Mis documentos\TESIS\AMONIO.XLS" OUT=AMONIO; QUIT; PROC IMPORT DATAFILE="C:\Documents and Settings\Mauricio_Mendoza\Mis documentos\TESIS\AMONIOF.XLS" OUT=AMONIOF; QUIT; PROC IMPORT DATAFILE="C:\Documents and Settings\Mauricio_Mendoza\Mis documentos\TESIS\NITRATOS.XLS" OUT=NITRATOS; QUIT; PROC IMPORT DATAFILE="C:\Documents and Settings\Mauricio_Mendoza\Mis documentos\TESIS\NITRITOS.XLS" OUT=NITRITOS; QUIT; PROC IMPORT DATAFILE="C:\Documents and Settings\Mauricio_Mendoza\Mis documentos\TESIS\NITRITOSF.XLS" OUT=NITRITOSF; QUIT; /*********************************************** * ANALISIS DE CORRELACION ENTRE TIEMPOS (HORAS) * ***********************************************/; PROC CORR DATA=nitritosf COV OUT=COVAR NOPRINT; VAR t0 t1 t2 t3 t4 t6 t7 t8 t10 t11; QUIT; DATA COVAR; DROP _NAME_ _TYPE_; SET COVAR; IF _TYPE_='COV';

118

RUN; PROC IML; USE nitritosf; READ ALL VAR{t0 t1 t2 t3 t4 t6 t7 t8 t10 t11} INTO X0; PRINT X0; USE COVAR; READ ALL VAR {t0 t1 t2 t3 t4 t6 t7 t8 t10 t11} INTO G; PRINT G; G=I(10); P={1 1 1 1 1 1 1 1 1 1, 0 1 2 3 4 6 7 8 10 11, 0 1 4 9 16 36 49 64 100 121, 0 1 8 27 64 216 343 512 1000 1331}; /*A=J(15,1,1); G=(1/(15-12))#(T(X0)*(I(15)-A*INV(T(A)*A)*T(A))*X0); PRINT G; GINV=INV(G); PRINT G GINV;*/; GINV=INV(G); PRINT G GINV p; X=X0*GINV*t(P)*(INV(P*GINV*t(P))); PRINT X; /*********************************************************************************** * CON EL FIN DE EVALUAR CUAL ES EL GRADO DEL POLINOMIO QUE MEJOR DESCRIBE LOS DATOS * * SE EVALUAN LAS RESPECTIVAS PRUEBAS DE HIPOTESIS PARA CADA COEFICIENTE * *********************************************************************************/; A=J(15,1,1); C=I(1); V={0,0,0,1}; /*V={0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 1};*/ M=INV(T(A)*A); SH=T(V)*T(X)*A*M*T(C)*(INV(C*M*T(C)))*C*M*T(A)*X*V; SE=T(V)*T(X)*(I(15)-(A*M*T(A)))*X*V; SEINV=INV(SE); PRU=SH*SEINV; CALL EIGEN(EIG,VEC,PRU); /*EST=(14/2)#(19.67);*/ EST=(14/2)#(SH*INV(SE)); PRINT SH SE EST PRU EIG VEC; /**********************************************************************

EL ESTADISTICO DE PRUEBA (EST),SE COMPARA CON EL VALOR CRITICO CORRESPONDIENTE AL PERCENTIL 95 DE UNA DISTRIBUCION F(2m*+2,2n*+2)

***********************************************************************/; V=I(4); EST_PARAM=C*M*T(A)*X*V;

119

PRINT EST_PARAM; SE=T(V)*T(X)*(I(15)-(A*M*T(A)))*X*V; M1=M*(2/14)*3.738891832; PRINT SE M1; QUIT;

120

ANEXO H. CÁLCULO DEL SISTEMA A TAMAÑO REAL Caudal: para el diseño real de la planta de lodos activados se tomo el caudal suministrado por EMAAF ESP., el cual sería tratado por medio de lodos activados, el cual es de :

Al ser este un caudal tan grande para trabajar en un solo reactor, se dividirá el caudal total en 6, y se diseñará un tanque piloto, que será el modelo de los otros cinco tanques. Además, de esta manera se garantiza suministro las 24 horas del día de agua tratada.

Carga de DBO: Así,

Donde: A: concentración DBO, mg/L. Para este se utiliza el promedio hallado experimentalmente. Q: caudal en m3/h L: carga en Kg/d Al reemplazar,

hm

hs

Lm

sLQ

33

2161

36001000

160 =××=

hmh

mQ

33

366

216==

Ldh

mL

mgekgQA =∗∗∗∗

124

11000

11

36

dkg

dh

mL

mgekg

hm

Lmg 024,3

124

11000

11365,3 36

3=∗∗∗∗

121

Para estos cálculos se trabajará con una eficiencia de remoción de 99%, carga másica (ls) de 0.0029 Kg DBO/Kg SSLM-d, y la concentración de lodos de 2.406 Kg/m3. Carga de Nitrógeno: Así,

Donde: A: concentración N, mg/L Q: caudal en m3/h B: carga en Kg/d Al reemplazar,

Carga de Fósforo: Así,

Donde: A: concentración P, mg/L Q: caudal en m3/h B: carga en Kg/d Al reemplazar,

Bdh

mL

mgekgQA =∗∗∗∗

124

11000

11

36

dkg

dh

mL

mgekg

hm

Lmg 516,7

124

11000

11367,8 36

3=∗∗∗∗

Bdh

mL

mgekgQA =∗∗∗∗

124

11000

11

36

122

Se determina la relación DBO-N-P de la siguiente manera Para el nitrógeno:

Se necesitan 0,3758 Kg/d de nitrógeno y el agua aporta 7,516 Kg/d, lo que indica que no es necesario aplicar urea. Para el fósforo:

Se necesitan 0,0216 Kg/d de fósforo y el agua aporta 2,16 Kg/d, lo que indica que no es necesario agregar ácido fosfórico. Se determina el peso seco de lodos, de la siguiente forma:

Donde: L: carga contaminante en Kg/d Ls: carga másica en Kg DBO/Kg MLSS-d WL: peso seco de lodos en Kg. Reemplazando en la ecuación se obtiene:

dkg

dh

mL

mgekg

hm

Lmg 16,2

124

11000

11365.2 36

3=∗∗∗∗

dKgN 3758,0

1005516,7

=×

=

dKgP 0216,0

100116,2

=×

=

WLlsl

=

KgdKgMLSS

KgDBOd

KgDBOlodosdeopeso 1042

0029.0

024,3__sec_ =

−

=

123

La producción de lodos (PL) se halla por medio de la siguiente ecuación empírica:

Donde Ls: carga másica Eb: eficiencia de remoción L: carga entrante al reactor Así, la producción de lodos determinada será:

El peso de sólidos en el agua se asume de 2% (%P=PS) y por lo tanto el peso del agua será de 98% (%V=PA), para un total del 100%. Con los datos anteriores se puede calcular la densidad de lodos (DL) a razón del peso sobre volumen, de la siguiente manera:

Donde,

Conociendo la producción de lodos (PL) y su densidad, se puede calcular el volumen que ocuparan (VL) de la siguiente manera:

LEbLsPl ×××=100

)(2.1 23.0

dKgMLSS

dKgDBO

dKgLMSSKgDBOPl 94,0024,3

10099)0029.0(2.1 23.0 =××−×=

1000100

×=PSDL

3201000100

2m

KgDL =×=

dMLSSm

mKg

dKgMLSS

DLPLVL −===

3

3

047,020

94,0

124

El siguiente parámetro a tener en cuenta es la edad del lodo, el cual describe el tiempo de residencia del lodo en el sistema de tratamiento, este es el tiempo que se necesario para asimilar el sustrato y reproducir. Para la determinación de este parámetro de debe conocer el peso de lodos y la producción de los mismos, así:

Los 1108 días de edad del lodo ocurre por que el experimento se realizó en un SBR, lo que hace que se prolongue considerablemente la edad del lodo.

Tipo de aireación La planta a escala se oxigenará por medio de aireación extendida, por presentar mayor eficiencia, para esto los parámetros se deben encontrar dentro de los siguientes valores:

PROCESO Carga Orgánica

Kg DBO/Kg LMSS-d

Tiempo Retención

horas

Edad lodo días

Carga Volumétrica

Kg DBO/m3-d

LMSSKg/m3

Aireación Extendida 0.005-0.25 >18 12-30 <0.4 3-6

Una vez definido el tipo de aireación a emplear, se dimensiona el tanque de aireación. Uno de los parámetros a tener en cuenta para la utilización de la aireación extendida, es la carga volumétrica (CV), dada por la relación entre carga entrante al tanque de aireación (L) y el volumen del mismo (VT), que se halla de la siguiente manera: Teniendo en cuenta lo anterior, la carga volumétrica será:

Donde: VT: volumen del tanque, m3

WL: peso seco de lodos, Kg M: concentración de lodos, Kg/m3

dd

KgLMSSKg

PLWLLe 110894,0

1042===

MWLVT =

125

Al reemplazar:

Se aproxima el anterior valor para tener un borde libre. Tiempo de retención teórico

El tiempo de retención cumple con el establecido experimentalmente en el ciclo definitivo del reactor. La carga volumétrica será:

Consumo de Oxígeno Durante el tratamiento propuesto de lodos activados, se presencia una serie de procesos metabólicos y de asimilación de compuestos, empezando con la generación de nuevo material celular (producción de biomasa) y respiración del sustrato. Este primer proceso es importante debido a que en un tratamiento aerobio se debe garantizar una concentración suficiente de oxígeno disuelto para llevar a cabo la degradación de la materia orgánica. La ecuación característica del proceso es:

8(CH2O)+NH3+3O2 C5H7NO2+3CO2+6H2O+E

3

3

440433406,2

1042 m

mKgKgVT ≈==

hT

QVTT

02,1236433

==

=

hmKgDBOCv

VTLCv

−=÷⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

=

300029,024433024,3

126

La ecuación utilizada para calcular el consumo de oxígeno necesario para la respiración del sustrato (Rs) es:

Donde, a= 0.5 Kg O2/Kg DBO, requerido para oxidar el carbón orgánico L= carga que ingresa al tanque de aireación Kg DBO/d El segundo proceso que se presenta es la auto oxidación del material celular para abastecer a microorganismos vivos y realizar la respiración endógena. Este proceso se representa por la siguiente ecuación:

C5H7NO2+502 5CO2+NH3+2H2O+E

La ecuación que permite conocer el consumo de oxígeno de este proceso es:

Donde, Kre= tasa de respiración endógena M= SSLM VT= volumen del reactor El valor de Kre (tasa de respiración endogena, que depende de la carga de lodos) se obtiene por la relación con Ls, expresada de la siguiente manera:

Ls Kre Kg O2/Kg MLSS-d

<0.1 0.1 0.2 0.12 0.3 0.13 0.5 0.14

>1.0 0.15-2.0 De acuerdo con la tabla y el valor de Ls= 0,0029 Kg DBO/Kg LMSS-d, el valor a utilizar de Kre será igual a 0.1 Kg O2/Kg MLSS-d.

dKgO

dKgDBO

KgDBOKgORs

LEaRs

22 497,1024,399.05.0

100

=××=

××=

VTMKre ××=Re

127

Reemplazando en la ecuación, se obtiene:

El tercer proceso de consumo de oxígeno lo realiza la estabilización completa y reducción de nitrógeno. Es en este proceso que se produce la nitrificación bajo condiciones ambientales adecuadas, y se expresa por medio de la siguiente ecuación:

NH4++2O2 NO3

-+2H++H2O

Para determinar la relación de oxígeno por cantidad de nitrógeno se debe utilizar la siguiente ecuación:

Donde, Nlex= nitrógeno en lodo en exceso Lnox= carga de nitrógeno que se va a oxidar De esta manera se obtiene:

El consumo total de oxígeno del reactor será entonces:

dKgOmm

KgdKgMLSS

KgO 233

2 18,104433406,21.0Re =××−=

LnoxRnNlexCnLnox

×=−=

57.4

dKgO

dKgORn

dKgO

dKgLnox

Nlex

22

2

35,34516,757.4

516,70516,7

0

=×=

=−=

=

hKgO

hd

KgOCOT

dKgOCOT

RnRsCOT

22

2

83,524

03,140

03,14035,3418,104497,1

Re

==

=++=

++=

128

Cálculo de los difusores y el soplador Los sopladores serán utilizados en un reactor de mezcla completa. Primero se asume una sumergencia de los difusores de 8m, luego se toma 0,28 Kg O2/m3 aire, que representa la concentración de oxígeno en el aire. Se calcula la tasa de absorción específica de la siguiente manera:

Ahora, se determina la tasa de absorción así:

Cantidad de oxígeno: El siguiente parámetro a tener en cuenta es la concentración de saturación (Cs), que son los valores de saturación de oxígeno para el agua a presión atmosférica en función de la temperatura.

Donde Cs= 9,2 mg/L (20oC y 1 atm) valor ubicado en tablas OD= 9,17 mg/L, valor obtenido de tablas

EMAAF ESP., esta ubicada a 2600 m.s.n.m., con una temperatura de 15oC y una presión barométrica de 560 mmHg, y una presión de vapor de 12,79 mmHg. La ecuación utilizada para el cálculo de la concentración de saturación es:

%2,35

352,08100

4.4100

4.4

=′

=×=×=′

n

mDin

%6,2818%2,35 =×=×′=

nDinn

129

Donde, OD= oxígeno disuelto en el agua P= presión barométrica p= presión de vapor a la temperatura del agua Para el caso es:

Se recalculan α y β:

La temperatura del pozo es de 25oC, con presión de vapor de 23,76 mmHg. La concentración de saturación de OD es de 8,38 mg/L. Cantidad de oxígeno residual a mantener en el agua es de 2 mg/L. La cantidad de oxígeno real es:

93.014.674.5

max__limmax__

===AguapozoOD

piaAguaODα

75.05.362.2

lim===

piaKLaKLapozoβ

ppPODCs

−−

×=760

Lmg

mmHgmmHgmmHgmmHg

LmgCs 7,6

79,1276079,1256017,9 =

−−

×=

130

El soplador se calculó de la siguiente manera:

Donde: TTALsoplador= tasa de transferencia a agua limpia, 3-4 lb O2/HP-h∂ Este valor es el calculado para el requerimiento total de oxígeno del sistema, pero debido a que el caudal fue dividido en seis, la potencia total del soplador también. Volumen de oxígeno requerido

Se calculó el número de difusores:

∂ Este valor deberá ser corroborado con el proveedor seleccionado. En caso de no obtener datos específicos por parte del proveedor, a éste deberá suministrársele los Kg/h de oxígeno requeridos bajo condiciones normales de operación.

HP

hHPlbO

hlbO

HP

TTALCOHP

soplador

sopladores

realsoplador

1146,104

84,41

2

2

≈=

−

=

=

hLbO

hKgOh

KgO

CO

CrCsCOCO

real

Treal

22)2025(

2

)20(

84,4102,19024,12)93,07.6(

2,975,0

83,5

024,1)(2,9

==×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−×

×=

×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−×

×=

−

−

βα

hm

mKgO

hKgO

V

aireOConcCOV

oxigeno

realoxigeno

3

32

2

2

9,6728,0

02,19

__.

==

=

131

Numero de difusores por tanque

difhOm

No

VNo

dif

oxigenodif

9,164

9,67

4

23

==

=

38,26

9,166

tan

tan

≈==

=

que

difque

Dif

NoDif

132

ANEXO I. DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA

POTABLE EXISTENTE EN EMAAF E.S.P

El agua del pozo profundo es tratada en dos plantas de tratamiento ubicadas en el mismo predio donde se tienen las oficinas de la EMAAF E.S.P. La primera es una planta convencional hecha en concreto y la segunda es una planta convencional compacta hecha en lámina. Hay una tercera planta de tratamiento convencional hecha en concreto en donde se recicla el agua de lavado de filtros proveniente de las otras dos plantas.

Planta Unipack Planta Convencional

Entrada EMAAF ESP

Fuente: El Autor, 2005

Fuente: El Auto,r 2005 Fuente: El Autor, 2005

133

La planta convencional en concreto fue construida por La Firma ACUASISTEMAS en el año de 1970 con un caudal de diseño de 25 L/s para el agua de una fuente superficial (agua del río Subachoque) que abasteció al Municipio hasta el año de 1992. La planta convencional compacta en lámina (Unipack), fue construida por La Firma ACUATECNICA en el año 2000 con un caudal de diseño de 50 L/s para el agua pozo profundo anteriormente descrito. La planta convencional en concreto en donde se recicla el agua de lavado de filtros de las otras dos plantas, fue construida por la firma ACUASISTEMAS en el año de 1992 con un caudal de diseño de 20 L/s para el agua del río Subachoque. Actualmente, el caudal de 58 L/s del pozo profundo se reparte en las dos plantas de tratamiento de la siguiente manera: 25 L/s en la planta convencional en concreto y 33 L/s en la planta convencional compacta. La razón de esta forma de operación es porque se obtiene una buena operación del sistema, logrando carreras de filtración que oscilan entre 20 y 24 horas. A continuación se describe cada una de las etapas de tratamiento realizadas para la potabilización del agua de pozo profundo.

Planta Compacta

Fuente: El Autor, 2005

134

Descripción de las etapas de tratamiento Etapa de aireación Después de que el agua es captada mediante la motobomba del pozo y medida con un medidor de caudal volumétrico, es conducida por una tubería de 6" de diámetro en hierro fundido, que la lleva hasta la parte superior de la torre de aireación y se distribuye en su área superficial mediante 12 flautas.

Torre de aireación

Conducción entre torre de aireación y plantas

Fuente: El Autor, 2005 Fuente: El Autor, 2005

Fuente: El Autor, 2005

135

La estructura de la torre de aireación está hecha en ángulo de 2" y tiene 5 bandejas en madera con área superficial de 2,48 x 2,48 m y con espacio entre bandejas de 0,68 m. Como medio dispersor del agua se utilizan 2500 anillos Pall por bandeja. El objeto de airear el agua en esta torre es producir el contacto del aire con el agua para oxigenarla, oxidar parcialmente el hierro y el manganeso, disminuir la temperatura y expulsar de ella gases como dióxido de carbono. Etapa de oxidación química Después de que el agua pasa las 5 bandejas aireadoras llega a la bandeja recolectora de la torre y en el orifico de salida de la bandeja se aplica peróxido de hidrógeno como oxidante químico en solución al 12%, con el objeto de completar la oxidación orgánica e inorgánica del agua y poder realizar de manera efectiva las etapas de coagulación-floculación. El peróxido de hidrógeno es un producto químico que viene al 50% en recipientes de 14 galones y el operador se encarga de preparar la solución al 12% y dosificarla al agua mediante una bomba dosificadora marca Blue-white de 4.6 GPH máximo en una dosis alrededor de 7mg/L. La dosificadora está ubicada a nivel del terreno y su punto de aplicación está a 12 metros hacia arriba en la bandeja recolectora de la torre.

Anillos Pall

Fuente: El Autor, 2005

136

Etapa de coagulación El coagulante suministrado al agua para desestabilizar sus partículas coloidales es el sulfato de aluminio tipo B impalpable (alumbre). Este producto se aplica en solución al 16% p/v en el mismo punto de aplicación del peróxido de hidrógeno; en este punto se garantiza mezcla rápida hidráulica eficiente para formar los flóculos necesarios en la etapa de floculación. El alumbre es un producto químico que viene en bultos de 40 Kg sólido impalpable y el operador prepara la solución en un tanque de 1000 lt mediante un agitador mecánico de 1,5 HP con tiempo de 15 minutos de agitación; luego lo pasa por gravedad a un tanque dosificador que tiene un agitador mecánico de 1/2 HP con agitación continua para evitar sedimentación del alumbre. La solución se dosifica mediante una bomba dosificadora marca SODI-SCIENTIFIC de 120 L/h máximo en una dosis alrededor de 100 mg/L. La dosificadora está ubicada en la misma caseta en donde se encuentra ubicada la dosificadora de peróxido y el punto de aplicación se encuentra en el mismo sitio del punto de aplicación del peróxido de hidrógeno.

Dosificador de peróxido de hidrógeno Envase para peróxido de hidrógeno

Fuente: El Autor, 2005 Fuente: El Autor, 2005

137

Etapa de floculación Después de haberle suministrado al agua el oxidante y el coagulante a la salida de la torre de aireación, esta es conducida por tubería de 8" de diámetro en PVC hasta una Tee que reparte el agua para la planta convencional en concreto 25 lt/s y para la planta convencional compacta en lámina 33 lt/s.

Dosificadores de solución de sulfato Tanque de preparación de solución de sulfato

Tanque dosificador de solución de sulfato

Fuente: El Autor, 2005 Fuente: El Autor, 2005

Fuente: El Autor, 2005

138

Planta convencional en concreto A la planta convencional en concreto entra el agua a la cámara de disipación de energía y luego a la canaleta Parshall en donde se le aplica un polímero aniónico en solución al 0,03% p/v como ayudante de floculación; entre el punto de aplicación del alumbre y el punto de aplicación del polímero hay aproximadamente 25 segundos, tiempo suficiente para que el alumbre reaccione y el polímero actúe adecuadamente.

Conducción entre torre de aireación y plantas de tratamiento

Canaleta Parshall planta convencional Entrada de agua cruda a la planta convencional

Fuente: El Autor, 2005

Fuente: El Autor, 2005 Fuente: El Autor, 2005

139

El polímero es un producto químico sólido granulado que viene en bultos de 25 Kg; la solución se prepara en un tanque de 1000 L mediante un agitador mecánico de 1/2 HP, agitando la solución durante 15 minutos, luego se deposita la solución en un tanque dosificador y se dosifica con una bomba dosificadora marca Nieshe de 100 L/h máximo con una dosis alrededor de 0,60 mg/L. A continuación el agua entra a un floculador horizontal de placas en donde hay tres sectores de velocidad para producir una mezcla hidráulica suave y lenta que garantiza el aumento de flóculo en peso y tamaño obteniendo una buena sedimentación.

Tanque dosificador de polímero en planta convencional Empaque de polímero

Floculador horizontal planta convencional

Fuente: El Autor, 2005 Fuente: El Autor, 2005

Fuente: El Autor, 2005 Fuente: El Autor, 2005

140

Planta convencional compacta en lámina (Unipack) A la planta unipack entra el agua a la canaleta de mezcla rápida ubicada a 6 m del nivel del terreno, en donde se le aplica al igual que en la otra planta, el polímero aniónico en solución al mismo porcentaje de preparación como ayudante de floculación; entre el punto de aplicación del alumbre y el punto de aplicación del polímero hay también aproximadamente 25 segundos. La dosificadora se encuentra ubicada a nivel del terreno en una caseta y su punto de aplicación está en la canaleta de mezcla rápida. El agua desciende por un canal a la parte baja del floculador que es un cilindro de 10 m de diámetro y en su centro se encuentra ubicado un cilindro de 3,80 m de diámetro que conforma uno de los filtros de la planta (filtro interno). El agua es

Canaleta de mezcla rápida planta Unipack Dosificador de solución de polímero planta Unipack

Punto de aplicación de solución de polímero planta Unipack

Fuente: El Autor, 2005

Fuente: El Autor, 2005

Fuente: El Autor, 2005

141

obligada a pasar en forma ascendente y en espiral a través de un manto de lodos previamente formado que acelera la formación de flóculos grandes y actúa como filtro primario reteniendo gran cantidad de partículas coloidales. Etapa de precloración y desinfección Antes de ingresar el agua a los floculadores de las dos plantas convencionales se realiza la aplicación de una solución de cloro en el canal entre canaleta Parshall y floculador en la planta en concreto y en la canaleta de mezcla rápida en la planta compacta hecha en lámina. Esta solución es preparada mediante cilindros con capacidad para almacenar 68 Kg de cloro líquido comprimido, que al ser abierta su válvula pasa en forma gaseosa por un sistema de cloración de 100 lb/d (clorador, rotámetro y véntury interconectados con mangueras), y es succionado por una corriente de agua a presión que va hacia el punto de aplicación; cada planta tiene su propio sistema de cloración.

Sección floculador planta Unipack

Punto de aplicación de solución de cloro planta convencional

Caseta dosificador de cloro gaseoso

Fuente: El Autor, 2005

Fuente: El Autor, 2005 Fuente: El Autor, 2005

142

El cloro es el último químico que se le aplica a ésta agua y se tiene que aplicar en los puntos anteriormente descritos para controlar la nitrificación del agua a valores por encima de norma en los sedimentadores y en los filtros, debido a que contiene todos los elementos necesarios para que esto ocurra ( amonio, oxígeno, alta temperatura y bacterias nitrificantes). La dosis aplicada de cloro es alrededor de 8 mg/L. Etapa de sedimentación Planta convencional en concreto Una vez el agua abandona el tercer sector el floculador, entra a una cámara donde se encuentra dos tubos de 12" de diámetro para repartir el caudal a dos sedimentadores acelerados. Los tubos repartidores del caudal descienden a una profundidad de 3 m y se extienden a lo largo de los sedimentadores; el agua conducida pasa los orificios para empezar a ascender en los sedimentadores y finalmente descargar en el canal central de 0,5 m de ancho. Los sedimentadores poseen placas inclinadas a 60 grados y el material de que están hechas son de asbesto cemento.

Punto de aplicación de solución de cloro planta Unipack

Fuente: El Autor, 2005

143

Planta convencional compacta en lámina (Unipack) El floculador descrito anteriormente para esta planta actúa también como un sedimentador porque a medida que el agua asciende va clarificando y a una determinada altura el agua es obligada a pasar a través de una sección circular que tiene paneles de sedimentación que ayudan a retener los flocs más finos, para que el agua finalmente descargue en la canaleta que reparten el agua hacia los filtros.

Sedimentadores planta convencional

Sedimentador planta Unipack

Fuente: El Autor, 2005

Fuente: El Autor, 2005

144

Etapa de filtración Planta convencional en concreto El sistema de filtración de la planta convencional está conformado por una batería de 4 filtros a presión, pues el agua es bombeada a estos mediante dos motobombas de 24 HP ubicadas a 6 m del nivel del terreno en donde se encuentran ubicados los filtros. Las motobombas succionan el agua clarificada que es depositada en un tanque que está a continuación de los sedimentadores. La batería de filtros está dispuesta en paralelo, repartiéndose el caudal en cada uno de ellos; los lechos filtrantes están conformados por grava soporte, grava torpedo y arena filtrante.

Batería de filtros planta convencional Tanque receptor de agua sedimentada planta convencional

Cuarto de bombas de filtros planta convencional

Fuente: El Autor, 2005 Fuente: El Autor, 2005

Fuente: El Autor, 2005

145

El sistema de lavado de filtros se realiza variando el sistema de filtración mediante la manipulación de válvulas de tal forma que tres filtros quedan produciendo agua filtrada para lavar el filtro que queda por retrolavado; el tiempo de lavado utilizado para cada filtro es de aproximadamente 10 a 12 minutos. El diámetro de cada filtro es de 1,90 m, con altura de 1,2 m; su sistema de drenaje está conformado por flautas ranuradas en tubería de 2” galvanizada. Planta convencional compacta en lámina (Unipack) El sistema de filtración de la planta unipack está conformado por dos filtros que consisten en dos cilindros de 3,80 m de diámetro: un filtro se encuentra en la parte central del floculador-sedimentador y el otro filtro se encuentra en la parte externa al floculador-sedimentador. El agua después de repartirse en las canaletas hacia los dos filtros, es obligada a pasar en sentido vertical descendente a través de tuberías de 6" de diámetro para penetrar luego el lecho filtrante conformado por grava soporte, grava torpedo y arena filtrante. El sistema invierte el flujo y se retrolava con agua filtrada que previamente ha almacenado en su parte superior; el retrolavado está diseñado para triplicar la velocidad del flujo en sentido inverso fluidificando el lecho filtrante y expandiéndole para retirarle los lodos acumulados aprovechando adicionalmente el efecto giratorio del flujo de los micro colectores especiales del fondo que producen frote de partículas haciendo más efectivo y rápido el retrolavado. El sistema de drenaje de estos filtros está conformado por falsos fondos que contienen boquillas ranuradas por donde pasa el agua.

Ilustración 2. Filtro interno planta Unipack Ilustración 1. Filtro externo planta Unipack

Fuente: El Autor, 2005 Fuente: El Autor, 2005

146

Tratamiento de los lodos Los lodos en el tratamiento del agua son generados en la descarga periódica que se hacen del lavado de los filtros de las plantas y de los sedimentadotes. Los lodos generados en el lavado de los filtros son dispuestos en un reservorio en donde ocurre la sedimentación de estos; el agua clarificada es tomada por una motobomba que se encuentra a 10 m de la descarga de los lodos y reciclada en la planta convencional en concreto de 20 L/s; en esta planta se trata agua a razón de 7 lt/s por razones adecuadas de operación, durante un período de tiempo. Cuando el agua del reservorio es mínima entonces se apaga la motobomba dejando de funcionar la planta hasta que haya agua clarificada suficiente para ponerla a funcionar nuevamente. El tratamiento químico para esta agua es solamente pre-cloración.

Sistema de válvula para lavado de filtros planta Unipack

Fuente: El Autor, 2005

147

Los lodos son extraídos del reservorio anualmente mediante un vactor que los succiona cuando el reservorio está sin agua; luego son transportados y dispuestos en el alcantarillado. Los lodos generados de la descarga de los sedimentadores son dispuestos directamente en el alcantarillado.

Reservorio para almacenamiento de agua para lavado de filtros

Bomba de succión de agua de lavado de filtros a la planta compacta

Fuente: El Autor, 2005 Fuente: El Autor, 2005

148

ANEXO J. CALCULO DE COSTOS Cálculo del tanque Obra civil:

CANTIDADES DE OBRAS CIVILES Reactor Des-Nitrox Funza

ITEM DESCRIPCION UNID CANTIDAD VALOR VALOR U$

UNITARIO TOTAL 1 REACTOR DENITROX L A H e muros 19,20 17,20 8,50 0,3

1,01 Replanteo m2 367,64 2.500 919.1001,02 Descapote m2 367,64 3.500 1.286.7401,03 Excavaciones m3 183,82 15.000 2.757.3001,04 Relleno con material seleccionado m3 183,82 22.000 4.044.0401,05 Solado de limpieza e= 0.05m m3 36,76 250.000 9.191.0001,06 Concreto de Placa m3 128,67 420.000 54.043.0801,07 Concreto Muros m3 333,54 420.000 140.086.8001,08 Concreto Tapa m3 0,00 420.000 01,09 Acero de refuerzo de 60.000 PSI Kg 41599,26 2.300 95.678.2981,10 Junta en cinta PVC 22 ml 444,00 27.000 11.988.0001,11 Instalación Pasamuros un 6,00 150.000 900.000

SUBTOTAL 320.894.358

NOTAS 1 Los concretos para esta clase de obras son de 3500 psi impermehabilizados

Fuente: El Autor, 2006

149

Resumen de precios

RESUMEN DE PRECIOS DESNITROX FUNZA

ITEM DESCRIPCION VALOR

1 SUMINISTRO DE EQUIPOS 2 OBRAS CIVILES 320.894.358 3 MONTAJES 4 TRANSPORTES 5 ARRANQUE Y PUESTA EN MARCHA

VALOR COSTOS DIRECTOS 320.894.358 5% de descuento costos Directos 16.044.718 Valor Total despues del descuento 304.849.640 A.I.U. 15% 48.134.154 TOTAL $ 352.983.794 IVA DEL 16% SOBRE LA UTILIDAD 2.438.797 MÁS IVA DEL 16 355.422.591

150

Resumen general

INVERSIÓN VALOR ACTUAL

Item Inversión inicial 1 Tanque en concreto $ 356.000.0002 Número difusores (18) $ 2.510.0003 Número sopladores (6) $ 36.000.000 Total unidad $ 394.510.0004 Bomba 120 m3/h $ 14.000.000 Operación y mantenimiento 5 Mantenimiento y operación $ 25.800.000

Valor Total $ 434.310.000

151

ANEXO K. MANUAL DE OPERACIÓN DEL REACTOR

152

En el siguiente manual se establecen los pasos detallados para poner en funcionamiento cada ciclo del reactor piloto. A continuación se describen cada una de las actividades a realizar en cada una de las etapas del ciclo para garantizar un correcto funcionamiento del reactor.

153

Para el correcto control y operación del reactor es necesario diligenciar el siguiente formato, indicando hora exacta y actividad realizada:

CONTROL DE ACTIVIDADES OPERACIONALES DEL REACTOR

FECHA HORA ACTIVIDAD

154

En esta etapa se encuentran apagados todos los equipos. El agua de pozo se agregada al reactor por la parte superior por el área indicada. Este procedimiento tiene una duración de 15 minutos. Verifique que la válvula de vaciado este cerrada. Llene hasta la marca ubicada en la parte lateral izquierda para completar 9 litros y realice el vertido del agua sin mojar el motor.

Área de llenado

Válvula de vaciado

Nivel de llenado

155

Una vez lleno el reactor, se pone en funcionamiento el sistema de mezcla para que el lodo entrara en contacto con el agua, y el termostato para empezar a calentar el agua con licor mezclado. Además, se enciende el aireador para garantizar el aporte de oxígeno dentro del reactor necesario para la oxidación del amonio en el proceso de nitrificación. Este procedimiento tiene una duración de 5 horas.

Motor - mezclador Aireador

Termostato

156

Se detiene la aireación, se deja encendido el agitador para continuar la mezcla, y el termostato para mantener la temperatura, en busca de desarrollar el proceso de desnitrificación. Este procedimiento tiene una duración de 5 horas 30 minutos.

Motor - mezclador

Termostato

157

Se detienen todos los aparatos del reactor para dar tranquilidad al sistema y permitir la sedimentación de los lodos, por espacio de una hora. Es importante no mover ni agitar al reactor para no realizar una mezcla involuntaria del lodo sedimentado.

¡¡¡¡ OJO TODOS LOS EQUIPOS APAGADOS !!!!

158

Consiste en extraer en un periodo de 15 minutos el agua clarificada de la sedimentación sin generar turbulencia. Baje la manguera de vaciado al nivel del piso e introdúzcala en un recipiente. Luego, abra la válvula y espere a que se evacue toda el agua tratada. Al finalizar el procedimiento cierre la válvula. Repita todos los pasos desde el número 1.

Manguera de vaciado

Válvula

159

• Al realizar el llenado del reactor por NINGÚN MOTIVO moje el motor del agitador. En caso de mojarlo y que este deje de funcionar reemplácelo INMEDIATAMENTE.

• Cuando se vea disminución en la cantidad de aire entregada por el

aireador, reemplácelo inmediatamente.

• Realice un seguimiento de amonio, nitrato y nitrito por lo menos 3 veces a la semana.

• Realice un seguimiento de todos los parámetros una vez cada 15 días.

• Realice seguimiento horario del reactor una vez al mes.

• Se recomienda realizar las pruebas por los siguientes métodos:

PARÁMETROS MÉTODO Alcalinidad mg/L Titulación según Standard Methods Amonio mg/L Espectrofotómetro Color Unidades PtCo Disco color cuallitativo Conductividad microS/cm Conductímetro Fósforo mg/L Espectrofotómetro Nitratos mg/L Espectrofotómetro Nitritos mg/L Espectrofotómetro Nitrogeno mg/L Espectrofotómetro pH Unidades pH-metro

DQO mg/L Digestión y titulación según Estándar Methods

DBO mg/L DBO Track Turbiedad NTU Turbidímetro