aguas residuales

UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA FACULTAD DE INGENIERA, CIENCIAS Y ADMINISTRACIN DEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA

Puesta en Marcha y Operacin de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera

PROFESORES: Dra. Mara Cristina Diez Dr.-Ing. Cristian Bornhardt

INTEGRANTE:

Gerhard Schleenstein

ABRIL 2002

Agradecimientos

i

Agradecimientos

caminando, caminando / voy buscando libertad ojal encuentre camino / para seguir caminado ojal encuentre camino / para seguir caminado(Vctor Jara)

Agradecimientos al Prof. Dr.-Ing. Martin Jekel de la Universidad Tcnica de Berln, quien hizo posible la estancia en Chile por otorgar la beca del Programa ALFA de la Unin Europea; al Departamento de Ingeniera Qumica de la Universidad de La Frontera de Temuco (UFRO), Dra. Mara Cristina Diez y Dr.-Ing. Cristian Bornhardt, por guiar el trabajo; al Jefe de Suministros y Medio Ambiente de la Compaa Cerveceras Unidas (C.C.U.) S.A. Planta Temuco, Mauricio Prez y sus colaboradores; a Jorge Cabrera, Jorge Ross y a las analistas del Laboratorio de RILes UFRO, por su ayuda en la concrecin del presente trabajo; y a las compaeras y compaeros de la carrera de Ingeniera Ambiental, quienes me han acompaado y apoyado en el camino y en la bsqueda de una salida cuando la realizacin del proyecto estuvo extraviada.


Resumen

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AbstractA first set up of an coupled anaerobic-aerobic treatment plant for liquid residues on laboratory scale was carried out. Functionality and operation of the plant were evaluated and verified by employing liquid industrial residues of a brewery industry, through controlling operation parameters such as volumetric and sludge loads, nutrients, pH, temperature, aeration-agitation, sludge return and discharge. High dissolved organic loads, a good biodegradability and susceptibility to failure of nutritional balance characterize these residues. In the case of the local brewery plant, the following average parameters were reported: CODtotal = 2750 mg/L, BOD5/COD ratio of 0,63 and TSS = 375 mg/L. All measurements were based on standard methods.

The coupled anaerobic-aerobic treatment plant consists in an UASB anaerobic reactor, a traditional activated sludge system, and measurement instruments for temperature, pH and dissolved oxygen, that permit their automatic adjustment. Obtained data is transferred by an controller (RTU) to a personal computer for its afterward use. After inoculation and set up, the plant was operated during six weeks, while reducing hydraulic retention time of the aerobic phase from 24 to 4,2 h. The heating system of the UASB showed weaknesses, which in combination with low pH of the crude feed led to removal efficiencies for the organic load of only 15 to 70%. Subsequently, operating parameters like volumetric and sludge load of the activated sludge were subject to heavy changes, leaving its optimal operation ranges. Light flocs and drastic bulking problems were observed, with a SVI reaching 1000 mL/g and decrease of MLVSS below 1000 mg/L, which limited plant operation and made a new inoculation necessary. Despite of this, removal efficiencies for the organic load of up to 92% in the aerobic phase were reached, resulting in a total efficiency of about 97% for the entire plant, apparently independent of the employed loads.

Changes of the electric and electronic configuration of the plant were carried out, but besides necessary pH sensors, it is necessary to invest in the heating system of the anaerobic reactor and acquisition of additional peristaltic pumps, that are able to work autonomously through extended periods. There was no way to connect the control unit RTU, wherefore it was returned to the manufacturer, what made nearly impossible its deep analysis. RTUs internal programming design is proposed such way, that it can store measured data throughout extended periods and guarantee autonomous operation of the plant, lacking presence of PC and of the controlling and data visualizing RTU-Terminal program.Puesta en Marcha y Operacin de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera

Resumen

iii

ResumenSe realiz la puesta en marcha de una planta combinada anaerobia-aerobia a escala de laboratorio para el tratamiento de residuos lquidos. Se evalu y verific el funcionamiento y comportamiento de la planta usando un RIL tipo de la industria cervecera, controlando los parmetros de operacin: carga volumtrica, carga msica, nutrientes, pH, temperatura, aireacin-agitacin, reciclo y descarte de lodos. Estos RILes se caracterizan por un alto contenido de materia orgnica disuelta, una buena biodegradabilidad y una predisposicin al desequilibrio nutricional. En el caso de la planta cervecera local, Chile, se reportan valores promedio de DQOtotal = 2750 mg/L, una razn de DBO5/DQO de 0,63 y SST = 375 mg/L. Las mediciones se realizaron segn metodologas normalizadas. La planta secuencial anaerobia-aerobia consta de un reactor anaerobio tipo UASB y un sistema de lodos activados tradicional; cuenta con medidores de T, pH, OD y dispositivos para su ajuste automtico. Los datos obtenidos por los medidores son transferidos a travs de un controlador (RTU) para su posterior utilizacin a un PC. Luego de inocular y poner la planta en marcha se oper durante seis semanas, disminuyendo el TRH de la fase aerobia de 24 a 4,2 h. La planta mostr fallas en el sistema de calentamiento del UASB que, junto con bajos pH en la alimentacin cruda, llevaron a rendimientos de remocin de la carga orgnica de entre un 15 y 70% solamente. Subsecuentemente, los parmetros de operacin del sistema de lodos activados - carga volumtrica y carga msica - cambiaron fuertemente, abandonando sus rangos ptimos de operacin. Se observ flculos livianos y un problema de Bulking gravsimo, con IVLs de hasta 1000 mL/g y una disminucin de los MLVSS bajo los 1000 mg/L, que agravaron la operacin de la planta e hicieron necesaria una nueva inoculacin. Se logr eficiencias de remocin de la carga orgnica de hasta 92% para la fase aerobia, dando como resultado un 97% de rendimiento total, aparentemente independientes de las cargas aplicadas. Se realizaron cambios en la configuracin elctrica y electrnica de la planta, pero es necesario efectuar inversiones para lograr su mxima funcionalidad en los campos del sistema de calentamiento del reactor anaerobio, adquisicin de bombas peristlticas adicionales adecuadas para un funcionamiento autnomo durante periodos de tiempo prolongados, y los sensores necesarios de pH. No se logr conectar la unidad de control RTU, por lo cual fue devuelta al fabricante, situacin que hizo casi imposible un anlisis profundo. Se propuso un diseo de programa interno de la RTU de tal modo que pueda almacenar los datos de medicin durante periodos prolongados, para garantizar la operacin autnoma de la planta sin presencia del PC y del programa controlador y visualizador RTU-Terminal.Puesta en Marcha y Operacin de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera

ndice

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ndice1 Introduccin y Objetivos ....................................................................................................... 1 1.1 1.2 Introduccin............................................................................................................ 1 Objetivos ................................................................................................................ 2

1.2.1 Objetivos Generales .................................................................................................. 2 1.2.2 Objetivos Especficos ................................................................................................ 2 2 Antecedentes ....................................................................................................................... 3 2.1 El Proceso de Lodos Activados .............................................................................. 3

2.1.1 Factores que influyen en el Proceso.......................................................................... 4 2.1.2 Parmetros de Control .............................................................................................. 5 2.2 El Problema del Bulking.......................................................................................... 6

2.2.1 Factores que influyen en el fenmeno ....................................................................... 7 2.2.2 Posibles Soluciones ................................................................................................ 10 2.3 Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales ....................................................... 11

2.3.1 Metabolismo Anaerobio........................................................................................... 11 2.3.2 Factores que influyen en el Metabolismo Anaerobio................................................ 13 2.3.3 Reactor UASB ......................................................................................................... 14 2.4 Industria Cervecera y Tratamiento de RILes......................................................... 18

2.4.1 Elaboracin de Cerveza .......................................................................................... 18 2.4.2 Elaboracin de Gaseosas........................................................................................ 19 2.4.3 Generacin y Composicin de RILes....................................................................... 19 2.4.4 Caractersticas del RIL afluente al Tratamiento Secundario de la Planta Cervecera local ................................................................................................................................ 22

2.4.5 Tcnicas del Tratamiento de RILes ......................................................................... 25 2.4.6 Planta de Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera local.............................. 26 3 Materiales y Mtodos ......................................................................................................... 30 3.1 Descripcin de la Planta ....................................................................................... 30

3.1.1 Fase Anaerobia ....................................................................................................... 31 3.1.2 Fase Aerobia ........................................................................................................... 32 3.1.3 Temporizadores ...................................................................................................... 35 3.1.4 Bombas Peristlticas ............................................................................................... 35 3.2 Unidad de Control................................................................................................. 36

3.2.1 RTU......................................................................................................................... 36 3.2.2 RTU-Terminal.......................................................................................................... 36


ndice

v

3.3 3.4

Mtodos Analticos y Programa de Muestreo........................................................ 37 Operacin de la Planta ......................................................................................... 40

3.4.1 Parmetros de Operacin........................................................................................ 40 3.4.2 Suministro de Nutrientes Adicionales ...................................................................... 41 4 Resultados y Discusin...................................................................................................... 43 4.1 Funcionamiento de la Planta ................................................................................ 43

4.1.1 Fase Anaerobia ....................................................................................................... 43 4.1.2 Fase Aerobia ........................................................................................................... 47 4.2 Anlisis de la Unidad de Control ........................................................................... 51

4.2.1 RTU......................................................................................................................... 51 4.2.2 RTU-Terminal.......................................................................................................... 53 4.3 Operacin de la Planta con un RIL de la Industria Cervecera............................... 54

4.3.1 Descripcin del Perodo de Operacin .................................................................... 54 4.3.2 Caracterizacin de RILes Usados en la Planta........................................................ 55 4.3.3 Parmetros de Control ............................................................................................ 57 5 6 7 Conclusiones y Recomendaciones .................................................................................... 65 Nomenclatura..................................................................................................................... 67 Bibliografa ......................................................................................................................... 69 Anexo A Anexo B Anlisis fsico-qumico ............................................................................................. I Anlisis Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) ...................................................... II

Anexo C Anlisis Slidos Suspendidos (SS) ........................................................................ III Anexo D Parmetros de Operacin......................................................................................IV Anexo E Anexo F Programacin de los Temporizadores ....................................................................V Diseo de la Placa Decantadora............................................................................VI

Anexo G Programacin de los Medidores MONEC .............................................................VII Anexo H Descripcin Breve del RTU-Terminal y las Configuraciones Apropiadas .............VIII


ndice

vi

ndice de FigurasFigura 1: Probabilidad individual y sumatoria de pH del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera ............................................................................................... 22 Figura 2: Probabilidad individual y sumatoria de SST del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera ............................................................................................... 23 Figura 3: Probabilidad individual y sumatoria de la DQO del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera............................................................................. 24 Figura 4: Planta acoplada anaerobia-aerobia utilizada en el proyecto....................................... 30 Figura 5: Planta con caudales y concentraciones relevantes .................................................... 37 Figura 6: Modificacin de la placa decantadora ........................................................................ 44 Figura 7: Tiempo de servicio para distintos modos de trabajo de las bombas peristlticas ....... 45 Figura 8: Influencia del nmero de revoluciones del impulsor sobre la concentracin del oxgeno disuelto durante fallas de difusores ........................................................................... 48 Figura 9: Memoria requerida de la RTU para guardar los datos de muestreo durante los das de funcionamiento autnomo a distintas frecuencias de medicin ................................. 53 Figura 10: DQOtotal durante el perodo de operacin ................................................................. 59 Figura 11: SSTAE, SSVAE y IVL durante el perodo de operacin............................................... 61 Figura 12: SST y SSV en los Caudales de la Alimentacin Cruda, Entrada AE y Salida Clarificador................................................................................................................ 62 Figura 13: Parmetros de control (CVAN, CVAE y F/M) durante el perodo de operacin ............ 64


ndice

vii

ndice de TablasTabla 1: IVL y microorganismos predominantes observados para distintas aguas residuales (Wagner, 1982) ............................................................................................................ 9 Tabla 2: Carga volumtrica aplicable y flujo ascendente mximo para reactores UASB .......... 17 Tabla 3: Caractersticas de RILes de la industria cervecera (Rosenwinkel et al., 1996) ........... 20 Tabla 4: Parmetros de diseo del RIL de la planta cervecera local (Kristal, s/a)..................... 21 Tabla 5: Concentracin de nutrientes y relaciones DQO:N:P del RIL afluente al tratamiento biolgico de la planta cervecera local ......................................................................... 25 Tabla 6: Valores referenciales de diseo de reactores UASB empleados en el tratamiento de RILes en la industria cervecera (Bhnke et al., 1993)................................................. 25 Tabla 7: Caractersticas de las bombas peristlticas................................................................ 35 Tabla 8: Puntos y tcnicas de muestreo................................................................................... 38 Tabla 9: Programa de muestreo............................................................................................... 38 Tabla 10: Niveles de Bulking, IVL y cantidad visible de filamentos (Wagner, 1982) ................. 40 Tabla 11: Relaciones geomtricas para un fermentador estndar (segn Vidal, 2000) y del tanque de aireacin de la planta................................................................................. 49 Tabla 12: Caracterizacin de los RILes utilizados y los TRH empleados ................................. 56 Tabla 13: Anlisis de la razn DQO:N:P de los RILes empleados durante el proyecto ............ 56 Tabla 14: Relaciones DBO5:DQO para distintas fases del tratamiento..................................... 60 Tabla 15: Remocin de nutrientes durante el proyecto ............................................................ 64


Introduccin y Objetivos

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1 Introduccin y Objetivos1.1 IntroduccinEn Chile, la creciente conciencia frente a perjuicios al medio ambiente producidos por la actividad del ser humano culmin en marzo de 1994, en la promulgacin de la Ley N 19.300 de Bases del Medio Ambiente, marco jurdico que establece mediante normas y reglamentos, derechos y obligaciones que toda actividad industrial debe tomar en consideracin, con la finalidad de proteger y preservar el medio ambiente. La Norma Chilena NCh 2280/1.c96 define adems las caractersticas fsico-qumicas que deben cumplir descargas de residuos industriales lquidos a sistemas pblicos de recoleccin de aguas. El Decreto Supremo N 609 regula los efluentes de las industrias a la red de alcantarillado y las plantas de tratamiento de aguas servidas. Establece, adems, los lmites para 25 contaminantes.

En este marco, el Departamento de Ingeniera Qumica de la Universidad de La Frontera Temuco (UFRO) ha llevado a cabo numerosos estudios en cooperacin con distintas industrias durante la ltima dcada. Su objetivo general y finalidad es el establecimiento de medidas internas de manejo y minimizacin de efluentes como la reduccin de sustancias contaminantes de los Residuos Industriales Lquidos (RILes) generados y liberados a recipientes lquidos y al medio ambiente, adems de estudiar alternativas de tratamiento.

En la actualidad el Laboratorio de RILes UFRO cuenta con una planta de tratamiento biolgico acoplado que consiste en un reactor anaerobio tipo Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB), junto a un sistema de lodos activados a escala de laboratorio, que puede ser utilizado para el estudio del tratamiento de RILes de distintas industrias y para fines de docencia.

Este informe tiene como finalidad documentar los resultados y experiencias de una primera puesta en marcha de dicha planta y proponer posibles mejoramientos al sistema a travs de la operacin de la planta con RILes de una industria cervecera.

El presente trabajo se realiz en la UFRO durante un intercambio estudiantil del proyecto B4 "Science and Engineering for Environmental Protection" del programa ALFA de la Unin Europea.


Introduccin y Objetivos

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1.2 ObjetivosLos objetivos del presente trabajo, se desglosan en objetivos generales y objetivos especficos, detallados a continuacin.

1.2.1 Objetivos Generales Poner en marcha la planta a escala de laboratorio de tratamiento de efluentes lquidos, verificando el funcionamiento de todos sus dispositivos Evaluar el funcionamiento de la planta con un RIL tipo, controlando los parmetros de operacin: carga volumtrica (CV), carga msica/factor de carga (F/M), nutrientes, pH, temperatura (T), aireacin-agitacin, retorno y descarte de lodos.

1.2.2 Objetivos Especficos Verificar el funcionamiento correcto tanto de los medidores de oxgeno disuelto (OD) y de pH, como de sus ajustes automticos en el tanque de aireacin a travs de un compresor de aire y la adicin de cido respectivamente Conectar los medidores a la unidad de control RTU y establecer la comunicacin con el programa de control RTU-Terminal Evaluar las capacidades de presentacin de datos de medicin del RTU-Terminal Documentar la programacin correcta de los parmetros ms importantes de los medidores, de la RTU y del RTU-Terminal Llevar a cabo los cambios necesarios en la configuracin de la planta, aadir los dispositivos requeridos y hacer propuestas para futuras configuraciones Poner en marcha la planta con un RIL de la industria cervecera Llevar a cabo un seguimiento completo de los reactores, determinando todos los parmetros necesarios para establecer las balances de masa: Slidos suspendidos (SS), demanda qumica de oxgeno (DQO), demanda bioqumica de oxgeno durante cinco das (DBO5) y nutrientes (nitrgeno, fsforo) Determinar la eficiencia de remocin de contaminantes alcanzada Documentar los parmetros de control: Tiempo de residencia hidrulica (TRH), carga volumtrica, carga msica/factor de carga, ndice volumtrico de lodos (IVL).


Antecedentes

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2 Antecedentes2.1 El Proceso de Lodos ActivadosEntre los procesos secundarios o biolgicos de tratamiento de aguas residuales urbanas e industriales, el proceso de lodos activados ha sido utilizado a partir de 1913, desarrollndose a partir de lagunas aireadas de estabilizacin (Wiesmann, s/a). El proceso de lodos activados es el ms empleado para el tratamiento de residuos lquidos que presentan contaminacin orgnica (Wagner, 1982). El proceso de lodos activados consiste en una poblacin microbiana densa mezclada en suspensin con el agua residual bajo condiciones aerobias, donde tasas extremamente altas de crecimiento y respiracin microbiana se llevan a cabo purificando el agua a travs de la metabolizacin de la materia orgnica presente a productos finales inorgnicos oxidados como CO2 o NO3- y la biosntesis de nuevos microorganismos. A diferencia de los antiguos procesos extensivos, se le llama intensivo por su caracterstica de alcanzar elevadas concentraciones de lodos biolgicos dentro de un tanque aireado, a travs del empleo de una decantacin secundaria junto al retorno de los lodos separados al tanque aireado. (Gray, 1990)

El proceso de lodos activados consiste en dos fases: la aireacin y la decantacin secundaria de los lodos. En la primera fase, el agua residual es introducida al tanque de aireacin, el cual contiene la poblacin microbiana; el aire es suministrado a travs de aireadores que cumplen la doble funcin de mantener un nivel mnimo de oxgeno para la respiracin microbiana en el medio y de mantener los flculos microbianos en un estado continuo de suspensin agitada, asegurando de esa manera el contacto mximo entre la superficie de los flculos y el agua residual. La mezcla continua no solo es importante para asegurar una adecuada alimentacin, sino tambin para mejorar la transferencia de masa a travs de un alto gradiente de concentracin de oxgeno y para apoyar la difusin de productos metablicos desde el centro de los flculos. Cuando el agua residual entra al tanque de aireacin, desplaza el licor mezclado hacia el clarificador. En esta segunda fase, la biomasa floculenta decanta rpidamente de la suspensin, formando lodos espesados y dejando el efluente completamente libre de slidos, el cual es descargado subsecuentemente como efluente final. La mayor parte de los lodos espesados es retornada al tanque de aireacin, donde acta como inculo de microorganismos, asegurando una concentracin suficiente y adecuada para la oxidacin del agua residual


Antecedentes

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durante su retencin dentro del tanque de aireacin. Los lodos en exceso son purgados del clarificador y enviados a su posterior tratamiento. (Gray, 1990)

2.1.1 Factores que influyen en el ProcesoExiste una variedad de factores que influyen en el metabolismo aerobio, siendo los ms importantes en la prctica: la temperatura, el pH, la concentracin de oxgeno disuelto y la composicin de sustrato. Temperatura La cintica de un proceso biolgico, segn la ley de Arrhenius, depende de la temperatura en que ste se desarrolla. Adems incide sobre la velocidad de transferencia de gases, la concentracin mxima de equilibrio de oxgeno disuelto y las caractersticas de sedimentacin de los flculos, debido a la influencia sobre la viscosidad del agua. (Metcalf & Eddy, 1995; Ronzano et al., 1995) pH El pH ptimo del licor para un adecuado funcionamiento est comprendido entre 6,5 y 8,5. El RIL que entra al sistema de lodos activados es diluido con los contenidos del tanque de aireacin y neutralizado por el CO2 producido por la respiracin microbiana. El bicarbonato resultante presenta buena capacidad de buffer alrededor de pH 8,0 y en el caso de su mantenimiento este pH no variar aun bajo suministro de efluentes cidos o bsicos. (Eckenfelder, 1989) Concentracin de oxgeno disuelto Dentro de las propiedades de transferencia de masa, el oxgeno es fundamental y generalmente la etapa controlante de la velocidad del proceso. Desde del punto de vista ingenieril determinar la capacidad de aireacin de un equipo es fundamental para su funcionamiento y para la optimizacin de costos, siendo imprescindible la determinacin de factores asociados a la aireacin. (Ramalho, 1993) Generalmente se intenta garantizar una concentracin lmite de oxgeno de 2 mg/L, la cual puede ser mayor, dependiendo de la carga msica aplicada (Ronzano et al., 1995). Composicin de sustrato y equilibrio nutricional La actividad biolgica de los lodos y sus propiedades con respecto a la decantacin son afectadas por la composicin del agua residual. En sistemas convencionales de lodos activados se requiere una tasa de DBO5:N:P de 100:5:1 para mantener el balance de nutrientes ptimo para la actividad heterotrfica de los microorganismos (Gray, 1990). Se


Antecedentes

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considera un agua desequilibrada cuando esta tasa no es alcanzada (ATV, 1975; ATV, 1985; Matsch et al., 1998; Ronzano et al., 1995; Wagner, 1982).

2.1.2 Parmetros de ControlLos parmetros de control son la edad de lodos y la carga de alimentacin aplicada, los que deben mantenerse dentro de ciertos rangos establecidos para un tipo de agua residual en particular. Este control se logra regulando adecuadamente el caudal de recirculacin y el descarte o purga de lodos. Slidos suspendidos La concentracin de slidos suspendidos en el licor de mezcla (ingl. Mixed Liquor Suspended Solids, MLSS) es una manera primaria de evaluar la biomasa activa en el tanque de aireacin. Como parte de los MLSS son inorgnicos, se expresa la biomasa a travs de la fraccin orgnica, o sea slidos suspendidos voltiles del licor de mezcla (ingl. Mixed Liquor Volatile Suspended Solids, MLVSS). Concentraciones normales de MLSS varan entre 1500 a 3500 mg/L para unidades convencionales y hasta 8000 mg/L en unidades especiales (Gray, 1990). Para plantas de tratamiento de RILes de la industria cervecera se emplean concentraciones de MLSS entre 1500 a 4000 mg/L, y como valor promedio una concentracin de 2500 mg/L (Rosenwinkel et al., 1996). Edad del lodo La edad del lodo o el tiempo de residencia celular (TRC) afecta el carcter y las condiciones de los flculos dentro del tanque de aireacin y es un factor operacional de control de la actividad de los lodos, por su influencia recproca a la velocidad de crecimiento especfico celular. Unidades convencionales sin nitrificacin trabajan a TRC de 3-4 das, el cual puede extenderse hasta 30 das en unidades de aireacin prolongada. (Ronzano et al., 1995) Factores de carga Es til expresar cargas en trminos de DQO o DBO5 aplicada por unidad de volumen del tanque (CV) si hay aguas residuales de cargas variables. En tratamientos convencionales de lodos activados la CV est comprendida entre 0,4 hasta 1,5 kg DBO5/(m3*d) y en el rgimen de aireacin prolongada de solamente 0,03 a 0,15 kg DBO5/(m3*d) (Gray, 1990; Rosenwinkel et al., 1996). El factor de carga (F/M) de los lodos es muy til para el control del proceso de lodos activados y es un parmetro manipulable. Se refiere a la relacin entre la materia orgnica del afluente y la cantidad de microorganismos en el reactor para degradar este sustrato (Ramalho, 1995). Para la mayora de las aguas residuales el valor


Antecedentes

6

ptimo

de

la

relacin

F/M

se

encuentra

dentro

de

los

lmites

de

0,3

a

0,6 kg DBO5/(kg MLVSS*d) (Ramalho, 1995). Este se puede reducir hasta por debajo de 0,1 kg DBO5/(kg MLVSS*d) en la modalidad de aireacin prolongada (Rosenwinkel et al., 1996).

2.2 El Problema del BulkingPara un buen funcionamiento del proceso son necesarias buenas propiedades de los lodos sobre todo el crecimiento floculento de los microorganismos. Los flculos no solo tienen que ser eficientes en la adsorcin y absorcin subsecuente de la fraccin orgnica del agua residual, sino tienen que ser separados rpidamente y efectivamente en el decantador secundario.

De tal modo, se suele definir distintos problemas de proceso relacionados con la calidad del lodo. Espumas o lodos flotantes estn constituidos por burbujas pequeas a las cuales son agregados microorganismos y sustancias tensoactivas. Condicin previa para la formacin de aquellas burbujas es la existencia de sustancias superficialmente activas y de estabilizadores que se concentren en la interfase agua/gas. Espumas blancas causadas por sustancias tensoactivas no son persistentes, en contraposicin a las espumas negras formadas por microorganismos como Microthrix parvicella, Nostocoida sp., actinomicetos del gnero Nocardia, entre otros. (ATV-AG 1988; Lemmer et al., 1998) Pin-Point describe la situacin de flculos ligeros y pequeos, sin la presencia de organismos filamentosos, o de bajo nmero, que no perturban la decantacin y el espesamiento, expresado por un bajo IVL. Sin embargo, el sobrenadante queda turbio. Este fenmeno de crecimiento disperso ocurre cuando la concentracin de sustrato es muy baja o muy alta. (Ronzano et al., 1995) Bulking se llama a la presencia predominante de organismos filamentosos en flculos resistentes y grandes que perturban la decantacin y espesamiento, expresado por un alto IVL, mientras el sobrenadante queda claro (Ronzano et al., 1995). Otra forma menos observada, es el llamado Bulking extremadamente mucoso. Los flculos voluminosos en este caso no son causados por microorganismos filamentosos, sino por bacterias de la familia Zooglea y fcilmente evitables. (Li, 1993)

Puede considerarse que el Bulking empieza cuando comienzan los problemas de decantacin, debido a una insuficiente velocidad de sedimentacin de los flculos. Generalmente, los lodos


Antecedentes

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activados se suponen en Bulking cuando el IVL supera los 150 mL/g (ATV-AG, 1988; Matsch et al., 1998). Ronzano et al. (1995) define como valor umbral un IVL de 200 mL/g. Otro indicador empleado es la relacin MLVSS/MLSS. Los valores crticos son superiores a 0,75, mientras a valores inferiores a 0,6 no aparece el Bulking (Wagner, 1984).

Estudios estadsticos en Alemania han demostrado que ms de la mitad de las plantas de purificacin basadas en un sistema de lodos activados de una sola etapa, a veces presentan mal funcionamiento causado por el Bulking (Wagner, 1982). Ronzano et al. (1995) indican que el 40% de las plantas de depuracin presentan Bulking durante perodos de tiempo muy variables, y a veces en continuo. En la industria agroalimentaria la situacin es peor, y casi todas las plantas en alguna ocasin han sufrido Bulking.

2.2.1 Factores que influyen en el FenmenoUn sistema de lodos activados se puede caracterizar como ecosistema abierto, en el cual los distintos organismos compiten por alimento. En este ambiente, el suministro de sustrato junto a diferentes propiedades morfolgicas, fisiolgicas y cinticas de crecimiento entre

microorganismos filamentosos y microorganismos formadores de flculos conducen a distintas velocidades especficas de crecimiento y determinan sus relaciones proporcionales en los lodos activados. Sin embargo, las causas del Bulking todava carecen de esclarecimiento (Li, 1993).

Son dos las hiptesis sobre la formacin del Bulking (segn Li, 1993): Relacin superficie/volumen Los filamentos sobresalientes en los flculos tienen una relacin superficie/volumen ms elevada que un flculo compacto y pueden as captar mejor el oxgeno o nutrientes disueltos, lo que lleva a una mayor velocidad de crecimiento especfico. En cambio, las aguas residuales ricas en partculas suspendidas favorecen a los formadores de flculos, ya que los microorganismos filamentosos no pueden utilizar aquellas como alimentos y no pueden aprovechar su gran superficie. Wagner (1982) aade que los formadores de flculos poseen una mejor variedad de enzimas para romper estructuras complejas hacia molculas pequeas, capaces de ser absorbidas por las clulas. Efecto selectivo de sustancias nocivas Las distintas sustancias nocivas perjudican de manera diferente los microorganismos filamentosos y los formadores de flculos. Se ha demostrado por ejemplo, que la alta concentracin de fenol favorece el Bulking inhibiendo ms los formadores de flculos. En


Antecedentes

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cambio, el H2O2 presenta un efecto opuesto. Esta hiptesis se est aprovechando para combatir el Bulking. 2.2.1.1 Condiciones del proceso Se ha demostrado que la carga msica no es un buen indicador para la descripcin del Bulking (ATV-AG, 1988). En una planta de lodos activados con cargas msicas de 0,3 a 0,5 kg DBO5/(kg MLVSS*d), el IVL puede variar entre 100 y 600 mL/g (Ronzano et al., 1995). Para valores inferiores a 0,1 kg DBO5/(kg MLVSS*d) con RILes de la industria cervecera, se puede contar con un proceso estable y poca formacin de lodos voluminosos (Seyfried, 1969). Chudoba et al. (1973) muestran una significativa dependencia del tipo de flujo hidrulico, con mejores IVL para la mezcla integral bajo cargas altas. Wagner (1982) encuentra un IVL mximo con cargas volumtricas entre 0,4 y 0,7 kg DBO5/(m3*d). Debido a que su superficie es relativamente mayor, los microorganismos filamentosos aprovechan mejor el oxgeno que los formadores de flculos cuando su concentracin es baja (Ronzano et al., 1995). El Bulking se presenta muchas veces por deficiencias de oxgeno, por ejemplo, como resultado de sobrecarga prolongada (Jenkins et al., 1993). Generalmente se intenta garantizar una concentracin lmite de oxgeno de 2 mg/L, la cual puede ser mayor, dependiendo de la carga msica aplicada (Ronzano et al., 1995).

En general, los gradientes de velocidad necesarios para obtener una oxigenacin suficiente son bastante ms elevados que los valores ptimos para producir una correcta floculacin, y la destruccin de los flculos - debido al sufrimiento de altas fuerzas en las bombas del sistema de recirculacin - facilita el crecimiento de microorganismos filamentosos (Ronzano et al., 1995). 2.2.1.2 Tecnologa de operaciones y procesos Se ha demostrado la predisposicin de tanques de aireacin con mezcla integral/perfecta al Bulking, en comparacin con los de flujo pistn. En el fondo, los microorganismos filamentosos generalmente tienen valores de la velocidad mxima de crecimiento especfico (max) y de la constante de saturacin (KS) ms bajos que los microorganismos floculentos. Adems, concentraciones de sustrato disponibles menores a 10 mg/L en tipos de flujo hidrulico como el de mezcla integral favorecen a los microorganismos filamentosos, mientras que en partes importantes del recorrido del licor, en tanques con flujo pistn, la concentracin de sustrato es


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alta y el crecimiento de los organismos floculentos es superior al de los filamentosos (Chudoba et al., 1973; Ronzano et al., 1995).

La reduccin del tiempo de residencia hidrulica en la decantacin primaria aumenta la concentracin de partculas suspendidas, lo que conduce a una situacin ms favorable para los microorganismos floculentos, segn la primera hiptesis sobre la formacin del Bulking y, adems, carga a los flculos, aumentando su densidad (Wagner, 1982). Se ha reportado que el agua putrefacta, por permanecer tiempos prolongados bajo condiciones anxicas, causa Bulking (Wagner, 1982; Li, 1993). Adicionalmente, al producirse cidos orgnicos de cadena corta, el posible desarrollo de H2S puede fomentar el crecimiento de microorganismos filamentosos como Thiothrix sp. y Tipo 021N (Ronzano et al., 1995; Matsch et al., 1998). Igualmente desfavorables son los prolongados tiempos de residencia de los lodos en la decantacin secundaria (Schlegel, 1986). 2.2.1.3 Composicin del agua a tratar y equilibrio nutricional Las aguas sanitarias con contenidos orgnicos fcilmente degradables y disueltos, especialmente RILes que presentan altos porcentajes de hidratos de carbono de bajo peso molecular, azcares y cidos orgnicos, por ejemplo de la industria alimenticia, estn predispuestos al Bulking (ATV-AG, 1988). Por razones todava desconocidas, un desequilibrio en nutrientes favorece el Bulking.

La Tabla 1 presenta una estadstica que relaciona el origen de las aguas servidas con el IVL observado y los microorganismos predominantes durante acontecimientos de Bulking.

Origen

IVL de 50%

IVL de 84%

Microorganismos predominantes

Aguas servidas domsticas Destilera Industria cervecera Industria de papel

103 103 169 265

148 191 283 613

021N, M. parvicella, 0041 021N, 0041, N. limicola S. natans, 021N, 1701 0041, 021N, actinomicetos

Tabla 1: IVL y microorganismos predominantes observados para distintas aguas residuales (Wagner, 1982)

El valor de 50% corresponde al IVL que es superado durante seis meses del ao, mientras el valor de 84% corresponde al IVL que es superado durante dos meses del ao respectivamente.


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2.2.2 Posibles SolucionesLas posibles soluciones son muy variadas y dependen principalmente del problema concreto, de los microorganismos involucrados y del agua a tratar (Matsch et al., 1998). En su mayora ellos intentarn evitar las condiciones desfavorables mencionadas en el capitulo anterior. Principalmente son factibles adems cambios y medidas en las reas que se describen a continuacin: 2.2.2.1 Empleo de Productos Qumicos Segn Kroiss (1998), el empleo de productos qumicos no es factible para garantizar a largo plazo propiedades mejoradas del lodo, sin embargo evitan evoluciones no agradables.

Para atacar los filamentos se est aadiendo oxidantes H2O2 (Schwarzer et al., 1980) o cloro (Jenkins et al., 1982) en la recirculacin, pese a la generacin de AOX (Matsch et al., 1998). El hierro es empleado en concentraciones entre 20 y 50 g Fe por m3 de agua, como agente de coagulacin y floculacin, para cargar artificialmente los flculos y por su funcin como inhibidor a algunos organismos filamentosos (Ronzano et al., 1995; Li, 1993). Rosenwinkel et al. (1996) evitan el Bulking en una planta de tratamiento de RILes de una industria cervecera aadiendo FeCl3 en una concentracin de 1,16 mg Fe/L hasta lograr un porcentaje de 10% con respecto a los MLSS. Este acta no solamente aumentando el peso especfico de los flculos, sino tambin ayuda a ligar el azufre en la formacin de los pellets anaerobios y es un micronutriente para los microorganismos anaerobios.

Nutrientes adicionales como la urea, se usa para garantizar la relacin ptima DBO5:N:P de 100:5:1 para los microorganismos hetertrofos (Li, 1993). 2.2.2.2 Tecnologa de Operaciones y Procesos Se est evitando la formacin del H2S disminuyendo los tiempos de residencia en la decantacin primaria y/o una aireacin previa en la entrada del tanque de aireacin (Li, 1993). Para reactores con mezcla integral se est empleando un tanque selector (Ronzano et al., 1995). Rosenwinkel et al. (1996) evitan el Bulking en dicha planta de tratamiento de RILes de una industria cervecera aumentado la tasa de recirculacin de 200% a 400%.


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2.3 Tratamiento Anaerobio de Aguas ResidualesEn los ltimos aos se han desarrollado numerosos procesos para residuos de alto contenido en materia orgnica de aguas residuales: uno de ellos es el tratamiento anaerobio. Es uno de los procesos ms antiguos empleados en la estabilizacin de la materia orgnica y slidos biolgicos. Algunas de las ventajas del tratamiento anaerobio sobre el aerobio reside en bajos costos de servicio, debido a que no se emplean equipos de aireacin, tienen un coeficiente de produccin de biomasa inferior que los sistemas aerbicos, por lo tanto una menor generacin de lodos al operar cargas orgnicas superiores que para el caso de los procesos aerbicos, lo que lleva a reactores ms pequeos y por ltimo en la produccin de metano como potencial ventaja debido a su valor como combustible (Bhnke et al., 1993). Las desventajas del tratamiento anaerobio son principalmente el sistema complejo biolgico, la regeneracin lenta de la biomasa despus de perturbaciones, la falta de la eliminacin de los nutrientes como nitrgeno y fsforo y la necesidad del posterior tratamiento adicional del efluente, que sale del reactor (Kraut et al., 1996).

2.3.1 Metabolismo AnaerobioBajo condiciones anaerobias, los microorganismos no pueden respirar, o sea oxidar sustancias orgnicas complejas, sino solamente fermentarlas, es decir, reducirlas. Aquellas sustancias como hidratos de carbono, protenas o grasas son transformadas a productos intermedios como cidos orgnicos o alcoholes de alto contenido de energa. Hay que pretender su completa transformacin al llamado biogs (CH4, CO2), lo que lleva a su remocin del agua y su purificacin. Segn conocimientos actuales, la fermentacin de metano se desarrolla en cuatro pasos consecutivos bajo participacin de distintos grupos de microorganismos (Bhnke et al., 1993): Hidrlisis: Transformacin por va enzimtica de los compuestos polmeros de alto peso molecular a compuestos disueltos, de bajo peso molecular. Acidificacin: Descomposicin de los compuestos orgnicos por bacterias anaerobias facultativas y anaerobias estrictas a cidos orgnicos de cadena corta, alcoholes, H2 y CO2. Acetognesis: cidos orgnicos y alcoholes son transformados a cido actico, H2 y CO2. Metanognesis: Conversin de cido actico, H2 y CO2 en metano por bacterias metanognicas estrictamente anaerobias.


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Como se trata de pasos consecutivos, la transformacin de sustancias orgnicas en metano se lleva a cabo a la velocidad a la cual el sustrato utilizable por las bacterias metanognicas es producido. En general, los pasos de acidificacin y la metanognesis a partir del acetato, no provocan dificultades. Desde este punto de vista, la fase de acetognesis es la limitante de la velocidad para la conversin final, sobre todo en la fermentacin de polmeros fcilmente degradables. Como la cantidad y composicin del biogs es afectada por la concentracin de sustratos convertibles en metano, es factible deducir la actividad de la acetognesis de la produccin del gas (Bhnke et al., 1993).

Para cualquier sustancia orgnica, se puede formular las reacciones de la siguiente manera (Roedinger, 1967): CcHhOoNnSs + y H2O x CH4 + (c - x) CO2 + n NH3 + s H2S donde: x = 1/8 * (4c + h - 2o - 3n - 2s) y = 1/4 * (4c - h - 2o + 3n + 2s)

Como los RILes de la industria cervecera presentan altos contenidos en hidratos de carbono y en protenas (Bhnke et al., 1993), se obtiene: Hidratos de carbono: C6H12O6 3 CO2

+ 3 CH4

(50% : 50%) C13H25O7N3S + 6 H2O 6,5 CO2 + 6,5 CH4 + 3 NH3 + H2S (38% : 38% : 18% : 6%)

Protenas:

El sulfuro de hidrgeno se combina con el hierro de los lodos, lo que da a los lodo anaerobios su color negro caracterstico. Adems, cada molcula de amoniaco se combina con una molcula de dixido de carbono, lo que lleva finalmente a la razn del gas saliente CH4:CO2 = 71%:29%.


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2.3.2 Factores que influyen en el Metabolismo AnaerobioExiste una variedad de factores que influyen en el metabolismo anaerobio, siendo los ms importantes en la prctica la temperatura, el pH y la composicin de sustrato. 2.3.2.1 Temperatura De las leyes de la termodinmica se puede deducir que la velocidad de reacciones qumicas aumenta a temperaturas ascendentes. Esto tiene su limitacin para el caso de las reacciones bioqumicas, cuando temperaturas altas inhiben la actividad del metabolismo microbiano normal. Lo que resulta, es un rango ptimo de la temperatura, dependiendo del organismo. Los formadores de metano y los microorganismos que forman parte en la hidrlisis son termosensibles y mayoritariamente forman parte de los organismos mesfilos, con un rango ptimo de 30 a 40 C con su mximo entre 35 y 37 C. (Bhnke et al., 1993) 2.3.2.2 pH El desarrollo de microorganismos est en estrecha relacin con un pH ptimo, ya que la actividad enzimtica depende fuertemente del mismo. El rango de tolerancia para microorganismos anaerobios se encuentra entre 6,8 a 7,5 de pH, lo que implica, sobre todo para RILes, la necesidad frecuente de correccin anticipada del pH. La estabilidad del proceso anaerobio depende adems de la capacidad buffer dentro del reactor. Como la fermentacin se lleva a cabo a travs de cidos orgnicos como productos intermedios, su concentracin influye fuertemente en el pH, sobre todo con sustratos de baja capacidad buffer (Bhnke et al., 1993). La reduccin del pH inhibe la formacin de metano, lo que hace necesario la implementacin de contramedidas como la reduccin de la carga volumtrica, el aumento del pH a travs de agentes como Ca(OH)2, Na2CO3 o NaOH, e incluso la medida de aadir agua de dilucin (Kroiss, 1986). 2.3.2.3 Composicin de Sustrato Los microorganismos necesitan el sustrato como fuente de energa y para sintetizar material celular. Las condiciones ptimas de nutrientes predominan con valores de DQO:N:P = 800:5:1 y azufre en concentraciones bajas (ATV-FA, 1990), pese a que la cuantificacin a travs de la DQO suma todas las sustancias oxidables y no solo las orgnicas: tampoco dice nada sobre la degradabilidad y disponibilidad (Bhnke et al., 1993).


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El suministro de hierro en forma de FeCl3 es practicado muchas veces debido a su carcter de micronutriente, coagulante e interceptor del H2S. Un valor de referencia en la industria cervecera es 1,16 mg Fe/L (Rosenwinkel et al., 1996).

Algunas sustancias tienen un potencial inhibitorio o txico sobre los microorganismos, dependiendo principalmente de su concentracin. Oxgeno: Txico para anaerobios estrictos, sin embargo no tiene relevancia en la prctica (Bhnke et al., 1993). Azufre: El sulfuro de hidrgeno es txico y es la forma presente a pH bajos (50% a pH 7, 90% a pH 6). Concentraciones elevadas de sulfato inhiben los microorganismos metanognicos, debido a falta de sustrato como consecuencia de la competencia con bacterias desulfuricantes. En la prctica se puede observar la concentracin de H2S en el biogs y tomar contramedidas, en el caso de concentraciones elevadas, aumentado el pH, aadiendo sales de hierro, reduciendo la carga volumtrica y/o diluyendo el efluente (Kroiss, 1986). cidos orgnicos: Tienen un efecto inhibitorio (ver cap. anterior) Metales pesados: Pueden estar presentes en RILes, dependiendo de la industria. La literatura (Bhnke et al., 1993) menciona una variedad de valores umbrales para procesos anaerobios.

2.3.3 Reactor UASBA mediados de los aos 70, el desarrollo de reactores anaerobios modernos de alta eficiencia fue empujado por la implementacin de reactores de manto de lodo de flujo ascendente (Upflow Anaerobic Sludge Blanket, UASB) por Lettinga et al. (1980) y van der Meer (1979). Estos reactores de la llamada segunda generacin presentan tiempos de residencia celular (TRC) superiores e independientes a los tiempos de residencia hidrulica (TRH) en comparacin a los reactores tradicionales de la primera generacin, que carecen de una retencin de los lodos, en donde TRH = TRC. Los reactores UASB estn caracterizados por la retencin interna de los lodos a travs de un sistema de separacin trifsico en la parte superior del reactor, que acta por sedimentacin independiente, o sea por la fuerza de gravedad. Adems se distingue de los dems reactores de segunda generacin por sus lodos que estn formados por grnulos de lodo, los llamados pellets, los cuales no contienen ningn tipo de relleno para soportar el crecimiento biolgico. Las ventajas que presenta el UASB con respecto a otros sistemas anaerbios son: su bajo costo de inversin, el volumen del reactor es pequeo, las


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fermentaciones cidas y metnicas tiene lugar en el mismo reactor, el consumo de potencia es bajo ya que no se requiere de ninguna agitacin mecnica, la retencin de biomasa es muy buena y por lo tanto no es necesario reciclar los lodos y por ltimo la concentracin de biomasa a tratar es alta, por lo que el sistema es resistente a la presencia se sustancias txicas y fluctuaciones de carga. Su aptitud son aguas residuales o RILes de concentraciones bajas o medianas (5 15 g DQO/L) con porciones pequeas de slidos suspendidos. Su

funcionamiento y aptitud fue comprobado para una gran variedad de RILes y existen muchos estudios y documentos sobre su empleo, lo que hace su uso preferible a otras tcnicas. (Bhnke et al., 1993)

En general, el agua residual entra por debajo del reactor, pasa por un distribuidor de flujo, atraviesa el lecho de lodo donde se produce la metabolizacin del sustrato, lo que lleva a la formacin del biogs y el ascenso de burbujas y flotacin de grnulos hacia la parte superior del reactor, donde se separan las tres fases: gas, lquido tratado, y biomasa en un separador trifsico, y el afluente tratado sale por la parte superior, al igual que el biogs se ve recolectado para su futuro uso, mientras los grnulos son retenidos y descienden hacia el lecho. La flotacin de los grnulos se produce debido al entrapamiento de burbujas en el interior de los grnulos o debido a la adhesin de burbujas.

Segn van der Meer (1979), con este tipo de reactores se puede llegar a altas eficiencias de purificacin, siempre y cuando se cumplan los siguientes requerimientos: Formacin de un sistema que consiste en un lecho de lodos y un manto de lodos. Distribucin uniforme del afluente en el fondo del reactor. Mezcla de los contenidos del reactor a travs del gas producido. Efectiva separacin de gas, efluente y biomasa.

2.3.3.1 Sistema Lecho de Lodos y Manto de Lodos La formacin de los grnulos (pellets) es una importante condicin para el servicio eficiente y econmico de reactores de manto de lodo. Esto depende fuertemente de la composicin del RIL, de la tcnica de procedimiento utilizada y de la puesta en marcha. Normalmente se inocular con lodos de un reactor existente. La biomasa en el UASB esta formada por grnulos de 3 a 4 mm con altas velocidades de sedimentacin, de entre 2 a 70 m/h. La concentracin de biomasa en el lecho alcanza valores de slidos suspendidos totales (SST) de 75 a 150 kg/m3,


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siendo la concentracin de slidos suspendidos voltiles (SSV) dentro del reactor de 10 a 50 kg/m3. (Bhnke et al., 1993)

Una posible acidificacin completa interfiere negativamente en la formacin de los grnulos, por lo cual Lettinga et al. (1990) mencionan tasas ptimas de acidificacin entre un 20 a 40%. De esa manera se puede llamar al reactor UASB un sistema de una sola fase, en contrario a los de dos fases, donde se separa en dos reactores la hidrlisis/acidificacin de la

acetognesis/metanognesis. En la prctica, los procesos industriales discontinuos se deben equipar de un ecualizador que acta como una primera fase debido a exigencias de seguridad del proceso bajo flujos y composiciones del RIL cambiantes, o la presencia por momentos de sustancias inhibitorias. 2.3.3.2 Distribucin Uniforme El uso de un nmero limitado de puntos de entrada, junto al hecho que el afluente tiene una densidad inferior comparado con el lecho de lodo, hace resultar en un flujo preferencial a travs del lecho, lo que lleva a canales, cortocircuitos y reas muertas. Las burbujas ascendentes producidas en el lecho, fortalecen los efectos cortocircuitos, pero reducen las reas muertas (van der Meer, 1979). 2.3.3.3 Separacin Trifsica La separacin trifsica interna empleada en los reactores UASB tiene la ventaja de minimizar las fuerzas sobre el lodo, una condicin para la formacin de los grnulos.

Junto a la separacin trifsica se emplea un sistema de decantacin que en el caso de los reactores UASB se puede caracterizar del tipo interno y de flujo vertical. Condicin importante es la ausencia de turbulencia dentro del sistema de decantacin, lo que hay que asegurar con la separacin del rea donde se produce la purificacin, para no intervenir el rgimen de flujo dentro del decantador. Es favorable emplear tiempos de residencia cortos para el sistema de decantacin. Adems hay que interceptar el gas en el separador trifsico, antes que entren los lodos al sistema de decantacin. Con prdidas no tolerables de lodos, a veces se emplea un decantador externo adicional. (van der Meer, 1979)


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2.3.3.4 Valores de Diseo del UASB Segn Lettinga et al. (1990), el volumen del reactor depende de los siguientes factores: Carga diaria mxima del DQO. Carga mxima permitida del separador trifsico. Temperatura mnima del afluente. Concentracin y composicin del afluente. Eficiencia de purificacin requerida. Carga volumtrica permitida bajo una retencin especfica dada de lodo,

siendo el ltimo factor de diseo el ms importante.

DQO del afluente (mg/L) Lettinga et al. (1990) < 2000

Porcin suspendida de DQO (%) 10 30 30 60 60 100

CV aplicable a 30 C, lodos granulados (kg DQO/(m3*d)) 24 24 UASB intil 35 46 48 5 15

Flujo ascendente mximo (m/h) 3 1 1,5

Lettinga et al. (1990)

2000 6000

10 30 30 60 60 100

3 1 1,5 0,5 2

Bhnke et al. (1993) Rosenwinkel et al. (1996)

6 (a 20 24 C) 10

Tabla 2: Carga volumtrica aplicable y flujo ascendente mximo para reactores UASB

Otros autores proponen el diseo segn la edad del lodo, comparable al tratamiento aerobio (Kraut et al., 1996).


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2.4 Industria Cervecera y Tratamiento de RILes2.4.1 Elaboracin de CervezaEl proceso de la elaboracin de cerveza consiste en una variedad de operaciones y procesos, los cuales incluyen la seleccin de materias primas, cocimiento, fermentacin, reposo, filtracin, dilucin y envasado (CCU, 1998).

Seleccin de materias primas: Empieza con la descarga, limpieza y el almacenamiento. Cocimiento: Consiste en la produccin del mosto que fermentarn las levaduras en la etapa de fermentacin. Sub-procesos son la preparacin y acondicionamiento de las materias primas a travs de procesos trmicos (autoclavado) y la separacin del mosto de slidos insolubles (orujo). El mosto se somete a un proceso de coccin o ebullicin con el fin de lograr su estabilizacin, el desarrollo del sabor y su concentracin. Posteriormente atraviesa un filtro y es enfriado hasta la temperatura de inicio de la fermentacin.

Fermentacin: Proceso anaerobio mediante el cual las levaduras transforman el mosto en cerveza. Despus de siete das, tiempo total de la fermentacin, una parte importante de la levadura flocula, recuperndose y reutilizndose en nuevas fermentaciones.

Reposo: La cerveza concentrada reposa en los estanques de reposo durante siete das, perodo en el cual se produce una gran cantidad de reacciones biolgicas que son responsables del aroma, sabor, clarificacin, maduracin y estabilizacin de la cerveza.

Dilucin y filtracin: La cerveza reposada es diluida con agua, carbonatada, desaireada y enfriada. Posteriormente se la somete a una filtracin con el objeto de remover sustancias suspendidas, logrando como producto final una cerveza transparente.

Envasado: Se realizan las operaciones de lavado de envases, llenado, pasteurizado, etiquetado, encajonado y paletizado. Los productos terminados son almacenados en bodega.


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2.4.2 Elaboracin de GaseosasPrincipalmente, la elaboracin de gaseosas se limita a la solubilizacin y dilucin de extractos frutales y concentrados con agua, CO2, azcar, edulcorantes, etc. (Bhnke et al., 1993). En la planta cervecera local se considera tres reas de produccin: produccin de azcar lquido, produccin de jarabes y embotellacin (CCU, 1998):

Azcar lquido: El azcar es disuelto con agua en un estanque de solubilizacin. Jarabe: En esta rea se elaboran los diferentes tipos de jarabes requeridos para la produccin de las distintas variedades de gaseosas. El jarabe se formula a partir del azcar lquido, aditivos (preservantes, colorantes y otros) y agua.

Embotellacin: Considera adems del lavado de botellas las operaciones de embotellacin del producto, realizndose en esta etapa la disolucin del jarabe con agua y la carbonatacin. Posteriormente las botellas son envasadas, etiquetadas, empacadas y paletizadas.

2.4.3 Generacin y Composicin de RILesLas diferentes operaciones unitarias involucradas en el proceso de produccin de la cerveza generan cantidades importantes de materia orgnica y deterioran la calidad del agua en sus parmetros fsico-qumicos. Las ms relevantes son las operaciones de lavado de botellas, operacin de lavado de estanques de fermentacin, de reposo, de levadura, filtro de tierra y lavado de maquinarias relacionadas con el envasado del producto final. A estas corrientes se les suman las prdidas de producto, tanto como rompimiento de botellas, como derrames de producto, los que tambin aportan cantidades importantes de materia orgnica (Kristal, s/a).

Debido a la produccin discontinua, los RILes de la industria cervecera se caracterizan por flujos, concentraciones y pH fuertemente cambiantes; adems presentan bajas temperaturas, entre 20 y 30 C, un DQO relativamente bajo para el tratamiento anaerobio y una relacin favorable de DQO/DBO5 de 1,8 2, debido a sus altos contenidos de hidratos de carbono y de protenas (Bhnke et al., 1993). La siguiente Tabla 3 resume caractersticas promedio en RILes de la industria cervecera.


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Contenido DBO5, mezclada DBO5, sedimentada DQOmezclada DQOsedimentada Nitrgenototal Fsforototal Materia sedimentable

Concentracin (mg/L) 1100 1500 900 1200 1800 3000 1500 2500 30 100 10 30 10 60

Tabla 3: Caractersticas de RILes de la industria cervecera (Rosenwinkel et al., 1996)

La buena biodegradabilidad de los RILes de la industria cervecera se expresa tambin en una alta tasa de acidificacin (principalmente cido actico y cido propinico) entre 60 y 75% hasta unos 98% bajo elevados tiempos de retencin en el ecualizador (Rosenwinkel et al., 1996).

Los contenidos de nitrgeno en su mayora son de origen orgnico, provenientes de protenas y de levaduras, y en menor cantidad el nitrgeno inorgnico en forma de nitrato, proveniente del uso de cido ntrico como detergente. Si hubiera buena eficiencia en la recuperacin y remocin de la levadura y no se usara cido ntrico para la limpieza, se obtendran concentraciones muy bajas de nitrgeno en el RIL. El fsforo se origina principalmente del uso de detergentes en base a fosfatos y cido fosfrico en actividades de limpieza. Los RILes adems contienen concentraciones pequeas de azufre y amonio (Rosenwinkel et al., 1996).

Segn la literatura, la produccin especfica de RILes con respecto al producto final varia entre 0,27 y 1,16 m3/HL y el valor promedio entre 0,4 y 0,6 m3/HL, la cual es mucho ms alta que la produccin especfica de RILes en la elaboracin de gaseosas con valores referenciales promedio de 0,15 m3/HL (Bhnke et al., 1993; Rosenwinkel et al., 1996). Teniendo en cuenta que la planta cervecera local produce cuatro veces ms cerveza que gaseosas, y que la lnea de elaboracin de gaseosas genera concentraciones inferiores de DQO, es factible despreciarla y concentrarse en el rea cervecera.

Estudios realizados en distintas cerveceras obtuvieron concentraciones de compuestos tensioactivos aninicos de 0,05 a 0,40 mg/L y de no inicos de 0,56 a 3,84 mg/L provenientes de sustancias como desinfectantes y detergentes, que pueden influir fuertemente en los


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procesos biolgicos debido a su potencial inhibitorio y/o txico. En el proceso de elaboracin de cerveza se utilizan detergentes para eliminar residuos orgnicos e inorgnicos. Los desinfectantes son agentes para matar microorganismos patgenos y grmenes. Los ingredientes ms importantes de ambos agentes son: cidos, lejas, fosfatos y silicatos, de origen inorgnico. Adems contienen sustancias orgnicas como tensioactivos, antiespumantes y formadores de conjuntos, entre otros. Menos relevantes son los contenidos en adhesivos y aluminio provenientes de las etiquetas (Rosenwinkel et al., 1996).

En la industria cervecera local el efluente lquido contiene una gran carga de desechos orgnicos; la produccin de un hectolitro de cerveza produce agua residual con una contaminacin aproximada de 800 g de DBO5. Las aguas residuales se componen principalmente del lquido de recuperacin de levaduras y del agua de lavado de varios departamentos, por ejemplo: las aguas que proceden del lavado de botellas tienen una concentracin de 200 a 400 mg/L de DBO5, las del lavado de los tanques de fermentacin o de los filtros tiene 3000 mg/L de DBO5, y las del lavado de tanques hasta 16000 mg/L de DBO5. En el proceso de recuperacin de la levadura, el efluente consta de: residuos de filtros que resultan de la preparacin de soluciones de nutrientes agotados, aguas de lavado (alto contenido en fsforo) y efluente de la filtracin. El volumen de las aguas residuales es del 10 - 20% del volumen de produccin de cerveza, y por su contenido en nutrientes agotados, causa el 75 80% del DBO5 total. (CCU, 1998) La siguiente Tabla 4 resume los parmetros de diseo del RIL afluente a la planta de tratamiento de la industria cervecera local.

Parmetro Caudal medio Das de descarga por mes Volumen mensual Temperatura pH DBO5 SST Aceites y Grasas Fsforo total

Valor 40 L/s 26 89856 m3 30 C 5,0 9,0 2333 mg/L 600 mg/L 60 mg/L 30 mg/L

Carga

8062 kg/d 2074 kg/d 207 kg/d 104 kg/d

Tabla 4: Parmetros de diseo del RIL de la planta cervecera local (Kristal, s/a)


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2.4.4 Caractersticas del RIL afluente al Tratamiento Secundario de la Planta Cervecera local2.4.4.1 Temperatura No hay ningn calentamiento del RIL y de los reactores UASB, por lo tanto, ellos trabajan a temperaturas que fluctan entre 20 y 30 C, dependiendo del proceso y de la temperatura del ambiente. La temperatura de diseo es 30 C. (CCU, 2000a) 2.4.4.2 pH Debido a la modificacin del pH en el ecualizador, el valor de entrada no baja de 6,0 y la gran mayora de los datos se encuentra dentro del rango de 6,4 y 7,2. Excepcionalmente ocurren valores superiores a 8. La siguiente Figura 1 muestra las probabilidades individuales (intervalos de 0,1) y sumatorias del pH del RIL afluente al tratamiento secundario, o sea afluente a los reactores UASB. Los datos representan 164 muestras tomadas durante los meses de abril y octubre del ao 2000 (calculado segn CCU, 2000b).100 Probabilidad sumatoria (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0 pHFigura 1: Probabilidad individual y sumatoria de pH del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera

20 16 12 8 4 0 Probabilidad individual (%)


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2.4.4.3 Slidos Suspendidos Totales (SST) El 95% de los valores de SST vara entre 100 y 1100 mg/L, concentraciones inferiores o superiores apenas ocurren. La concentracin de diseo es 600 mg/L con una carga resultante de 2074 kg/d (Kristal, s/a): sin embargo la concentracin promedio afluente al tratamiento secundario es 375 mg/L. La siguiente Figura 2 muestra las probabilidades individuales (intervalos de 50 mg/L) y sumatorias de los SST que entran a los reactores UASB. Los datos representan los 146 promedios diarios que fueron obtenidos en base a muestras tomadas cada dos horas del da durante abril y octubre del 2000 (calculado segn CCU, 2000b).

100 Probabilidad sumatoria (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500


SST (mg/L)Figura 2: Probabilidad individual y sumatoria de SST del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera

2.4.4.4 Demanda Qumica de Oxgeno (DQO) En el 85% de los casos, la DQO se encuentra entre 1000 y 4500 mg/L, con un promedio de 2750 mg/L, aunque sujeto a cambios bruscos. Excepcionalmente se presentan concentraciones por encima de 7500 mg/L. La siguiente Figura 3 muestra las probabilidades individuales (intervalos de 250 mg/L) y sumatorias de la DQO afluente a los reactores UASB. Los datos representan los 166 promedios diarios calculados en base a muestras tomadas cada dos horas al da durante los meses abril y octubre del 2000 (calculado segn CCU, 2000b).


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100 Probabilidad sumatoria (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000


DQO (mg/L)Figura 3: Probabilidad individual y sumatoria de la DQO del RIL afluente al tratamiento secundario de la planta cervecera

2.4.4.5 Demanda Bioqumica de Oxgeno (DBO5) Los RILes de la planta cervecera local muestran relativamente una alta biodegradabilidad, la que se expresa en una relacin de DQO/DBO5 de 1,59, o sea DBO5/DQO = 0,63 (CCU, 2000a). La concentracin de diseo es 2333 mg/L, con una carga resultante de 8062 kg/d (Kristal, s/a). 2.4.4.6 Nutrientes La concentracin de nitrgeno vara entre 3 y 55 mg/L y la de fsforo entre 6,6 y 663,3 mg/L, con promedios de NTK = 29,2 mg/L y fsforototal = 177,2 mg/L. Los altos contenidos en fsforo se puede explicar por el uso de desinfectantes basados en cido fosfrico (CCU, 2000a). La concentracin de diseo de fsforo total es 30 mg/L (Kristal, s/a) que segn los datos presentados es seis veces superada. Las relaciones entre DQO, nitrgeno y fsforo que entran a los reactores UASB se muestra en la siguiente Tabla 5. Los datos representan tomas de muestras semanales durante el perodo de agosto octubre del ao 2000 (calculado segn CCU, 2000b).


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Datos de muestreo DQO (mg/L) 5997 3530 3179 4686 5351 2666 4347 3323 4135 NTK (mg/L) 55,0 32,7 2,98 49,8 32,9 22,2 6,21 31,9 29,2 Ptotal (mg/L) 87,8 62,0 30,4 28,1 66,0 125,4 663,3 355,0 177,2

Relacin entrada AN DQO NTK (mg/L) (mg/L) 800 800 800 800 800 800 800 800 800 7,3 7,4 0,7 8,5 4,9 6,7 1,1 7,7 5,5 Ptotal (mg/L) 11,7 14,1 7,7 4,8 9,9 37,6 122,1 85,5 36,7

Tabla 5: Concentracin de nutrientes y relaciones DQO:N:P del RIL afluente al tratamiento biolgico de la planta cervecera local

2.4.5 Tcnicas del Tratamiento de RILesLa gran mayora de las 136 plantas documentadas de tratamiento instaladas en la industria cervecera a nivel mundial durante el perodo 1980 - 1996, consiste en un tratamiento acoplado anaerobio-aerobio. De ellos, la tecnologa ms utilizada es el reactor UASB junto a un sistema de lodos activados tradicional, sobre todo en pases de Amrica del Sur como Brasil, Venezuela, Colombia y Argentina. En Chile existen reactores instalados por ejemplo en la planta C.C.U. S.A. Antofagasta. A diferencia, en Alemania los RILes normalmente son descargados al sistema de alcantarillado pblico, a excepcin de unas pocas plantas que cuentan con reactores de lecho fijo o con reactores UASB modificados con recirculacin interna (Bhnke et al., 1993; Rosenwinkel et al., 1996). La siguiente Tabla 6 resume valores de diseo referenciales de 12 reactores UASB empleados en el tratamiento de RILes de la industria cervecera: TRH (h) DQO (%) Temperatura (C) Carga volumtrica (kg DQO/(m3*d)) Rango Promedio 4,6 11,3 7,0 70 85 75 20 40 30 35 5,25 15 9,5

Tabla 6: Valores referenciales de diseo de reactores UASB empleados en el tratamiento de RILes en la industria cervecera (Bhnke et al., 1993) Puesta en Marcha y Operacin de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera

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2.4.6 Planta de Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera localLos RILes de la fbrica local de cervezas son tratados en una planta de tratamiento diseada para obtener una salida de agua con calidad de regado, la cual es descargada al estero La Laucha, afluente del ro Cautn. El caudal mximo del RIL con la planta a plena capacidad es de 0,09 m3/s. El caudal estimado en los meses de mayor produccin es de 4200 m3/d y las caractersticas fsico-qumicas que debia cumplir el efluente de la planta de tratamiento corresponde a lo requerido por la Norma Tcnica relativa a Descargas de Residuos Industriales Lquidos Directamente a Cursos y Masas de Aguas Superficiales y Subterrneas publicada en 1992 por la Superintendencia de Servicios Sanitarios y la Norma Chilena 1333 of. 78, que define los requisitos para Aguas de Regado. (CCU, 1998) Desde septiembre del 2001, el nuevo cuerpo legal vigente es el Decreto Supremo 90/00, que establece la norma de emisin para la regulacin de contaminantes asociados a las descargas de residuos lquidos a aguas marinas y continentales superficiales.

Las aguas residuales provenientes del proceso de elaboracin de cerveza son tratadas por va biolgica mediante un proceso acoplado anaerobio-aerobio. El proceso anaerobio utiliza un reactor UASB empacado parcialmente y por otra parte, el proceso aerobio involucra un sistema de lodos activados en la modalidad de aireacin extendida. La secuencia de tratamiento consta de las siguientes operaciones y procesos unitarios (Kristal, s/a; CCU, 2000a): 2.4.6.1 Pretratamiento Rejilla de cribado: Los RILes ingresan al pretratamiento por la rejilla de barras verticales ubicada al inicio del canal de desarenacin con el propsito de remover los slidos gruesos que pudieran causar daos a los equipos mecnicos o interferir con subsecuentes etapas de tratamiento. Desarenador: El RIL contina su paso a gravedad por el canal desarenador del tipo de sedimentacin de velocidad constante, cuya finalidad es la retencin de slidos inorgnicos densos que no hayan sido separados en la rejilla de barras. Pozo de bombeo: El agua recolectada por el pozo (volumen de 74 m3) alimenta a la criba esttica por medio de bombas sumergibles, cuya operacin es programada de tal manera que trabajen alternadamente.Puesta en Marcha y Operacin de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera

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Criba esttica autolimpiante: Su objetivo es eliminar los slidos finos (orujo y cascarilla) mayores a 0,5 mm y evitar que ingresen al sistema biolgico de tratamiento, ya que representan una carga orgnica importante que requerira tiempos de residencia demasiado elevados para su degradacin. En esta unidad se estima una eficiencia de remocin de slidos suspendidos del 10%.

Hidrocicln: El RIL proveniente de la criba esttica entra tangencialmente al cicln, estableciendo un flujo espiral o de vrtice. Como resultado, los slidos son lanzados sobre las paredes del cono hacia el punto de salida inferior y el efluente sale con un contenido menor de slidos, aproximadamente un 50%. Tanque de homogenizacin y neutralizacin: El agua prcticamente libre de slidos es conducida hacia el tanque de homogenizacin y neutralizacin. Para evitar la acumulacin de slidos orgnicos en el fondo y asegurar la homogenizacin, el tanque cuenta con un agitador de baja velocidad. El tanque tiene un volumen de 840 m3 y por lo tanto est diseado para un TRH de 5,6 horas.

En el mismo tanque se lleva a cabo la neutralizacin del RIL y la adicin de nutrientes. Para la neutralizacin, la planta est dotada con dos unidades, una para la dosificacin de soda custica y otra para el cido clorhdrico, segn sea el ajuste de pH que se necesite. Para la adicin de nutrientes, la planta cuenta con unidades para la dosificacin de FeCl3 y urea. 2.4.6.2 Tratamiento Biolgico Reactor anaerobio UASB: El RIL proveniente del tanque de homogenizacin y neutralizacin entra al reactor anaerobio modificado, tipo UASB por medio de un sistema de distribucin que asegura un reparto uniforme del agua en el fondo del reactor, sin que haya taponamientos o canalizaciones. El biogs es captado en la parte alta del reactor y se dirige al sistema de incineracin. Con el propsito de retornar alcalinidad al sistema y de asegurar una velocidad de ascenso mnima del agua residual de 0,5 m/h, el reactor cuenta con un sistema de recirculacin de un flujo mximo de 291 m3/h. Las bombas pueden operar en funcin de la velocidad ascendente que se desee dentro del reactor, la cual puede variar entre 0,5 a 1,0 m/h. El reactor consta de cuatro mdulos iguales con un volumen til de 430 m3 cada uno, de los cuales actualmente se utilizan


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solamente tres, mientras el cuarto sirve como almacn de lodos. El TRH de los tres mdulos utilizados es de 11,6 horas. Reactor aerobio: Despus del tratamiento anaerobio, el efluente se dirige por gravedad hacia el reactor aerobio. El proceso consta de un tanque de aireacin de dos mdulos con un volumen total de 1960 m3 en cuyo fondo se encuentra el sistema de tuberas y difusores de burbuja fina por donde se distribuye el aire, el que es suministrado por medio de un soplante de lbulos, el cual tiene una capacidad de suministro de 944 m3/h de aire y es activado siempre y cuando la concentracin de oxgeno disuelto (OD) quede debajo de 2 mg/L y es desactivado superando una concentracin de 3 mg/L. El TRH en esta unidad es de 13,5 horas. El TRC es de 20 d. Clarificador secundario: En el clarificador secundario sedimentan los lodos provenientes del reactor aerobio. stos son recolectados continuamente por el sistema de rastras y tornamesa central; posteriormente son tomados por bombas centrfugas, las cuales estn diseadas para retornar un flujo de 250 m3/h. El agua clarificada es evacuada por vertederos en la parte superior del clarificador y de ah es conducida por gravedad al tratamiento terciario. El clarificador secundario es de seccin circular, con dimetro de 21,5 m y altura cilndrica de 3,35 m. 2.4.6.3 Tratamiento Terciario Desinfeccin: Como tratamiento final, el agua residual ingresa al tanque de contacto con cloro a TRH de 58 minutos, donde se dosifica este reactivo en forma de gas. El tanque de contacto con cloro tiene un volumen de 138 m3 con instalaciones para inducir un rgimen de flujo pistn. La eficiencia en el proceso de desinfeccin es del 99%. Decloracin: En la etapa final del tratamiento se remueve el cloro residual total combinado que existe despus de la cloracin. La eliminacin del cloro residual se realiza utilizando sulfito de sodio en el tanque de decloracin, cuyo volumen es de 194 m3.


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2.4.6.4 Procesos e Instalaciones Adicionales Tratamiento de lodos: El manejo de lodos consiste en que los lodos anaerobios se alojan en el interior del reactor y cuando sea necesario se dispone de ellos por medio de una lnea de purga hacia el tanque de almacenamiento de lodos, el cual tiene un volumen de 101 m3. Este tanque es tambin un almacn de lodos granulares para contar con una reserva en caso de accidentes que signifiquen prdida masiva de lodo. Los lodos anaerobios acumulados o excedentes son enviados por medio de una bomba al pozo de lodos, donde se mezclan con los lodos de purga del sistema de aireacin extendida y posteriormente son enviados al filtro banda para su desecado. El lodo acondicionado es desaguado hasta una concentracin en slidos del 20 al 25%. Estos lodos ya desecados forman una pasta de consistencia slida que puede ser dispuesta fuera de la planta de tratamiento. Manejo de biogs: El biogs es enviado a un quemador para su incineracin. Su composicin bsicamente es 65% de metano y 35% de dixido de carbono. Laguna de emergencia: En el evento de efectuar labores de mantenimiento u ocurrir un problema en la planta de tratamiento de RILes se dispone de una laguna de emergencia, ubicada al costado de la planta de RILes. Su volumen til de almacenamiento es de 17500 m3.


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3 Materiales y Mtodos3.1 Descripcin de la PlantaA continuacin se describir la planta de tratamiento biolgico utilizada en el laboratorio de RILes del Departamento de Ingeniera Qumica de la UFRO. La planta acoplada anaerobiaaerobia consta de un reactor anaerobio tipo UASB, un sistema de lodos activados tradicional y cuenta con medidores de T, pH, OD y dispositivos para su ajuste automtico. Los datos obtenidos por los medidores son transferidos a travs de un controlador (RTU) para su posterior utilizacin a un PC. La siguiente Figura 4 muestra un esquema de la planta.Unidad de Control RTU PC con RTU-Terminal

Inputs anlogos RS 232 Bao de calefaccin Medidor (T pH) Medidor (T OD) Medidor (T pH)

Compresor Bomba Separador

Almacn de cido Bomba peristltica Impulsor Compresor (Retorno de lodo)

Mangueras de calefaccin

Sensor de OD y T

Sensor de T

Bomba peristltica (Recirculacin) Bomba peristltica (Alimentacin) Reactor UASB Bomba peristltica (Nutrientes) Almacn de nutrientes

Tanque de aireacin

Sensor de T Sensor de pH

Difusores de aire

Clarificador secundario

Figura 4: Planta acoplada anaerobia-aerobia utilizada en el proyecto


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3.1.1 Fase AnaerobiaEl tratamiento anaerobio consta del reactor UASB, del sistema de alimentacin y recirculacin, del sistema de calefaccin y adems de los medidores correspondientes. Todas sus partes se encuentran instaladas en una estantera de metal mvil. 3.1.1.1 Reactor UASB El reactor anaerobio es del tipo UASB. Es cilndrico, fabricado en acrlico transparente y sus dimensiones son: altura total 750 mm, altura til 665 mm y dimetro interno 168 mm, lo que conduce a un volumen til VAN de 14,8 L, que fue determinado experimentalmente a travs de la medicin con agua necesaria para su llenado sin considerar los volmenes del separador y las mangueras respectivas. Como acometida de entrada funciona un grifo que se encuentra por debajo del reactor. En su fondo tiene una placa perforada para la distribucin uniforme del caudal de entrada. La separacin trifsica y la recoleccin del biogs se llevan a cabo en un embudo instalado en la cabeza del reactor. Inicialmente, el sistema de decantacin interna const de una sola placa decantadora tipo cono truncado hueco y sobre ella al final de la fase de operacin fue aadido otro cono idntico en sentido opuesto. 3.1.1.2 Sistema de Alimentacin y Recirculacin La alimentacin es suministrada desde un tambor de volumen til de 220 L al reactor UASB a travs de mangueras conectadas a una bomba peristltica. Independientemente es instalada una bomba para suministrar una solucin de nutrientes y otra para efectuar la recirculacin interna. Por ello se emplea un separador de flujo despus de la salida del reactor que conduce un caudal hacia el tanque de aireacin por gravedad y otro hacia la entrada del reactor anaerobio mediante una bomba peristltica. Se ajusta el caudal de recirculacin segn las necesidades para garantizar una velocidad de flujo ascendente mnima dentro del reactor anaerobio de 0,5 m/h. El separador tiene un volumen de 0,4 L, sin embargo no es llenado completamente durante la operacin. Para impedir derrames tiene que encontrarse instalado encima del nivel del licor del tanque de aireacin y debajo del nivel de salida del reactor anaerobio. 3.1.1.3 Sistema de Calefaccin El calentamiento del reactor anaerobio se realiza a travs de un intercambio de calor con el agua que circula afuera del reactor. Para ello se instal 35 metros de manguera recubriendo un 80% de la superficie exterior del reactor. En ella se hace circular agua calentada en un bao de


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vidrio de 15 L de capacidad. El reactor y el bao son cubiertos con plumavit para disminuir prdidas de calor. El calentamiento del agua y el bombeo es realizado por un equipo de la empresa HETO LAB EQUIPMENT. Si el termostato funcionara correctamente, tendra la posibilidad de elegir la temperatura del agua en seis campos entre 5 y 110 C. Como medida alternativa, las fases de calentamiento y de pausa del equipo son controladas a travs de un temporizador. El consumo del equipo es 1,240 kWh, lo que equivale a una intensidad de corriente de 5,7 A.

3.1.2 Fase AerobiaEl tratamiento aerobio se lleva a cabo en un sistema de lodos activados, que consta del tanque de aireacin, del sistema de aireacin, del equipo de agitacin, del clarificador secundario, del sistema de recirculacin de lodos y del sistema de ajuste de pH, adems de los medidores correspondientes. Todas las piezas se encuentran instaladas en una estantera de metal mvil. 3.1.2.1 Tanque de Aireacin El tanque de aireacin es del tipo reactor continuo de mezcla perfecta. Es cilndrico, fabricado en acrlico transparente y sus dimensiones son: altura total 405 mm, altura til 294 mm y diametro Dt 241 mm, lo que conduce a un volumen til bruto del tanque de 13,4 L, lo cual se reduce a un volumen til VAE neto de 12,6 L si se toman en cuenta los volmenes de los sensores sumergidos, del impulsor, de los difusores y de los deflectores. La acometida de entrada se encuentra en la parte inferior de l y la de salida al lado opuesto en la parte superior del reactor. En su fondo tiene cinco perforaciones a travs de las cuales entran por debajo las mangueras de aireacin. 3.1.2.2 Sistema de Aireacin El sistema de aireacin consiste en el equipo de medicin de oxgeno disuelto, el compresor de aire, de cinco difusores de aire y adems de las mangueras correspondientes.

El equipo de medicin de oxgeno disuelto consta del medidor MONEC 8980 y el electrodo de oxgeno, el cual se encuentra dentro de un tubo sumergible. Tiene un rango de medicin de 0 a 20 ppm, compensacin automtica de temperatura y una exactitud de 5% para concentraciones superiores a 0,1 ppm. Su tiempo de respuesta es menor a 3 min. Puede transferir los datos medidos (OD y T) a la RTU usando dos outputs anlogos; adems cuenta con un input/output digital para establecer una comunicacin bidireccional. Dos niveles de alarma (setpoints) son programables y pueden comandar equipos exteriores con consumo energtico inferior dePuesta en Marcha y Operacin de una Planta Anaerobia-Aerobia a Escala de Laboratorio para el Tratamiento de RILes de la Industria Cervecera

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1,25 kWh a travs de cierres y aberturas de rels. El tiempo de vida de la membrana es alrededor de 6 meses.

Se est empleando un compresor tipo N022 AT. 18 de la empresa KNF NEUBERGER. Es activado al quedar debajo del valor umbral programado al cerrar un rel dentro del mismo medidor de oxgeno disuelto. La desactivacin funciona de la misma manera al sobrepasar dicho valor umbral. Con el objeto de impedir el ingreso de liquido al compresor, ste se encuentra instalado por encima del nivel del reactor. Su consumo energtico es de 0,1 kWh.

Durante el pro

aguas residuales

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