E S C U E L A S U P E R IO R D E IN G E N IE R IA Q U IM IC A E IN D U S T R IA S

E X T R A C T IV A S

I N S T I T U T O P O L I T E C N I C O N A C I O N A L

DIGESTION AEROBIA DE LODOS

ACTIVADOS DE DESECHO

T e s i s P r o f e s i o n a l

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

I N G E N I E R O Q U I M I C O I N D U S T R I A L

P R E S E N T A

RAUL HACHEC LUNA

MEXICO, D. F. 1984

M CKI.l M I \

I

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUE1A SUPERIOR DE INGENll RIA QUIMICA E INDUSTRIAS FXTRAC-I IV \

DIVISION DE SISTEMAS DE TITULACION

México, D F 2 2 Noviembre de 1983

I,-189

c <AUL HACHEC LUNA.P, sanie de Ingeniero QUIMICO INDUSTRIAL. 1968-1 97?Presente

Fl rema de trabajo >/o tesis para su examen profesional en la opción TESIS TRADICIONAI INDIVIDUAL,

¡p.opurstc por el C ING. LRIC SOSA CHICATTI. quien » r i el .«penablede la calidad de trabajo q*ie usted presente, referida al tema “ DIGESTION AEROBIA DE LODOS ACTIVADOS DE DESECHO."el cual de1 ra usted desarrollar de acuerdo con el siguiente orden

RESUMEN.I . - INTRODUCCION.

I I . - GENERALIDADES.I I I . - FUNDAMENTOS TEORICOS. [V > DESARROLLO EXPERIMENTAL. V .- RESULTADOS.

V I . - ANALISIS DE RESULTADOS. V I I . - CRITERIOS DE DISEÑO.

A mis padres con gratitudpor todo lo que han hecho por mí.

A mis hermanos.

Al Prof. Valentín Rincón con mi eterno agradecimiento.

Respetuosamente al Ing. Eric Sosa Chioatti por su orientación y ayuda en el presente trabajo.

Mi agradecimiento al Ing. Ricardo Millán Lícona por su valiosa colaboración en el presente trabajo.

RESUT3N

En este estudio se maestra el tratamiento (bajo c o n d i c i £

nes aerobias) de los lodos activados de desecho provenientes

de la planta de tratamiento de aguas residuales de Chapulte-

pcc, como una alternativa para su estabilización antes de su

disposición final.

Se hace una exposición sobre las eguas residuales y los

tratamientos a que se someten para su depuración haciendo é n­

fasis en los tratamientos biológicos, sobre todo en lo que se

refiere a los tratamientos biológicos aerobios, los lodos que

producen como desecho y el tratamiento de los mismos, d e s c r i­

biendo el proceso de digestión aerobia de estos lodos p ara lo

grar su estabilización, la cinética del proceso y los f a c t o­

res que lo afectan.

Para Ib parte experimental, se construyó u n dispositivo

donde se trataron los lodos; ensayándose varios tiempos de

retención.

Mediante la caracterización periódica de los lodos se ob

servó el comportamiento del proceso y se determinó la constan

te de biodegradabilidad de los mismos, utilizando para ello

diferentes parámetros.

Por medio del análisis de los resultados obtenidos se s£

leccionó la constante de biodegradrbilidad más adecuada

(0.303 d ía- 1 ). A partir de ella se establecieron los c r i t e­

rios de diseño para u n digestor que trate adecuadamente los

lodos de dicha planta de tratamiento.

Se concluyó que, en bese a los resultados obtenidos y a

las observaciones efectuadas, los lodos pueden ser tratados

aerobiamente con buen éxito; ol parsínetro demanda químic'1 de

oxigeno total resulta adecuado para la determinación de la constante de biodegradabilidad; el proceso es sencillo de ope rar y controlar; debe tomarse en cuenta el efecto de nitrifi- cación,

Finalmente, se hicieron las recomendaciones de aumentar, el número de parámetros para este tipo de estudios, abarcar diferentes épocas del año, efectuar una sedimentación previa a la digestión, llevar el control de oxigeno disuelto en los lodos, cuidar la formación de espuma, ampliar el tratamiento a los lodos de la unidad I de la planta de tratamiento, in­cluir un dosificador para controlar la alcalinidad y conside­rar tratamientos posteriores según vaya a ser su disposición final.

1.- INTRODUCCION

En el tratamiento de los desechos líquidos se ha estable cido como objetivo principal la depuración del agua que permi ta su reutilización en diversas actividades, relegando a un segundo término los problemas ambientales que se generan por los productos de esta práctica, es decir, los lodos.

Las plantas de tratamiento de aguas residuales que em­plean el proceso de lodos activados generan lodos de desecho, los cuales deben ser tratados para que, de esta manera, su disposición final al medio ambiente no ocasione efectos noci­vos. El tratamiento de dichos lodos es un problema que no se ha resuelto en el país, debido principalmente a las limita­ciones técnico-económicas que presenta.

Le los diversos procesos de tratamiento de lodos, uno de los más importantes es e] proceso de estabilización. Mediante dicho proceso se pueden lograr los siguientes objetivos: redu cir la cantidad de sólidos, reducir el contenido de organis­mos patógenos y evitar malos olores.

Tradicionalmente la estabilización de los lodos se ha realizado por medio de la digestión anaerobia, pero este tipo de proceso es muy sensible y crea muchos problemas de opera­ción. Como ejemplo de lo anterior, se pueden mencionar las unidades de digestión anaerobia construidas en las plantas de tratamiento de aguas residuales de Chapultepec y de Acueducto de Guadalupe, las cusles no son operadas en la actualidad de­bido precisamente a los problemas técnicos que se tienen para controlar el proceso.

Un análisis profundo de las características técnico-eco- nómicas de la digestión de lodos y de las condiciones del país, arrojó como resultado la recomendación de utilizar la

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digestión aerobia para estabilizar los lodos provenientes del tratamiento de aguas residuales de la Ciudad de México (l).

El propósito de este trabajo es presentar la digestión aerobia de lodos como una alternativa para resolver el proble zna de la disposición final de los lodos de desecho, con lo cual se puede conseguir una disminución del volumen de lodos vertidos al medio ambiente sin ningún tratamiento.

Para ello, estudios previos de investigación han desarro liado ecuaciones que simulan el comportamiento de los lodos ante el proceso de digestión aerobia. Generalmente, los pará­metros que intervienen en las ecuaciones son fijados por las características del lodo a tretar; sin embargo, encontrar la o las constantes de esas ecuaciones requiere de un período de experimentación en modelos a nivel de laboratorio. En el pre­sente estudio se realizó esta experimentación, para encontrar la constante de biodegradabilidad de los lodos de la planta de tratamiento de aguas residuales de Chapultepec y se espera que en un futuro esta constante sirva para el diseño del di­gestor a escala real.

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2.1 DEFINICION DE AGUAS RESIDUALES

Se puede definir a las aguas residuales como el conjunto de aguas utilizadas por una población; estando constituidas por: agua que arrastra desechos domésticos y residuos indus­triales, aguas subterráneas, aguas superficiales y aguas plu­viales que arrastran parte de las basuras municipales.

Las aguas residuales están compuestas aproximadamente de 99.9$ de agua y de 0.02 a 0.03$ de sólidos en suspensión y otras sustancias orgánicas e inorgánicas disueltas.

En una agua residual típica, el 75^ de los sólidos sus­pendidos y el 40^ de los sólidos dísueltos son de naturaleza orgánica. Estos sólidos se derivan de desechos animales y ve­getales. El material orgánico está compuesto normalmente por una combinación de carbono, hidrógeno y oxígeno; junto con nitrógeno en algunos casos. También pueden estar presentes otros elementos importantes como azufre, fósforo y hierro.Los principales grupos de sustancias orgánicas que se encuen­tran en las aguas residuales son: grasas y aceites (10$), car bohidratos ( 2 5 a 50$) y proteínas (40 a 60^).

La cantidad de materia orgánica presente determina el grado de contaminación de las aguas residuales, y los métodos de laboratorio comunmente empleados para medir ese contenido orgánico son: la demanda Dioquímics de oxígeno (DBO), la de­manda química de oxígeno (DQO) y el carbono orgánico total (COT).

Con respecto al material inorgánico de las aguas resi­duales, este está compuesto por ol contenido inorgánico que tenía el agua de abastecimiento do donde fué generada el agua

2.- GENERALIDADES

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residual, incrementado por el contacto con formaciones geoló­gicas y por descargas de residuos industriales.

Los gases que se encuentran normalmente presentes en las aguas residuales son: nitrógeno, oxígeno, bióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, amoniaco y metano. Los tres primeros son los gases comunes de la atmósfera y se encontrarán en to­da agua expuesta al aire. Los tres últimos se derivan de la descomposición de la materia orgánica presente en el agua re­sidual.

Finalmente, las aguas residuales contienen también incon tablea microorganismos vivos? hongos, protozoarios, algas, bacterias y virus. Ellos son la parte viva natural de la mete ria orgánica contenida on estas aguas y su presencia es de su ¡na importancia porque son responsables de su autopurifica- ción.

2.2 TRATAMIENTO LE AGUAS RESIDUALES

Todos los métodos usados en el tratamiento de aguas resl duales pueden englobarse como sigue:

Tratamiento preliminar Tratamiento primario Tratamiento secundario o biológico CloraciónTratamiento de lodos

2.2.1 TRATAMIENTO PRELIMINAR

El objeto de este tratamiento es el de proteger el equi­no de bombeo y facilitar los procesos subsecuentes del trata­miento. La misión de los dispositivos empleados aquí es la eliminación o separación de los sólidos mayores o flotantes,

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eliminación de algunos sólidos inorgánicos y de cantidades excesivas de grasas y aceites.

2.2.2 TRATAMIENTO PRIMARIO

Aquí se eliminan la mayoría de los sólidos suspendidos en las eguas residuales (40 a 60$) mediante su asentamiento en tanques de sedimentación. Si se agregan ciertos productos químicos en los tanques primarios, se puede llegar a eliminar casi todos los sólidos coloidales así como los sedimentables (en total de 80 a 90$ de los sólidos suspendidos), aunque es­ta práctica resulta demasiado costosa.

En el tratamiento primario, normalmente se utilizan unos dispositivos cuyo objetivo es el de disminuir suficientemente la velocidad de las aguas residuales para que los sólidos se ^uodar sedimentar; a estos dispositivos se les llama tanquesde sedimentación.

2.2.3 TRATAÍ3ENT0 SECUNDARIO 0 BIOLOGICO

los objetivos de los procesos biológicos para el trata­miento de aguas residuales, consisten en remover la materia orgánica coloidal y disuelta contenida en el agua. En algunos casos, el proceso biológico convierte la materia orgánica en sólidos floculados que pueden ser sedimentados en un tanque apropiado; en otros, la remoción se lleva a cabo transforman­do la materia orgánica a compuestos inorgánicos u orgánicos relativamente estables.

De acuerdo a las condiciones bajo las cuales se lleve a cabo la depuración del agua, los procesos biológicos pueden ser convenientemente agrupados. Al respecto, algunos autores difieren en la división de estos procesos, por ejemplo: Het-celf y ’r’ddy(2) los agnvoa en procesos: aerobios, anaerobios,

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anóxicos y aerobios/anóxicos o anaerobios. Mientras que Jon- guitud (3) los divide únicamente en: procesos aerobios, proc£ sos anaerobios y lagunas de estabilización. Cabe hacer men­ción, que ambos autores gubdividen cada tipo de proceso en sistemas con microorganismos en suspensión y microorganismos adheridos a un medio fijo. En el primer caso, los microorga­nismos son mantenidos en suspensión mediante agitación mecáni ca o neumática con el propósito de conseguir un mayor contac­to entre la materia por estabilizar y los microorganismos en­cargados de efectuarla; lográndose con ello un proceso más ró pido y eficiente. Por otro lado, la agitación facilita la transferencia de oxigeno cuando este es necesario. A menudo también se utiliza la recirculación de microorganismos para aumentar su población activa y, de esta manera acelerar el proceso. Para el segando caso, los microorganismos se adhie­ren al medio permaneciendo en el sistema en cantidades que permitan que la estabilización de la materia orgánica se rea­lice en tiempos de retención cortos.

En general, los procesos biológicos aerobios, son aque­llos en que los microorganismos responsables del tratamiento necesitan un medio ambiente que contenga oxigeno disuelto, pa ra llevar a cabo las reacciones bioquímicas que les permiti­rán obtener la energía necesaria para su sobrevivencia. En es tos procesos generalmente tiene lugar el metabolismo heteró- trofo, en el cual la materia orgánica (sustrato) es utilizada como fuente de energía, aunque existe también el metabolismo autótrofo como sería le actividad de las microalgas.

la reacción bioquímica que se desarrolla en los procesos aerobios se podría resumir de la siguiente manera:

Material celular + 002 +í.'ateria orgánica + CU — i■c-rfforg• >

Sales + Energía

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Gran cantidad de este material orgánico reactante, se presenta en forma de grandes moléculas complejas que los mi­croorganismos hidrolisan a formas más simples y solubles, la materia orgánica ya solubilizada es transformada, en parte, a bióxido de carbono, agua y sales, con producción de energía; mientras que otra cantidad es convertida a material celular, ya sea de los microorganismos originales o bien de nuevos mi­croorganismos.

En los procesos aerobios, los microorganismos se pueden encontrar en suspensión o adheridos a un medio fijo, o bien a una combinación de ambos. Los procesos más usuales que utili­zan solamente microorganismos en suspensión son: el de lodos activados, las lagunas aireadas y la digestión aerobia de lo­dos.

El proceso de lodos activados en su forma original con­siste básicamente de: un tanque de aireación, unsedimentador secundario y una línea de recirculación de lodos; tal como se muestra en le figura 2.1. Aquí, las aguas residuales prove­nientes del sedimentador primario, son alimentadas continua­mente al tanque de aireación junto con los lodos recircula- dos. Al contenido del tanque de aireación se le denomina li­cor n.ezclado, el cual contiene primordialmente microorganis­mos en suspensión. Las aguas residuales y los lodos recircu- ledos son mezclados y aireados por la acción de difusores o aireadores mecánicos, provocando un movimiento continuo del licor mezclado a través del tf.nque. Durante esta etapa los microorganismos metabolizan la materia orgánica; el licor mes clsdo pasa entonces al sedimentador secundario, en donde una parte de los lodos que se sedimentan se recircula al tanque de aireación y otra parte es desechada. El sobrenadante cla­rificado del sedimentador secundario es el efluente del sis­tema.

FIGURA 2.1 Diagrama de flujo del procesoconvencional de lodos activados.

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El proceso de lodos activados es muy flexible y puede ser adaptado a casi cualquier tipo de problema de tratamiento biológico, de ahí que existan formas modificadas del proceso, como son (2):

Aireación por etapas Estabilización por contacto Completamente mezclado Aireación extendida Zanjas de oxidaciónCarrusel (modificación de zanjas de oxidación)KrausOxígeno puro

La mayoría de las modificaciones del proceso convencio­nal tienden a mejorar, no tanto en relación a los volúmenes removidos, sino respecto a capacidades más reducidas de los tanques, requerimientos menores de aire y potencia, concen­traciones aumentadas de los lodos recirculados y desechados, y mayor estabilidad del proceso (4).

Los procesos anaerobios en todas sus variantes, son de los procesos más antiguos que se usan para la estabilización de residuos orgánicos. Su mayor aplicación ha sido en la es­tabilización de los lodos concentrados que se producen como resultado del tratamiento de aguas residuales, otra aplica­ción importante es en el tratamiento de algunos desechos in­dustriales.

En este proceso, el material orgánico es transformado bajo condiciones anaerobias en metano y bióxido de carbono.El proceso se lleva a cabo en un reactor hermético, en donde se alimenta el material orgánico en forma continua o intermi­tente y permanece dentro de él por un determinado tiempo, des pués del cual, el material estabilizado que es retirado tam­

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b i é n e n fo r m a c o n t i n u a o i n t e r m i t e n t e , e s n o b io d e g r e d a b le y

c o n u n c o n t e n id o d e o r g a n is m o s p a t ó g e n o s g r a n d e m e n te r e d u c i ­

d o .

E l t r a t a m i e n t o a n a e r o b io e s r e l a t i v a m e n t e b a r a t o , p u e s

no s e u t i l i z a e q u ip o d e a i r e a c i ó n . P o r o t r o l a d o , t i e n e e l i n

c o n v e n i e n t e d e q u e s e r e q u i e r e n t ie m p o s d e r e t e n c i ó n m ucho

m ás g r a n d e s q u e p a r a l o s p r o c e s o s a e r o b i o s ; a d e m á s , g e n e r a n

m a lo s o l o r e s d e b id o p r i n c i p a l m e n t e p o r l a p r o c u c c i ó n d e I ^ S y

m e r c a p t a n o s , l o c u a l p u e d e c o n s t i t u i r u n a s e r i a l i m i t a c i ó n

p r i n c i p a l m e n t e e n a r e a s u r b a n a s .

P o r l o q u e s e r e f i e r e a l o s p r o c e s o s a n ó x i c o s , e s t o s c o n

s i s t e n e n l a r e m o c ió n b i o l ó g i c a d e l o s n i t r a t o s p o r s u c o n v e r

s i ó n a g a s n i t r ó g e n o , t o d o e s t o b a j o c o n d i c i o n e s a n ó x i c a s

( s i n o x ig e n o ) . E l p r o c e s o s e c o n o c e com o d e s n i t r i f i c a c i ó n y

s e u t i l d z a p o r l o g e n e r a l d e s p u é s d e c u a l q u i e r p r o c e s o q u e

c o n v i e r t a e l n i t r ó g e n o a m o n ia c a l y o r g á n i c o a n i t r a t o s .

S e g ú n l í e t c a l f y E d d y , e s t e p r o c e s o s e i d e n t i f i c a b a c o n

f r e c u e n c i a com o u n a d e s n i t r i f i c a c i ó n a n a e r o b i a ; s i n e m b a r g o ,

l o s p r i n c i p a l e s c o m p o r t a m ie n t o s b io q u ím ic o s n o s o n a n a e r o ­

b i o s , s i n o p o r e l c o n t r a r i o u n a m o d i f i c a c i ó n d e l o s c o m p o r t a ­

m ie n t o s a e r o b i o s , p o r l o q u e s e c o n s i d e r ó m ás a p r o p i a d o d a r ­

l e s e l t é r m in o d e a n ó x i c o s .

A u n q u e l o s m ic r o o r g a n is m o s a n a e r o b io s o b t i e n e n e n e r g í a

p a r a su c r e c i m i e n t o d e l a c o n v e r s i ó n d e n i t r a t o s a g a s n i t r ó ­

g e n o , r e q u i e r e n a d e m á s d e u n a f u e n t e d e c a r b o n o p a r a s u s ín t< 3

s i s c e l u l a r . E s t o p r e s e n t a e l p r o b le m a d e q u e l o s e f l u e n t e s

n i t r i f i c a d o s s o n u s u a lm e n t e b a j o s e n m a t e r i a c a r b o n á c e a , p o r

l o q u e e s n e c e s a r i o p r o p o r c i o n a r s l o s m i c r o o r g a n i s m o s u n a

f u e n t e e x t e r n a d e c a r b o n o , l o c u s í s e c o n s i g u e u s u a lm e n t e c o n

e l e m p le o d e m e t a n o l .

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las divisiones de Jonguitud son similares a las de Met- calf y Eddy con respecto a los procesos aerobios y anaero­bios. Sin embargo, para el caso de las lagunas de estabiliza­ción, es decir, su tercera división, agrupa los procesos que involucran el uso de algas y bacterias, las cuales se encuen­tren en suspensión en la laguna bajo condiciones aerobias. Es tas condiciones se logran mediante el oxigeno suministrado por la aireación natural superficial y por la fotosíntesis de las algas. Excepto por el contenido de algas, la población biológica que se encuentra presente en las lagunas es similar a la que se encontraría en un sistema de lodos activados.

En las lagunas de estabilización, el oxígeno liberado por las algas a través de la fotosíntesis es empleado por las bacterias en la estabilización del material orgánico, y los nutrientes y bióxido de carbono producidos durante esta esta­bilización son, a su vez, usados por las algas, es decir, se realiza una relación simbiótica.

Las lagunas de estabilización incluyen tros tipos de mo­dalidades, 8 saber: lagunas aerobias, lagunas facultativas y lagunas de maduración o terciarias. La primera de ellas con­siste en un estanque de baja profundidad en donde la airea­ción natural y la actividad fotosintética mantienen un nivel adecuado de oxígeno a través de toda la laguna; las fscultati vas tienen mayor profundidad y se pueden apreciar tres capas importantes, al fondo una zona anaerobia, en la parte supe­rior una zona aerobia y entre ellas una zona facultativa don­de se encuentran bacterias que pueden vivir con o sin oxíge­no; las lagunas de maduración son utilizadas para "pulir" los efluentes de las plantas de tratamiento y en donde la remo­ción de sales es su principal objetivo.

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2.2.4 CLORACION

La cloración puede emplearse para muy diversos propósi­tos en todas las etapas de un tratamiento de aguas residua­les, inclusive antes del tratamiento preliminar. Los propósi­tos pueden ser: desinfección, prevención de la descomposición de las aguas residuales, abatimiento de la DBO, etc.

2.2.5 TRATAMIENTO DE LODOS

Estos lodos están constituidos por los sólidos que se eliminan en las unidades de tratamiento primario y secunda­rio, junto con el agua que se separa de ellos. Por lo gene­ral, es necesario tratarlos para disponer de ellos sin origi­nar condiciones indeseables. Los objetivos de este tratamien­to son dos, el primero de los cuales es eliminar parcial o t£ talmente el agua que contienen los lodos para disminuir su volumen y, en segando lugar, para que se descompongan todos los sólidos orgánicos biodegradables transformándose en sóli­dos minerales o sólidos orgánicos relativamente estables.

Los métodos de tratamiento de lodos por lo general caen dentro de los siguientes procesos principales: concentración, estabilización, deshidratación, acondicionamiento, secado por calor e incineración. De ellos, uno de los más importantes como ya se mencionó anteriormente, es la estabilización.

Existen cinco formas de llevar a cabo la estabilización: oxidación con cloro, tratamiento con cal, tratamiento con ca­lor, digestión aerobia y digestión anaerobia.

La digestión anaerobia es uno de los procesos más anti­guos empleados pare la estabilización de los lodos producidos en el tratamiento de aguas residuales. Este proceso básicamente consiste en la descomposición de 1? materia orgánica e

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inorgánica por microorganismos en ausencia de oxígeno. En la actualidad, la mayoría de los procesos de digestión de lodos son anaerobios, si bien empieza a utilizarse cada vez más la digestión aerobia por las ventajas que presenta.

La digestión aerobia no es más que la continuación del proceso de lodos activados, y es un proceso en el cual una mezcla de lodos primerios y/o secundarios es aireada por cier to tiempo.

La aireación de los lodos se realiza en un tanque abier­to usando difusores de aire convencionales o equipo de airea­ción superficial. El proceso puede ser operado en forma contí_ nua o intermitente.

En el caso que nos ocupa, se estudiará la digestión aero_ bia de los lodos resultantes del tratamiento de aguas residua les por medio de lodos activados, por lo que en una sección posterior se hablará detalladamente sobre la teoría general de la digestión aerobia.

2.3 MICROBIOLOGIA LE LOS PROCESOS AEROBIOS

Para comprender los procesos biológicos aerobios es in­dispensable conocer el comportamiento y naturaleza de los mi­croorganismos, ya que, como se ha mencionado anteriormente ellos son los principales responsables del tratamiento.

La examinación microscópica de los lodos revela que este está formado por una población heterogénea de microorganis­mos, la cual cambia continuamente en su naturaleza en respuee ta a la variación en la composición del agua residual y condi clones ambientales. El medio ambiente en el que se encuentran los microorganismos influye en alto grado en sus procesos de crecimiento, por lo que debe proveerse un medio ambiente apro

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piado para cualquier tratamiento biológico en el que se quie­ra obtener una eficiencia óptima del tratamiento.

Esta población de microorganismos está compuesta por: bacterias, hongos, algas, protozoarios, rotíferos, crustáceos y virus, A continuación se describe brevemente la naturaleza de cada uno de estos microorganismos,

2.3.1 BACTERIAS

De todos los microorganismos, las bacterias son posible­mente los más importantes, ya que ellas son las que realmente degradan la materia orgánica transformándola a sustancias más sencillas y solubles, produciendo además gases como bióxido de carbono, ácido sulfhídrico, metano y amoníaco. A las bact£ rias se les encuentra en todo tipo de procesos de tratamiento biológico.

Las bacterias son protistas uniceltilares procarióticos, y pueden existir en tres formas: esféricas, en forma de barra y en espiral; su tamaño es muy variado y normalmente es de0.5 a 1.0 mieras de diámetro para las esféricas, de 0.5 a 1.0 mieras de ancho por 1.5 a 3.0 mieras de longitud para las ba­rras y de 0.5 a 5.0 mieras de ancho por 6.0 a 15.0 mieras de longitud para las espirales.

Las pruebas efectuadas a un número de diferentes bacte­rias indicaron que están compuestas por 80^ de agua y 20$ de materia seca, de la cual el 90$ es orgánica y el 10$ restante inorgánica. Una forma aproximada de la fracción orgánica se­ría C^H^NOg, en la que se observa que el 53^ en peso de la fracción orgánica es carbono. Cuando se considera el fósforo, se han propuesto las fórmulas de Cg^H^O-LQiT^P hasta Cg0H Og-j N12P (2).

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P205 (50$) so3 (15$)Nag0 (115É)CaO (9Jí)MgO (8$)K20 (6$)Pe203 (1$)

Ya que todos estos compuestos deben ser obtenidos del medio ambiento, la escacez de cualquiera de ellos limitaría y, en algunos casos, alterarla el crecimiento.

La temperatura y el pH juegan un papel vital en la viday muerte de las bacterias como ocurre también para otros or­ganismos vivos. Se he observado que la actividad de las bacte rias aumenta al incrementarse la temperatura hasta alcanzar tina temperatura limitante. Le acuerdo a esto, se pueden clasi ficar las bacterias según el rango de temperatura dentro del cual ellas funcionen mejor, encontrándose entonces bacterias criofllicas (-2 a 30°C), mesofílicas (20 a 45°C) y termofíli- cas (45 a 70°C).

Con respecto al pH, se puede decir que es un factor cla­ve en el crecimiento de los organismo^, la mayoría de ellosno pueden tolerar niveles de pH arriba de 9.5 o abajo de 4.0. Generalmente el pH óptimo para el desarrollo de las bacterias se encuentra entre 4.5 y 7.5.

Metabólicamente, las bacterias se clasifican en heteró- trofas y autótrofas, dependiendo que utilicen la materia orgá nica o el COg como fuente principal de carbono. De estas, las heterótrofas son el grupo más importante en el tratamiento

Los compuestos que comprenden la fracción inorgánicason:

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biológico áe aguas residuales, por sus requerimientos de com­puestos orgánicos para carbón celular. Con respecto a las au- tótrofas, se puede mencionar que las más comunes son quimio- sintéticas, si bien existen algunas que pueden realizar la fo tosíntesis.

Tanto las bacterias heterótrofas como las autótrofas pu£ den además clasificarse, dependiendo de sus necesidades de oxigeno, como: aerobias, si requieren de oxigeno disuelto pa­ra vivir; anaerobias, si requieren de ausencia de oxígeno di­suelto para vivir, y facultativas, si pueden vivir en ausen­cia o presencia de oxígeno disuelto.

2.3.2 HONGOS

Son organismos protistas multicelulares que utilizan la materia orgánica como fuente de energía y carbono (heterótro- fos). Usualmente se les clasifica por su modo de reproducción y su forma predominante de crecimiento es filamentosa. La ma­yoría de los hongos son aerobios, tienen la habilidad de desa rrollarse bajo condiciones de baja humedad y poseen un bajo requerimiento de nitrógeno, además, pueden tolerar un medio ambiente con un pH relativamente bajo. Debido a sus caracte­rísticas para sobrevivir bajo condiciones de pH bajo y limita ción de nitrógeno, son muy importantes en el tratamiento bio­lógico de algunos desechos industriales, así como en el com­posteo de desechos sólidos orgánicos.

2.3.3 ALGAS

Son organismos unicelulares o multicelulares, protistas

fotosintéticos, autótrofos. La presencia de -pigmentos fotosin

téticos hace que las algas sean fácilmente 3dentificables ba­

jo el nicroscopio. Las algas tienen JS habilidad de producir

oxígeno por medio del nccanismo de .lr> fotosíntesis. Durante

1 7

Ir noche, cuando no hay luz disponible para la fotosíntésis ellas utilizan el oxígeno disuelto para respirar. La respira­ción también ocurre en presencia de luz solar; sin embargo, la reacción neta es la producción de oxígeno. Las siguientes ecuaciones representan las reacciones bioquímicas simplifica­das para la fotosíntesis y la respiración:

Fotosíntesis: CO2 + 2H20 -------- (GB^O) + 02 + H20nuevas células de algas

Respiración: CHgO + 02 ------» C02 + HgO

Las algas tienen una relación simbiótica con las bacte­rias y el mecanismo de esta relación es la que se utiliza en las lagunas de estabilización.

Como otros microorganismos, las algas requieren de com­puestos inorgánicos para reproducirse. Los principales nu­trientes requeridos son, además del Ct',: nitrógeno, fósforo y trazas de elementos tales como hierro, cobre y molibdeno.

2.3.4 PROTOZOARIOS

Usualmente son microorganismos unicelulares, protistas eucarioticos, móviles. La mayoría de ellos son aerobios hete- rótrofos, si bien algunos pocos son anaerobios. Por lo gene­ral, los protozoarlos son más grandes que las bacterias y a menudo consumen bac berias como una fuente de energía. Le ahí que los protozoarios actúen como "pulidores" de los efluentes de los procesos de tratamiento biológico de aguas residuales, al consumir bacterias y materia orgánica suspendida. Poste­riormente se hablará más 3obre estos organismos y su gran im­portancia en los procesos biológicos aerobios.

18

Son animales aerobios multicelulares, heterótrofos. Su nombre se deriva del hecho de tener cilios sobre su cabeza, los cuales al moverse dan la impresión de un movimiento rota­torio. Estos cilios son empleados para moverse y pera captu­rar su alimento.

Los rotíferos son muy efectivos en el consumo de bacte­rias dispersas y floculadas, así como también de pequeñas par ticulas de materia orgánica. La presencia de ellos en un efluente es indicación de un proceso biológico aerobio de pu­rificación albamente eficiente.

2.3.6 CRUSTACEOS

Como los rotíferos, los crustáceos son animales aerobios multicelulares, heterótrofos. A diferencia de los rotíferos, los crustáceos poseen un cuerpo duro o caparazón que protege sus órganos vitales. Estos organismos se alimentan principal­mente de algas y son utilizados en lagunas de pulimento. Su presencia es efluentes es indicativo de un bajo contenido de materia orgánica y un contenido alto de oxígeno disuelto.

2.3.7 VIRUS

Es la estructura biológica más pequeña que contiene toda la información necesaria para su reproducción. Sólo pueden observarse por medio de un microscopio electrónico. Los virus son parásitos y como tales requieren un huésped para vivir y producir nuevos virus. Usualmente se clasifican por el hués­ped que infectan y normalmente producen enfermedades en el hombre. Para su control efectivo se emplea la cloración y la disposición apropiada del efluente la plenta de tratanien-

5 ROTIFEROS

19

Los sistemas biológicos de tratamiento están formados por poblaciones heterogéneas de microorganismos, en los cua­les cada microorganismo debe competir con sus vecinos para po der sobrevivir.

El factor primordial de la dinámica de población es la competencia por el alimento. Para poder crecer, un organismo debe ser capaz de obtener ciertas cantidades de nutrientes del sistema donde se encuentre, de osta manera, una población heterogénea de microorganismos contendrá sólo aquellos micro­organismos que han logrado sobrevivir en esta competencia. Existen dos tipos de compotición por el alimento, esto es, competición por el mismo alimento y el uso de un organismo por el otro como alimento.

2.4.2 MISMO ALIMENTO

La competición más común es aquella por el mismo alimen­to. La habilidad de los microorganismos para competir con éxi_ to por el alimento bajo un conjunto de condiciones ambienta­les fijas, es una función de las características metabólicas de los microorganismos; aquellos que pueden procesar la máxi­ma cantidad de alimento a la máxima velocidad, serán los que ■predominaran.

2.4.3 RELACION PRESA-PREDADOR

Una de las mayores competiciones por el alimento es el que se presenta entre los microorganismos que procesan el ali_ mentó soluble y los que procesan el alimento sólido. McKinney (5) se refiere a esta relación, definiendo a los primeros co­

m o plantas y a los otros como animales, aunque esta defini- t. ión no se utiliza en la microbiología moderna. De acuerdo a

2.4 DINAMICA DE POBLACION

20

él, las plantas procesan la materia orgánica creando nuevos células, las curies estimulan el crecimiento de los animales. A medñde que los animales metabolizan a las plantas, estas son capaces de matabolizar la materia orgánica a un nivel ba­jo, de esta manera los animales ayudan a ajustar la relación alimento-microorganismos por la reducción de la concentración de microorganismos, lo que favorece la utilización más rápida del alimento.

Esta relación es el secreto del buen éxito en los siste­mas de tratamiento biológico de residuos líquidos, ya que los animales mantienen bajo el exceso de población bacterial y permiten que la concentración de alimento sea mínima dentro del sistema, favoreciendo la producción de un efluente claro.

2.5 CRECIMIENTO Y MUERTE DE MICROORGANISMOS

Le estabilización de las arduas residuales está relaciona da con el crecimiento o falta de creciniento de los microorga nismos, de ahí que sea importante pu entendimiento.

El crecimiento de microorganismos si jue una tendencia de finida, la cual ha sido estudiada más extensamente con rela­ción a bacterias y protozoarios, los cuales se multiplican por fisión binaria, que consiste en que ccda célula se divide en dos nuevas células con igual habilidad para metabolizar.El resultado neto es un crecimiento en pares. La tendencia de crecimiento se nuede explicar en base a dos puntos de vista: mimero de microorganismos y masa de microorganismos.

2.5.1 NUMERO DE MICROORGANISMOS

Si ce inocula un número ira f «reoV» do n'í smoi s tos en un medio de cul'ivo fecí ''laspr' , 1c curva d^ croci -ion­es basedr en el mVoro do rSIc *X rr"' 1 §»• ** c&r’o l'1 -*or Lr^

21

da en la figura 2,2. Licha curva normalmente se divide en sie te Cases:

La fase inicial es la fase de acondicionamiento o adapta_ ción, durante la cual los microorganismos se ajustan el medio y no aumentan grandemente en número. La segunda fase es la de crecimiento logarítmico, donde el crecimiento está restringi­do solamente por la habilidad de los microorganismos para pro cesar el alimento. La tercera fase se conoce como de declina­ción del crecimiento, aquí el crecimiento está limitado por la eseacez de alimento. La fase siguiente es la estacionaria, donde la población de microorganismos mantiene un nivel, el número de microorganismos nuevos es igual al núemro de los microorganismos muertos. La fase de incremento de muerte es donde empieza la disminución de la población al abatirse to­talmente el alimento. Posteriormente se pasa a la fase de muerte logarítmica, en ella los microorganismos sólo disponen de sus reservas de alimentos para mantenerse vivos y la tasa de mortandad es función de la población viva. Finalmente vie­ne la fase de muerte total, completándose de esta forma el ci cío de crecimiento.

2.5.2 MASA 1)1 MICROORGANISMOS

En la figura 2.3, se muestra la curva de crecimiento ba­sada en la masa de microorganismos. Esta curva sólo consta de tres fases, s saber:

Fase logarítmica de crecimiento. En esta fase, siempre existe exceso de alimento alrededor de los microorganismos y la velocidad de metabolismo y crecimiento sólo está limitada por la habilidad de los microorganismos para procesar el ali­mento. Al final de esta fase, los nicroorganismos se encuen­tran creciendo v su míxima velocidad y, en consecuencia, la roroci^n del ^li®issto se oncuer.tra también en su máxina repi-

T IEMPO

FIGURA 2.2 Curva de crecimiento basadaen número de microorganismos (3).

roro

FIGURA 2.3 Curva de crecimiento basadaen masa de microorganismos^).

roOi

¿4-

dez. La utilización de esta fase en el tratamiento de dese­chos es muy limitada debido a que la concentración de materia orgánica que rodea a los microorganismos debe ser alta para mantener el crecimiento logarítmico, lo que se traduce en la imposibilidad de producir un efluente estable cuando los mi­croorganismos se encuentran en esta fase.

Pase de declinación del crecimiento. Durante esta fase, la limitación del alimento hace que la velocidad de crecimien to disminuya. A medida que los microorganismos reducen la con centración de alimento, la velocidad de crecimiento disminuye cada vez más. En los sistemas de tratamiento esta fase de ere cimiento biológico es la más comunmente usada.

Pase de respiración endógena. Cuando ha cesado el creci­miento, la concentración de alimento se encuentra en un míni­mo. La poca cantidad de materia orgánica restante aún en el sistema se encuentra en equilibrio con los microorganismos. A medida que los microorganismos requieren más alimento, ellos se ven forzados a metabolizar su propio protoplasma a la vez que también disminuye lentamente la concentración de alimento disuelto. Durante esta fase, permanece constante la relación de masa de microorganismos a concentración de alimento. A me­dida que la masa de microorganismos disminuye, la velocidad del metabolismo también disminuye. En algunos procesos con tiempos de retención altos, se pretende utilizar la fase de respiración endógena para la estabilización completa de los desechos orgánicos. Cabe hacer mención que durante el proceso de digestión aerobia esta fase resulta de primordial importan cía, ya que los microorganismos son obligados a utilizar sus reservas alimenticias en virtud de que el alimento escasea.

25

Dentro de la microbiología de los procesos biológicos, existe un grupo fie gran importancia, los protozoarios. Estos microorganismos son, como ya se mencionó con anterioridad, protistas eucarióticos, unicelulares y normalmente aerobios heterótrofos.

En vista que el predominio de los protozoarios en un de­secho liquido sigue una tendencia más definida que la de los otros grupos de microorganismos y por la facilidad que presen ta la observación de protozoarios en el microscopio, los pro­tozoarios son indicadores muy valiosos del ciclo biológico completo. Para los microbiólogos sanitarios, esta observación microscópica les brinda, en cierto sentido, el estado del de­secho liquido y de esta manera poder apreciar aunque sea su­perficialmente el desarrollo del proceso que áé lleva a cabo.' Por ello, es importante conocer la forma y el comportamiento de estos microorganismos.

2.6.1 CLASIFICACION

La clasificación de protozoarios esta basada principal­mente en su modo de movilidad lo cual es fácil de determinar mediante observación microscópica. Usualmente a estos organis mos se les divide en cinco clases:

1.- Sarcodina2 . - M astigo p h o ra3 . - Sp oro zoa4 . - C i l i a t a5.- Suctoria

De estas cinco clases, tres son de importancia en el pro ceso de lodos activados: Sarcodina. Mastlgpphora y Ciliata.

2.6 IMPORTANCIA DE LOS PROTOZOARIOS EN LOS PROCESOS AEROBIOS

26

2.6.1.1 SARCODINA

los Sarcodina se mueven por medio de seudópodos, llama­dos comunmente "pies falsos" y están formados por protoplasma fluido contenido en una membrana flexible. Estos seudópodos los utilizan para moverse o para capturar su alimento. los Sarcodina engullen partículas de alimento sólido, las hidroli. zan y posteriormente las absorben a través de la pared celu­lar, también pueden absorber alimento soluble directamente a través de la pared celular. Los Sarcodina más comunes son las amoebas,

2.6.1.2 KASTIGOFHORA

Los Mastigophora o flagelados se mueven por medio de uno o más flagelos, los cuales tienen forma de látigo largo y les proporcionan un movimiento irregular. Esta clase de protozoa­rios se subdividen de acuerdo a su metabolismo en: holofíti- cos, que utilizan alimento soluble, y holozoicos, que utili­zan alimento sólido. Los flagelados holofíticos se subdividen a su vez en fotosintéticos, si obtienen su energía de la luz solar, y quimiosintéticos si la obtienen al metabolizar la ma teria orgánica. Porotra parte, los flagelados holozoicos son quimiosintéticos y son capaces de obtener energía tanto del alimento soluble como del sólido. En ocasiones estos microor- ~?r'! "-oe son mencionados como fitoflagelados cuando consumen solamente alimento soluble y como zooflagelados cuando consu­men alimento sólido y soluble.

2.6.1.3 CILIATA

Los Ciliata o ciliados se mueven por medio de pequeños cilios parecidos a cabellos, los cuales son extensiones de su membrana celular. Los cilios son responsables del movimiento del microorganismo y también lo ayudan a capturar el alimento

2 7

sólido, que puede ser materia orgánica particulada o bacte­rias. Esta clase de protozoarios se subdivide en libre y an­clados. Los ciliados libres se mueven rápidamente a través del liquido metabolizando la materia orgánica sólida tan rápi do como pueden, ya que su movimiento les hace consumir gran cantidad de energía.

Para el caso de los ciliados anclados, estos se encuen­tran unidos a flóeulos por medio de un tallo y capturan su alimento cuando este pasa por el sitio donde se encuentran an ciados, forzando al alimento a llegar hasta ellos por medio del movimiento de sus cilios. Si la partícula a la que se en­cuentran adheridos es pequeña, la acción de los cilios es su­ficiente para impulsarlos a través del liquido. Como su movi­miento es limitado, requieren menos alimento para energía.

2.6.1.4 OTROS

Las otras clases de protozoarios que existen no son de interés para los procesos biológicos; para el caso de los Sporozoa, estos son enteramente parasitarios, tienen complica dos ciclos de vida, de los cuales el estado de espora es su característica principal, y su interés pertenece al aspecto médico. Con relación a los Suctoria, tienen dos fases en su ciclo de vida: un estado libre y un estado anclado adulto. El estado adulto se identifica por la presencia de tentáculos rí gidos, que son utilizados para atrapar a otros protozoarios y entonces extraer su protoplasma hacia su cuerpo. Los Suctoria pueden normalmente encontrarse en los sistemas de tratamiento biológico aerobio.

2.6.2 DINAMICA DE LOS PROTOZOARIOS

ruchos de los protozoarios son incapaces de producir to­das las sustancias requeridas para su crecimiento y dependen

28

de las bacterias que ellos metabolizan para conseguir t^les sustancias.

Los protozoarios pueden utilizar como alimento compues­tos orgánicos solubles, siempre y cuando la concentración or­gánica sea alta (5000 a 10 000 mg/1). En las aguas residuales la concentración orgánica es por lo general demasiado baja pa ra mantener cualquier crecimiento de protozoarios que no sean los Mastigophora holofíticos, la sobrevivencia de los demás protozoarios bajo estas condiciones se debe a que ellos viven a expensas de las bacterias.

Los flagelados no se encuentran en gran número nunca, ex cepto en aguas contaminadas recientes. Los flagelados holofí­ticos deben competir con las bacterias por el alimento solu­ble y nunca saldrán victoriosos en este tipo de competición. Los flagelados holozoicos son más afortunados que los anteri£ res por utilizar a 3as bacterias como alimento; sin embargo, no son tan eficientes como los ciliados libres en la obten­ción de bacterias y dejan paso a los ciliados,

Mientras la población de bacterias es alta, los ciliados libres se encuentran en un medio ideal para su crecimiento. Con la disminución de la población de bacterias, los ciliados libres demandan tanta energía que no pueden sobrevivir y de­jan lujar a los ciliados anclados. Los ciliados anclados se adhieren a partículas sólidas y atraen el alimento hacia ellos mediante el rápido movimiento de sus cilios. Como su d£ manda de energía es muy baja, ello les permite sobrevivir a la muy baja población bacterial. Eventualmente, el sistema es tan estable que los ciliados anclados no pueden obtener sufi­ciente energía para continuar viviendo y sucumben.

Los rotíferos y otros animales mayores son los últimos organismos que sobreviven. Este tipo de organismos tienen la

29

habilidad de utilizar la fracción no soluble de las bacterias muertas así como también otras partículas sólidas orgánicas.

la variación del predominio de los microorganismos con respecto al tiempo, en la estabilización aerobia de residuos líquidos orgánicos esta dada en la figura 2.4. Aunque las bac_ terias son de importancia primordial, muchos otros microorga­nismos toman parte en la estabilización de los residuos orgá­nicos.

FIGURA 2.4 Crecimiento relativo de microorganismos en la estabilización de de&schos líquidos (3).

OIo

31

Uno de los constituyentes más importantes removidos en una planta de tratamiento de aguas residuales es el lodo pro­ducido como resultado del tratatmiento primario y secundario de dichas aguas. Estos lodos usualmente se encuentran en for­ma de liquido o líquido semisólido cuyo contenido de sólidos variará dependiendo de las operaciones y procesos empleados.

Los lodos generados por el tratamiento, representan un problema complejo a resolver con respecto a su procesado y disposición final, ya que contienen la mayor porción de sus­tancias responsables de las características ofensivas de las aguas sin tratar.

Anteriormente, se anotó que existen varios procesos de tratamiento de lodos aplicables antee de su disposición fi­nal, de ellos, uno de los más importantes es la estabiliza­ción, la cual se puede definir aquí como la disminución de los sólidos suspendidos biodegradables a un nivel en el cual pueden ser considerados como un producto estable, sin malos olores ni efectos nocivos y que pueda posteriormente ser mane jado con facilidad para su disposición finsl.

La estabilización de los lodos de desecho de las plan­tas de tratamiento de aguas residuales se había realizado por lo general, mediante la digestión anaerobia. Dicho proceso produce un lodo estable, sin embargo, mucho del contenido de material orgánico es solubilizado y el sobrenadante resultan­te es muy alto en materia orgánica, la cual es susceptible de descomponerse en etapas posteriores a la disposición. Además, el proceso es muy sensible y frecuentemente presenta proble­mas. A causa de esto, se han probado otros métodos para la es tabilización de los lodos, uno de ellos es la digestión aero­bia.

3.- FUNDAMENTOS TEORICOS

32

3.1 DIGESTION AEROBIA

la digestión aerobia, objeto de nuestro estudio, es una de las formas de llevar a cabo la estabilización de la parte orgánica de los lodos producidos en las diversas operaciones del tratamiento, tendiente a lograr un producto final que pue da disponerse al medio ambiente sin efectos peligrosos.

3.1.1 DESCRIPCION DEL PROCESO

El proceso de digestión aerobia de los lodos no es más que la continuación del proceso de lodos activados; es decir, la disminución de sólidos orgánicos es lograda sometiendo a los lodos a una aireación prolongada. La velocidad de disminu ción sigue una cinética de primer orden regida por la veloci­dad específica de decaimiento. Estos valores varían con la temperatura, la edad de los lodos y con la naturaleza de las aguas residuales de las cuales se generaron los sólidos de los lodos activados.

El principio básico de la digestión aerobia es el si­guiente (7):

Cuando un cultivo de organismos aerobios heterótrofos es colocado en un ambiente conteniendo una fuente de material or gánico, los microorganismos removerán y utilizarán la mayoría de este material. Una fracción del material removido, es uti­lizado para síntesis con lo que habrá un incremento en la bi. masa. El material remanente será canalizado a energía de meta bolismo y oxidado a bióxido de carbono, agua y material iner­te soluble para proporcionar energía a las funciones de sínt£ sis y mantenimiento (soporte de vida).

Una vez que la fuente externe de material orgánico se ha agotado, los microorganismos entrarán a lo que se conoce como

33

respiración endógena, en donde el material celular es oxidado para satisfacer la demanda de energía de mantenimiento; es de cir, requerimientos de energía para mantener la vida. Si esta condición es mantenida por un período prolongado de tiempo la cantidad total de biomasa se reducirá considerablemente, y además, la porción remanente existirá en un estado tan bajo de energía que se puede considerar biológicamente estable y apropiada para su disposición al medio ambiente.

Cuando son digeridos en forma aerobia mezclas de lodos primarios y lodos secundarios, se debe considerar un factor adicional; los lodos primarios si bien son de naturaleza orgá nica y particulados, contienen una pequeña biomasa. La mayo­ría del material representa una fuente externa de alimento pa ra la biomasa activa contenida en los lodos biológicos, y por lo tanto, ocurrirá el metabolismo y el crecimiento antes de que sean alcanzadas las condiciones endógenas. Le ahí que se requieran tiempos de retención más largos para lograr una es­tabilización equivalente cuando se digieren mezclas de lodos ■orimarios y lodos activados que si se tratara de digerir sola mente lodos activados.

La digestión aerobia del humus de los filtros rociadores constituye una condición entermedia de estos dos extremos pe­ro puede ser razonablemente aproximada a la reacción de los lodos activados.

3.1.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS

La digestión aerobia comparada con la digestión anaero­bia para la estabilización de los lodos presenta varias ven­tajas y desventajas:

34

Ventajas:

1.— Produce un producto final biológicamente estable.

2.- El producto final no tiene olor, por lo que es posi­ble su disposición en la tierra.

3.- Los digestores aerobios, por ser más sencillos, tie­nen costos de capital menores que los digestores anaerobios.

4.- Los lodos digeridos aerobicamente, generalmente tie­nen buenas características de deshidratación.

5.- Para los lodos biológicos, se puede lograr aproxima­damente el mismo porciento de reducción de sólidos volátiles que se alcanza normalmente en la digestión anaerobia.

6.- El sobrenadante producido tiene un contenido de DBO más bajo que el que se obtiene en el proceso anaero­bio.

7.- Presenta muy pocos problemas de operación porque el sistema es más estable. Por consiguiente, se requeri_ rá de menores costos de mantenimiento y menor mano de obra especializada en la operación de la planta.

8.- Los lodos digeridos aerobicamente tienen un valor fertilizante más alto que los digeridos anaerobica- mente.

Desventajas:

1.- Presenta altos costos de energía, resultando en al-

35

tos costos de operación, lo que llega a ser signifi­cativo en instalaciones grandes.

2.- La eficiencia de disminución de los sólidos varía con las fluctuaciones de temperatura.

3.- La concentración por gravedad, posterior a la diges­tión aerobia, produce un sobrenadante alto en concen tración de sólidos.

4.- Algunos lodos aparentemente no se deshidratan fácil­mente por filtración al vacío después de la diges­tión aerobia.

Conforme se desarrolle más información confiable sobre la economía y cinética del proceso de digestión aerobia, se espera que adquiera mayor popularidad su empleo en la estabi­lización de los lodos.

3.1.3 CINETICA DEL PROCESO

Por lo general, los digestores aerobios son operados co­mo unidades de aireación completamente mezcladas de flujo con tínuo y están diseñadas sobre la base de la disminución de los sólidos suspendidos volátiles (S55V). Benefiel (7), consi­dera que el modelo presentado por Adams, et al, es probable­mente el modelo más extensamente aceptado para el diseño.

Otro modelo muy usado es el propuesto por Randell (7). Básicamente, este modelo es muy similar al anterior, la dife­rencia radica en que Randall desarrolla un balance de materia completo basándose en la aplicación de los sólidos suspendi­dos totales (SST).

Otros autores hsn presentado modelos que sólo son peque-

36

En el modelo de Adams, et al, se supone que no hay pérdi das de sólidos suspendidos fijos y que ls pérdida de sólidos suspendidos volátiles degradables durante el metabolismo endó geno sigue una reacción de primer orden, esto es:

ñas modificaciones al desarrollado por Randall.

dt(3.1)

Donde:

dtvelocidad a la que se pierden los sólidos de­gradables como resultado de la respiración en­dógena, (masa/volumen-tiempo).

K, = constante de velocidad de reacción para ls des b ~trucción de los SSV degradables, determinadaen un reactor por lotes (batch), (1/tiempo).

(lí,) = sólidos suspendidos volátiles remanentes a un tiempo t, (masa/volumen).

Haciendo un balance de materia para los sólidos degrada- bles que entran y salen de un digestor completamente mezclado como el mostrado en la figura 3.1» se tendrá:

velocidad de cambio velocidad a la velocidad a lade SSV degradables = que entran los - que salen losen el reactor SSV al digestor SSV del digestor

FIGURA 3.1 Diagrama de flujo de un digestor aerobio completamente mezclado(7).

Q(Xd)e

OI->i

38

lo anterior puede escribirse matemáticamente como:

a(xd) v = Q(xd)o a(xd)v + Q(Xd )e (3.2)

dt

Donde:

Q = velocidad de flujo volumétrico, (volumen/tiempo).

(Xdl - concentración de SSV degradables en el afluente,

(X,)e = concentración de SSV degradables en el efluente, (masa/volumen).

V = volumen del digestor, (volumen).

Suponiendo condiciones de equilibrio y sustituyendo el primer miembro de la ecuación 3.1 en la ecuación 3.2, esta quedará:

(masa/volumen).

V _ " <Ve0 " W e

donde:

t = tiempo de retención del digestor, (tiempo),

la ecuación quedará:

3 9

. í í a W f a k ,3.3,W e

Sis < V e - « e - V (3.4)

< V o = <X0 - V <3-5’

donde:

X = concentración de SSV totales en el efluente, (masa/ ©volumen).

X = concentración de SSV totales en el afluente, (masa/ volumen).

X. = porción no degradable de SSV la cual se supone que permanece constante durante el período de diges­tión, (masa/volumen).

Sustituyendo (X¿) y (Xfl)Q de las ecuaciones 3.4 y 3.5 en la ecuación 3.3, se tendrá:

X„ - XQt = _ _ °--- -2— (3.6)

V Xe " V

Para el modelo de Adams, K- y X^ pueden ser determinadas para cualquier lodo particular, mediante la realización de estu­dios en sistemas por lotes (batch) a nivel laboratorio.

En la figura 3.2 se muestra en papel semilogarítmico la gráfica teórica de los SSV remanentes contra tiempo de diges­tión suponiendo una cinética de primer orden basada en estu­dios en sistemas por lotes (batch), la pendiente de la línea representa el valor de X^. Haciendo la misma gráfica, pero ahora en papel aritmético, se obtendrá el valor de Xn como se

40

Tiempo de digestión (días)

P e n d ie n te = K b

Fracción no degradable (Xr)

Tiempo de digestión (días)

FIGURA 3.2 Concentración de SSV contra tiempo de dlg»stión(7).

FIGURA 3.3 SSV degradables remanen!» contra tiempo de digestion(7)

41

En este modelo, se considera que sólo el contenido de só lidos suspendidos volátiles (SSV) disminuirá durante la diges tión y no batirá disminución de sólidos suspendidos fijos. Ran dall, et al (7), han encontrado que esto no es asi y reportan una disminución de sólidos suspendidos fijos iSSF) durante el proceso de digestión aerobia, implicando la necesidad de un modelo en el cual se describa de una forma más realista este

proceso.

Esta disminución la explican como un cambio en 1$ forma de los sólidos fijos, los cuales pasan de suspendidos a solu­bles mediante la lísis de las células microbianas contenidas en los sólidos. Por lo tanto, la biomasa activa y los sólidos suspendidos totales (SST) pueden usarse para describir la di­gestión aerobia.

Be hecho, resulta lógico usar los sólidos suspendidos to tales (SST) en vez de los sólidos suspendidos volátiles (SSV) cuando se considera que una célula activa ©stá compuesta v n to de materia orgánica como inorgánica y que durante la respi ración endógena ocurre una solubilización del material inorgá nico así como una oxidación del material orgánico. Por lo tan to, suponiendo que:

1.- los sólidos suspendidos totales (SST) están compues­tos de una fracción activa y una fracción inactiva.

2.- la fracción inactiva de los sólidos suspendidos tota les (SST) del afluente es no biodegradable, esto es, material que no puede ser oxidado o solubilizado por medio de la acti­vidad microbiana.

puede observar en la figura 3-3»

3.- La fracción activa de los sólidos suspendidos tota­

42

les (SST) del afluente, está compuesta de una fracción degra- dable y otra no degradable, donde la parte degradable compren de el material que sí puede ser oxidado o solubilizado por m£ dio de la actividad microbiana.

4.- Solamente la fracción activa degradable de los sóli­dos suspendidos totales (SST) disminuye durante la digestión.

Puede entonces construirse un diagrama de flujo siguien­do a los sólidos suspendidos totales a través del proceso de digestión, dicho diagrama se muestra en la figura 3.4. La no­menclatura que se utiliza en él, es la siguiente:

X # concentración de SST en el afluente del digestor.0

X = concentración de SST en el efluente del digestor.e

X = aquella fracción de la concentración de los SST en el afluente, la cual es activa.

X = aquella fracción de la concentración de los SST en01el afluente, la cual es inactiva.

Xoad = acluella fracción de la masa activa la cual es de­gradable, esto es, aquella porción de la masa ac­tiva que puede oxidarse o solubilizarse mediente la actividad biológica.

^oanS = a(luella fracción de la masa activa la cual es no degradable.

X_ind = aquella fracción de la masa inactiva la cual es no degradable.

X = aquella fracción de la concentración de los SST en©9.

43

X = aquella fracción de la concentración de los PST en ea

el efluente la cual es activa.

X - = aquella fracción de la concentración de los SST en el efluente la cual es inactiva.

f = fracción de la biomasa activa no degradable en elafluente, que pasa a través del proceso de digestión y aparece como biomasa activa no degradable en el efluente (la biomasa active está compuesta de una fracción de gradable y una no degradable. Durante la digestión ambos componentes decrecen con respecto a sus valores iniciales a medida que ocurren la lisis celular, el metabolismo y le solubilización; pero una fi-acción es descargada en el efluente).

D = fracción de la biomasa activa degrad?.ble en elafluente que aparece como biomasa activa degradable en el efluente.

K, = velocidad de decaimiento de la fracción degradableQde la biomasa activa aproximada por la disminución en SST.

Tediante el exámen de la figura 3.4, se llegó finalmente a la ecuación:

- Xt = ---2---- § _ (3.7)

KdD <Xoad)Xo

Esta ecuación refleja la importencia del estado fisiológico de la bionase cuando se calculen los requerimientos del fiige£ tor. Upadhyaya y Eckenfeider (7) hcn otservedo que la frac­ción activa de los sólidos del lodo disminuye cuando disminu-

FIGURA 3.4 Cambio de los sóhdos suspendidos totalescomo resultado de la respiración aerobia (7).

45

ye la relación alimento a microorganismos (A :M ) o incrementa la edad de los lodos.

Además, Komitz y Forney (7) han encontrado que aproxima­damente el 77$ de una célula biológica es degradable. Por lo anterior, la ecuación 3.7 puede modificarse a la forma;

x„ -t = 2 2 (3.8)r Kd0 - ™ Xoa)Xo

la cual se puede usar para calcular el tiempo de retención re querido en el digestor. Este valor de 0.77 se aplica solamen­te a la biomasa activa y no a los SST o SSV, y es el valor más frecuentemente citado en la literatura. Es rezonable supo_ ner que este valor puede variar bajo ciertas condiciones. Cuando esto ocurre, la ecuación 3.8 deberá modificarse apro­piadamente.

3.1.4 7ACT0RES QUE AFECTAIT EL PROCESO

Estos factores son: requerimientos de oxígeno, requeri­mientos de mezclado, nitrificación y condiciones ambientales. Todos ellos non importantes en el diseño de un proceso de di­gestión aerobia y son comentados a continuación.

3.1.4.1 T'-’ü OXIGENO

Estos requerimientos de oxigeno, que deben ser satisfe­chos durante la digestión aerobia son los del tejido celular para el caso en que sólo se digieran lodos activados y, cuan­do se trata de lodos mezclados, la DBOp; del lodo primario.

los requerimientos de oxígeno para la oxidación completa del tejido celular es de 7 mol/mol de células, o aproximada­mente 2 kg/kg de células. Con respecto a los requerimientos

46

de oxígeno para la oxidación completa de la DBO^ contenida en el lodo primario, esta varía de 1.7 a 1.9 k g A g destruido.

3.1.4.2 '¡EQUEHIt'IENTOS DE MEZCLADO

Para asegurar la operación adecuada del digestor, su con tenido debe estar bien mezclado. Por lo general, se obtiene un buen mezclado mediante la cantidad de aire que se suminis­tra para cumplir con la demanda de oxígeno; sin embargo, los requerimientos de potencia deben ser comprobados.

3.1.4.3 NITRIFICACION

Se define como nitrificación rl proceso de oxidación del ión amonio, las dos ecuaciones siguientes ilustran dicha oxi­dación. En la primera ecuación se observa la oxidación del ión amonio a nitrito por las ÍJitrosomonas y en la segunda ecuación se muestra la subsecuente oxidación del nitrito a ni_ trato realizada por las Nitrobacter.

2IJH,+ + 302 ---► 2N02" + 4H+ + 2H20

2TT02“ + 02 --->• 2N0-J-

La reacción global será por consiguiente:

m 4+ + 202 ----- n o3“ + 2H+ + h 2o

Como se observa, en la reacción se libera H+ y si la alcalini dad presente es insuficiente para compensar el sistema el pH disminuirá afectando la actividad de los microorganismos.

47

Los factores ambientales que influyen grandemente en el proceso de digestión son la temperatura y el pH. Observacio­nes efectuadas, han mostrado que la operación de los diges­tores aerobios puede llegar a depender de la temperatura en especial cuando esta es inferior a 20°C para tiempos de reten ción de 15 días. También se ha visto que a medida que el tiem po de retención es incrementado a 60 días, el efecto de la temperatura se hace despreciable. Para el caso de climas ex­tremadamente fríos se tendrá que tomar en consideración la po sibilidad de calentar el lodo o el aire suministrado y/o cu­brir los tanques.

Por otra parte, el pH debe verificarse periódicamente pa ra evitar que sus variaciones puedan afectar la eficiencia del proceso.

3.1.5 CRITERIOS DE DISEÑO

Para el diseño de un digestor aerobio es necesario consi_ derar los siguientes factores: tiempo de retención hidráuli­co, carga orgánica del proceso, requerimientos de oxígeno, re querimientos de mezclado, temperatura y pH (7).

3.1.5.1 TIEMPO DE RETENCION HIDRAULICO

Típicamente, la disminución de sólidos volátiles varía de 35 a 45i> para Tin tiempo de retención de 10 a 12 días, a temperaturas iguales o mayores de 20 C.

La cantidad de sólidos volátiles contenida en el lodo disminuye más o menos linealmente hasta un valor próximo al 40$ para un tienpo de retención hidráulico de 10 a 12 días.Si bien la remoción de sólidos volátiles continúa con el in-

3.1.4. 4 CONDICIONES AMBIENTALES

48

cremento del tiempo de retención, la velocidad de remoción disminuye considerablemente. Dependiendo de la temperatura, la disminución máxima varía entre 45 y 70$,

El tiempo requerido y el grado de remoción de los sóli­dos volátiles también varían con las características del lo­do.

3.1.5.2 CRITERIOS BE CARGA

La información disponible al respecto es limitada. Los valores usualmente empleados en términos de kg de sólidos vo­látiles por m^ por día varían de 1.6 a 4.8.

Bebido a que los tiempos de residencia hidráulico y celular medio son nominalmente equivalentes para este proceso, los criterios de carga, basados en el tiempo de residencia c<3 lular medio, parecen ser más satisfactorios.

la concentración de sólidos máxima estará gobernada por la transferencia de oxígeno y los requerimientos de mezclado.

3.1.5.3 REQUERIMIENTOS BE OXIGENO

En la digestión aerobia el metabolismo microbiano re­quiere del oxígeno disuelto presente, por lo que este es con­sumido continuamente. Esta demanda de oxígeno debe ser satis­fecha por el sistema de aireación.

La biomasa de los lodos activados generalmente se repre­senta por 18 siguiente fórmula: CjjHyNOg (composición promedio del material celular). Para bajos tiempos de retención donde no se espera nitrificación, se tiene:

CrH7N02 + 502 5C02 + NH3 + 2Hg0

49

Teóricamente, esta reacción indica que se requieren 1,416 kg de C>2 para oxidar 1 , 0 kg de masa celular (aproximadamente1,42 mg Og/mg masa celular oxidada).

Para el caso de tiempos de retención más prolongados don de se espera nitrificación:

c 5h 7n o 2 5C02 + 3H20 + H + + N03‘

segán esta última acuación, se requerirán aproximadamente 2 kg 0o/kg de masa celular oxidada.

Si solamente se van a digerir lodos activados de exceso, los requerimientos de oxigeno sugeridos son de 15 a 20 m^/ min- 1 0 0 0 b: ' de capacidad del tanque.

Una forma más adecuada de determinar los requerimientos de oxigeno, es suponer que la DBO última de los lodos prima­rios se satisface durante la digestión y que se requieren1 .4 2 kg de oxígeno por kg de sólidos biológicos destruidos, de lo anterior se tiene entonces:

o 2 = 1.42

kg de sólidos kg de DBO últimabiológicos des­ de los lodos pri­truidos durante + marios agregadosla digestión al digestor porpor día. día.

Esto último se expresa matemátjcamente como:

02 = 1 .42 QoH(0.77)XoaIo] * V o (3.9)

donde:

Op = kg de oxígeno requerido por día.

50

Qp = gasto de lodos primarios, 1 /día.

R = fracción reducida de masa biodegradable durante la digestión.

X = fracción de los SST de la alimentación que es bio- oamasa activa.

X = concentración de SST alimentados al digestor, kg/l.

Qq = gasto alimentado al digestor, 1/dla.

S = DBO última de los lodos primarios, kg/l.

Guando solamente se digieren lodos activados, el último térmi no de la ecuación será cero.

Es necesario resaltar el hecho de que la ecuación no con sidera la nitrificación la cual en muchos casos puede ser sig nificativa, por lo que corresponde al operador del digestor vigilar que esta situación no se presente.

3.1.5.4 REQUERIMIENTOS DE MEZCLADO

Durante la digestión aerobia, es necesario proporcionar mezclado para mantener los sólidos en suspensión y para lo­grar una eficiencia óptima de transferencia de oxígeno a lo largo de todo el proceso.

Los requerimientos de mezclado se expresan generalmente como niveles de potencia, definiéndose como nivel de potencia a la potencia por unidad de volumen bajo aireación, cuyas uni dades usualmente son IIP/ miles de galones.

51

Cuando la concentración de lodos en el digestor es menor ie 20 000 mg/1 , se emplean niveles de potencia entre 70 y 100 HP/millón de galones. Si la concentración de sólidos llega a ser mayor, los niveles de potencia requeridos variarán entre 100 y 200 HP/millón de galones.

Para calcular el nivel de potencia mínimo requerido para proporcionar un mezclado eficiente, Reynolds desarrolló la si_ guiente expresión:

P/V = HP/1000 galones.

//= viscosidad del agua, cp.

X = concentración de SST en el digestor en condiciones de equilibrio, mg/1 .

Conocido el nivel de potencia requerido, para determinar el flujo de aire comprimido necesario se utiliza la siguiente ecuación:

£ = 0.00475(/' )°*3 (x)0 * 298 V

(3 .10 )

Donde:

(3.11)V lh

Donde:

Ga/V = pie /min/1000 pieJ a temperatura de operación del aire.

52

3.1.5.5 TEMPERATURA

Se ha observado que la operación de los digestores aero­bios puede ser dependiente de la temperatura. El proceso ha sido estudiado por varios investigadores en un amplio rango de temperaturas de operación (8 ) y aunque éste es un tema que presenta grandes controversias, la mayoría de los investigad£ res coinciden en que la velocidad del proceso se incrementa a medida que la temperatura es incrementada, siendo esto válido en el rango ds 20° a 40°C aproximadamente. A medida que la temperatura de digestión es incrementada más allá de ese pun­to, se observa una disminución en la eficiencia del proceso.

Randall, et al (8 ), encontraron que no hay grandes dife­rencias en la calidad del proceso de digestión aerobia en el rango de 20° a 35°C por lo que no encontraron ninguna ventaja práctica en la digestión arriba de 20°C. También observaron que los requerimientos de oxígeno del proceso aumentaban a temperaturas de digestión extremas; sin embargo, esta varia­ción era pequeña en el rango de 20° a 35°C.

La temperatura afecta al proceso al alterar la velocidad de respiración endógena. Algunos autores recomiendan que el coeficiente de velocidad, K.,, puede corregirse por temperatu­ra empleando para ello la relación modificada de Arrenhius:

(Kd)T = (Ka )20oc O1" 20 (3.12)

9 = coeficiente de temperatura, el cual varía de 1 .0 2 a 1 .1 1 .

h = profundidad de los difusores, pies.

Donde:

53

Sin embargo, Randall, et al (7), encontraron que esta varia­ción no siempre puede ser descrita por la relación de Arren- hius, pues observó que la constante variaba con la temperatu­ra de acuerdo a como se muestra en la figura 3.5.

3.1.5. 6 pH

Los microorganismos son muy sensibles a las variaciones de pH, su actividad depende de dichas variaciones por lo que es muy importante llevar el control de las mismas durante el proceso de digestión aerobia.

Dependiendo de la capacidad amortiguadora del sistema, a tiempos de retención hidráulicos largos el pH puede llegar a tener valores tan bajos como puede ser 5.5, ocasionado esto por el aumento de iones nitrato en solución y a la disminu­ción de la capacidad amortiguadora debida al consumo de aire.

Es conveniente, por tanto, checar periódicamente el pH del sistema y ajustarlo si se encuentra que es excesivamente bajo. El ajuste se podrá realizar mediante la adición de al- gdn álcali como puede ser la cal.

Coefi

ciente

de

veloc

idad

de de

struc

cio'n

de só

lidos

,Kj

(días

')

54

F I G U R A 3 . 5 E f e c t o d e la t e m p e r a t u r a d e d ig e s t ió n e n e l c o e f i c i e n t e d e v e l o c i d a d d e d e s t r u c c ió n d elo s s ó l id o s ( 7 ) .

55

4.1 CONSTRUCCION DEL EQUIPO EXPERIí'ENTAL

Se montaron cinco reactores, cuatro para funcionar como s e m i-continuos y uno por lotes. Gomo reactores se utilizaron peceras de forma esférica de 5 litros de capacidad. La forma esférica del reactor fué por tres motivos: primero, mantener una masa homogénea; segundo, evitar la producción excesiva de espuma, y finalmente, para suprimir la formación de puntos muertos durante la agitación, es decir, lugares donde los lo­dos permanecieran estancos ocasionando con ello que disminuya ra la eficiencia del proceso.

Los reactores se mantuvieron dentro de un "baño de ajus cuya temperatura se mantuvo a 2ÉP<Í mediante un dispositivo electrónico automático, con ello, se obtuvo una temperatura de 23°C en los lodos.

El nivel de los lodos dentro de los reactores quedó lige ramente abajo del nivel del agua, el cual se tuvo cuidado de mantenerlo constante reponiendo periódicamente el agua perdi­da por evaporación.

La agitación se efectuó por medio de agitadores de pale­tas construidas de acero inoxidable para evitar la corrosión. Los agitadores eran accionados por motores eléctricos, cuya velocidad fué controlada utilizando variadores de voltaje. Se utilizaron agitadores de paletas en lugar de agitadores magné­ticos debido a que los primeros proporcionan una agitación más homogénea y eficiente.

El suministro de aire se proporcionó de dos formes:

4.- DESARROLLO EXPERIMENTAL

a) For meció de uno compresora.

56

El objeto de emplear dos medios de suministro de aire fué con el fin de evitar que en cualquier momento quedaran los reactores sin aireación por fallas en la compresora o fa­llas de energía eléctrica.

El aire llegó a los reactores a través de mangueras de plástico a las que se les colocó en la punta piedras porosas que actuaron como difusores, de esta manera se aumentó el con tacto entre los microorganismos y la materie por estabilizar, lográndose así una digestión más eficiente y rápida. La figu­ra 4 . 1 muestra un dibujo esquemático del montaje del equipo experimental usado.

b) Utilizando b o mbas eléctricas de pecera.

LINEA DE AIRE

FIGURA 4.1 Dibujo esquemático del equipo experimental.

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALE . S. I. Q . I. E .

TES IS PROFESIONALEQUIPO EXPERIMENTAL PARA

DIGESTION AEROBIA

58

4.2 MÜESTREO

Los lodos se obtuvieron de la planta de tratamiento de aguas residuales de Chapultepec, específicamente de la unidad II de la planta. Estos lodos una vez recogidos, se dejaron re_ posar 24 horas eliminándose después el sobrenadante. A conti­nuación se realizó un análisis fisicoquímico de los lodos, pa ra posteriormente utilizar dichos lodos como afluente del sis tema experimental.

Se efectuó un sólo muestreo, recogiéndose suficiente lo­do para toda la fase experimental y el lodo que no se empleó se mantuvo bajo refrigeración para reducir su descomposición al mínimo.

El objeto de muestrear una sola vez fué el de evitar que por problemas de operación en la planta de tratamiento no se pudiera conseguir lodo y se perdiera continuidad en la experi_ mentación, cosa que sucedió en varios intentos fallidos ini­ciales. También se pretendió con esta acción que las caracte­rísticas de los lodos se mantuvieran constantes dentro de un rango aceptable.

4.3 OPERACION

Durante la puesta en marcha del equipo experimental, se observó que los lodos generaban mal olor por estarse descompo niendo en forma anaerobia, lo cual era indicación de que el suministro de aire era insuficiente para mantener una airea­ción adecuada en los cinco reactores a la vez, esto, aunado a un número restringido de variadores de voltaje, debido a la limitación de recursos, hicieron necesario que la experimenta ción se dividiera en dos etapas, operándose dos reactores se- mi-contínuos y el por lotes en cada una de ellas. En la prime re etapa se ensayaron los tiempos de retención de 5 y 15 días

59

Cada reactor se alimentó inicialmente con 2.5 litros de lodo. Una vez que se puso en funcionamiento a los reactores, se les permitió a los lodos un período de adaptación a las nuevas condiciones ambientales antes de iniciar la experimen­tación propiamente dicha. Este período de adaptación varió de 6 a 15 días, vigilándose su progreso mediante observaciones microscópicas. Los períodos de adaptación para cada tiempo de retención ensayado fueron los siguientes:

Tiempo de retención Período de adaptación2 días 6 días5 días 15 días

10 días 10 días15 días 15 días

4.4 ALIMENTACION

A excepción del reactor por lotes (batch), cada día se retiró un voliimen determinado de lodo de cada reactor y se agregaba un volumen igual de lodo fresco. Durante el período de adaptación los volúmenes retirados se desecharon; después de este período, empezó el estudio y a partir de entonces a los volúmenes que se retiraban se les realizaron los análisis fisicoquímicos. El volumen de lodo retirado era diferente pa­ra cada reactor, y estaba determinado por el tiempo de reten­ción de cada uno de los reactores:

y en la segunda etapa los de 2 y 10 días.

Tiempo de retención 2 días 5 días

10 días 15 días

Volumen 1.25 10.50 1 0.25 10.166 1

60

Así mismo, antes de alimentar los reactores cada día, se les limpió interiormente para que no hubiera pérdidas de lodo ocasionadas por adherencias en las paredes del reactor, man­gueras de aire y agitador, y también se mantuvo el volumen de los lodos constantes compensando con agua destilada el agua que se pudiera haber perdido por evaporación.

Se mantuvo controlado el pH dentro de los reactores de manera que este se mantuviera entre 6.5 y 7.5, lo que según la literatura es el intervalo óptimo para la mejor actividad de los microorganismos. El pH se midió antes y después de ali mentar, y en el caso de que fuese demasiado bajo se les agre­gó a los reactores bicarbonato de sodio. La cantidad varió pa ra cada reactor y cada situación según fuera el caso. De esta forma se mantuvo el pH dentro de los límites establecidos.

Diariamente también se realizaron observaciones microsc<5 picas para comprobar el desarrollo del proceso. Esto se efec­tuó tanto en la etapa de adaptación como durante la experimen tación.

Al finalizar la primera etapa y estar por ensayarse los siguientes tiempos de retención (2 y 10 días) se observaron anomalías en los reactores, la actividad microbiana comenzó a disminuir notablemente. I'ás tarde se descubrió que un:? fuga de amoníaco dentro del laboratorio habla sido la causa de di­cho problema y como se supuso que el tiempo de recuperación de los lodos sería demasiado prolongado, se optó por rcini- ciar con nuevos lodos la segunda etapa. Cabe hacer mención que debido a la dificultad que representaba volver a iniciar el reactor por lotes (batch) se decidió dejarlo recuperarse, lo que finalmente se comprobó medirnte observación microscópi ca.

Por lo anterior, fué necesario realizar la experimenta­

61

ción de la segunda etapa desde el principio, esto es, se vol­vió a muestrear lodo de la planta de tratamiento procediendo- se igual que en la primera etapa, concentrándose los lodos de manera que la concentración de sólidos fuera similar a la de los lodos de la primera etapa.

La operación y la alimentación en esta etapa se desarro­llaron de manera similar a la de la primera etapa.

4.5 ANALISIS

Una vez que se completó el periodo de adaptación de los lodos a las condiciones de operación, se procedió a realizar los análisis fisicoquímicos requeridos a los lodos de cada reactor.

Dichos análisis se efectuaron cada tercer día, excepto para el reactor por lotes, hasta completar cuatro series de análisis. En el caso del reactor con el tiempo de retención de 10 días se efectuó un quinto análisis fisicoqulmico debido a problemas observados durante la experimentación. El reactor por lotes sólo se analizó una vez al final de la fase experi­mental.

Cada serie de análisis comprendió las siguientes deterná naciones:

Sólidos en sus nueve formas.pHAlcalinidadDemanda química de oxígeno, tanto soluble como total.

Se utilizó la demanda química de oxígeno (DQO) en susti­tución de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), principal­mente por no disponer del suficiente equipo y material para

62

determinar dicha prueba. No obstante, la DQO también se le considera representativa del contenido orgánico del agua resi_ dual (9 , 1 0 ).

El análisis de los lodos exigió extremo cuidado en su realización, principalmente al homogeneizar las muestras toma das, ya que su alta concentración de sólidos fácilmente puede ocasionar grandes variaciones en los resultados obtenidos. Pa ra compensar en cierta medida lo anterior, siempre que fué po sible las determinaciones se hicieron por duplicado.

Todas las determinaciones se realizaron de acuerdo a los métodos estándar de análisis de aguas y aguas de desecho (6 ).

63

En las tablas 5.1 y 5.2 están los resultados de la prue­ba de sólidos para los afluentes 1 y 2 utilizados en la parte experimental. Los resultados de las pruebas de sólidos efec­tuadas a lo largo de la experimentación a los reactores con tiempos de retención 2 , 5 , 10 y 15 días, se muestran en las tablas 5 .3 , 5 .4 , 5 .5 y 5 . 6 respectivamente; finalmente, en la tabla 5 . 7 se encuentran los resultados obtenidos en la prueba de sólidos para el sistema por lotes (batch).

Con respecto a las pruebas de demanda química de oxígeno total y soluble realizadas, estas se encuentran resumidas en la tabla 5 . 8 tanto para los afluentes como para los reactoresy el sistema por lotes; por último, en la tabla 5 . 9 se resu­men los resultados de las pruebas de alcalinidad y pH para los reactores, los afluentes y el reactor por lotes.

Las unidades en que se reportan los resultados de las pruebas son las siguientes:

Sólidos en sus nueve formas: mg/1.Demanda química de oxígeno total: mg/1.Demanda química de oxígeno soluble: mg/1.Alcalinidad: mg de CaCO-j/l.pH: sin unidades.

5.- RESULTADOS OBTENIDOS

64

5.1 SIMBOLOGIA

STT Sólidos totales totales.STV Sólidos totales volátiles.STF Sólidos totales fijos.SST Sólidos suspendidos totales.SSV Sólidos suspendidos volátiles.SSF Sólidos suspendidos fijos.SDT Sólidos disueltos totales.SDV Sólidos disueltos volátiles.SDP Sólidos disueltos fijos.pH pHALC Alcalinidad total.d q o t Demanda química de oxígeno total.DQOg Demanda química de oxígeno soluble.

Tiempo de retención.D Determinación.ir-i Muestra número 1 .M-2 Muestra número 2.M Muestra.A Análisis.

65

tr M-DETERMINACION DE SOLIDOS (mg/1)

(días) S T T STV STF SST SSV SSF SDT SDV SDF0 1 18950 12 145 6805 18023 1 1627 6396 927 518 409

AFLUENTE 1 2 18 845 12020 6825 17955 11520 6435 890 500 390TABLA 5.1 Resultados de la prueba de sólidos para el Influente I.

tr MDETERMINACION DE SOLIDOS (mfl/l)

(días) S T T STV ST F SST SSV SSF SDT SDV SDF0 1 18 455 12 560 5895 17490 12 125 5365 965 435 530

AFLUENTE 2 2 17920 12280 5640 16960 1 1 870 5090 960 410 550TABLA 5.2 Resultados de la prueba de sólidos para el Influente 2.

tr MDETERMINACION DE SOLIDOS (mg/1)

(dfas) A S T T STV STF SST SSV SSF SDT SDV SDF

i1 16985 II !75 5810 14285 8950 5335 2700 2225 4752 16575 10920 5655 13670 8745 4925 2905 2175 730

o 1 17165 11480 5685 14935 9640 5295 2230 1840 390

22 17085 11450 5635 14872 9704 5168 2213 1746 467

3 1 16190 10755 5435 13535 8760 4 7 7 5 2655 1995 6602 16445 10935 5510 13910 9020 4890 2535 1 915 620

4 1 17575 II 855 5720 14585 9595 4990 2990 2260 7302 16950 I I 215 5735 14830 9560 5270 2120 1 655 465

TABLA 5.3 Resultados de la prueba de sólidos para el reactor con tiempo de rstención de 2 días

tr A MDETERMINACION DE SOLIDOS (mg/1)

(días) A r s t T STV STF SST SSV SSF SDT SDV SDF1 i 16205 8930 7275 15325 8585 6740 880 34 5 5351 2 15820 8600 7220 - - — - — —

21 16765 9450 7315 1 5615 9005 6610 1 150 445 705

ñ2 16370 9230 7140 — - — — — —1 16535 8980 7555 13884 8472 5412 2651 508 2143

ó 2 15560 8850 6710 - - — — — —Si 1 14955 8475 6480 13895 7880 6015 1060 595 465

2 - - — — - — - - —TABLA 5.4 Resultados de la prueba de sólidos para el reactor

con tiempo de retención de 5 días.

66

A MDETERMINACION DE SOLIDOS (mg/1)

(días) A S T T S T V S T F S S T S S V S S F S D T S D V S D F1 i 14790 9140 5650 13610 8470 5140 1 180 670 5101 2 15007 9267 5740 1 3567 8087 5480 1440 1 1 80 260

21 15430 7915 7515 1 3860 7240 6620 1 570 675 8952 14860 8925 5935 13275 8255 5020 1 585 670 915

1 0 31 15165 9025 6140 13355 8365 4990 1810 660 1 1 502 14960 8925 6035 1 3130 8170 4960 1830 755 1075

4 1 1 5510 9680 5830 13795 8850 4945 1715 830 8852 14540 8705 5835 12946 8040 4906 1594 665 929

c 1 14905 9085 5820 12805 8090 4715 2100 995 1 1051) 2 14905 9005 5900 12834 8243 4591 2071 762 1309TABLA 5.5 Resultados de la prueba de sólidos para »l reactor

con tiempo de retención de 10 d ías .

tr A MDETERMINACION DE SOLIDOS (mg/1)

(días) A S T T S T V S T F S S T S S V S S F S D T S D V S D F'i i 1 5930 8610 7 320 13520 8120 5400 2410 490 1 9201 2 1 5910 8570 7340 — - — — — —

21 16505 8905 7600 13750 8415 5335 2755 490 2265

1 52 16355 8788 7567 - - - - - —

31 16350 — - 15382 - - 968 500 4682 16470 7675 8795 - - - - - —

4 I 14595 7805 679Q 12100 7310 4790 2495 495 20002 14250 7645 6605 - - - — — —

TABLA 5.6 Resultados de la prueba de sólidos para el ■ actor con tiempo de retención de 15 días.

«F IN A L DETERMINACION DE SOLIDOS (mg/1)POR S T T S T V S T F S S T S S V S S F S D T S D V S D FLO T ES 14610 7010 7600 10455 6260 4195 4155 3405 750

TABLA 5.7 Resultados de la prueba de sólidos para el reactor batch.

•El tiempo de permanencia de los lodos fué de 62 días

tr DANALIS IS 1 ANALIS IS 2 ANALIS IS 3 ANALIS IS 4 ANALIS IS 5

(día») M- l M -2 M- 1 M-2 M- 1 M - 2 M - 1 M -2 M- 1 M-20 D Q G t 19 360 18920 - - - - - - - -

AFLU ENT E 1 DQOs 1496 1 232 - . - — - - - — -0 DQO t 23716 19080 - - - - - - - -

AFLU ENT E 2 DQOs 1 423 1 337 — _ — — ~ — — —

2DQO t 19008 19656 19046 19642 18848 18650 19046 19443 ~ -DQOs 1 685 1858 1 786 1 587 1 805 1754 2004 2063 — —DQO t 10525 - 14797 - 14906 - 14851 - - —

0 DQO s 219 — 359 — 526 - 393 — — -

1 0DQ O t 12989 13776 30701 31488 38179 31094 14859 14859 13654 14859DQO s 315 276 2047 2125 2047 2991 442 562 1284 802

1 R DQO t 13157 - 12555 - 1 2714 - 10920 - - -1 O DQO s 307 - 359 — 395 — 349 — — —

F I N A L * DQO t 10714 - - — - - - - - —POR LOTES D Q O s 278 — — — — — — — — —

TABLA 5.8 Resultados de las pruebas de DQOtota l y DQO soluble, expresados An mg/1.

*E i tiempo de permanencia de los lodos fué de 62 días.

tr( d ía s ) D ANALISIS

1ANALISIS

2ANALISIS

3 ANALISIS4 ANALISIS5

0 A LC . 6 8 7 .5 - — — —AFLUENTE 1 PH 7.10 - — — —

0 A LC . 800.0 837.5 - - _AFLUENTE 2 pH 6.69 6.72 - — —CVJ A LC . 912.5 937.5 9 00 .0 9 0 0 .0 —

pH 7.81 7.78 7.80 7.68 —LO A L C . 500.0 4 8 7 5 4 87 .5 600.0 —pH 7.01 7.75 7.01 7.47 —

1 0 A L C . 375.0 28 7.0 212.5 312.5 537.5pH 6.95 6.27 6.00 6.55 7.40

1 5A L C . 312.5 287.5 362.5 487 .5 —

PH 6.75 6.57 6.81 7.36 -FINAL * A L C . 287.5 - - - —

POR LOTES pH 6.68 — - — -

T A B L A 5 . 9 R e s u l t a d o s d e l a s p r u e b a s d e a l c a l i n i d a d

( m g C a C 0 3 / l ) y p H .

« E l t ie m p o d e p e rm a n e n c ia d e lo s lo d o s f u é d e 6 2 d ía s .

69

Todos los datos experimentales que se alejaban demasiado del conjunto total de datos experimentales obtenidos, se eli­minaron. Posteriormente, los datos restantes se promediaron para resumirse finalmente de la siguiente manera:

En la tabla 6.1 se muestran los valores promedio de los análisis fisicoquímicos del sistema por lotes y de los afluen tes 1 y 2 .

En la tabla 6.2 se listan los valores promedio resultan­tes de los análisis fisicoquímicos efectuados en los reacto­res con tiempos de retención de 2 , 5 , 10 y 15 días.

6.- ANALISIS DE DATOS

7 0

DETERMINACION AFLUENTE!

AFLUENTE2

PORLOTES

S T T (mg/1) 18 898 18 188 14610S T V (mg/1) 12 083 12 420 7 0 10S T F (mg/1) 6815 5 768 7 600SS T (mg/ 1) 17 989 17 225 10 45 5S S V (mg / 1) i i 574 1 1 998 6 260S S F (mg/1) 6 416 5 228 4 1 95SOT (mg/1) 909 963 4 155SDV (mg/1) 509 42 3 3 405SDF (mg/1) 400 540 750PH 7.10 6.7 1 6.68ALC. (mg CaC03 /I) 687.5 8 18.8 687.5D Q O i i n i g / l ) 19 140 21 398 10 71 40G0s(m9/ ■) 1 364 I 380 278

TABLA 6.1 Valorea promedio de los análisis realizados al reactor por lotes y a los efluentes I y 2.

DETERMINACION TIEMPO DE RETENCION2 DIAS 5 DIAS 10 DIAS 15 DIAS

S T T (mg/1) 16871 16030 15007 15796S T V (mg/1) 11223 8931 9084 8285S T F (mg/ l) 5648 7099 5876 7204S S T im f l/ l) 14328 14680 13318 13123SSV ( m í/ l ) 9247 8486 8286 7948S S F (mg/1) 5081 6194 4972 5175SDT (mg/1) 2544 1030 1746 2553SDV (mg /l) 1 976 473 742 494SDF (mg/1) 567 568 1033 2062PH 7.77 7.19 6.63 6.87ALC.(mgCaC03/D 912.5 518.8 344.9 362.5DQOt( mg/1) 19167 14851 14166 12337D QO s íw g/ l) 1851 426 399 353

TABLA 6.2 Valores promedio de los análisis real izados en los reactores con tiempos de retención de 2 , 5 , 10 y 15 días.

71

6.1 COMPORTAMIENTO DEL PROCESO

Una forma de apreciar el comportamiento del proceso aero bio de los lodos estudiados en este trabajo, consiste en ana­lizar la variación de ciertos parámetros a lo largo del proc£ so, para lograr esto, se seleccionaron los siguientes paráme­tros: SST, STV, SST, SSV y DQOj. El motivo por el cual fueron seleccionados obedece a que ellos son considerados como los más representativos del contenido orgánico de los lodos.

La observación de esta variación se llevó a cabo grafi- cando el porciento de reducción de cada uno de los parámetros contra tiempo de retención, dando como resultado las gráficas6 . 1 a 6.5.

En las cuatro primeras gráficas (6.1 a 6.4) se muestra el porciento de reducción de sólidos, esto es de STT, STV,SST y S S V , a los diferentes tiempos de retención ensayados. Para el caso de la gráfica 6.5, en ella se ilustra el porcien to de reducción de la DQ01? a diferentes tiempos de retención.

Los valores que se requirieron para la construción de las cinco gráficas ilustrativas del comportamiento del proce­so, se resumen en la tabla 6.3 .

tr STT STV SST SSV d q o t(días) m W Í p ) ü ) W

2 9 2 .8 90.4 83.2 11.-i 8 9 .65 84.2 73.9 8 1 .6 73.1 77.6

10 82.5 73.1 77.3 69.1 66 .215 8 3 .6 6 8 .6 73.0 68.7 64.5

Tabla 6.3 Porcientos de reducción

V a r i a c ió n d e S T T d u r a n t e e l p r o c e s o

100

(%) 90

8 0

70

60

50 %0 2 5 10 15 (día*)

G R A F I C A 6 .1 P o r c i e n t o d e S T T c o n t r a t i e m p o d e r e t e n c ió n .

V a r ia c ió n d e S T V d u r a n t e e l p r o c e s o

' s N

( % ) 90

80

70

60

2 5 10 15 (días)

G R A F I C A 6 . 2 P o r c i e n t o d e S T V c o n t r a t i e m p o d e r e t e n c ió n .

OI

V a r ia c ió n d e S S T d u r a n t e e l p r o c e s o

N

( % ) 90

80

70

S

-----------------

60

502 5 10 15 (dios)

G R A F I C A 6 . 3 P o r c i e n t o d e S S T c o n t r a t i e m p o d e r e t e n c i ó n .

■>1

V a r ia c ió n d e S S V d u r a n t e e l p r o c e s o

\ \

( % ) 90 \

80 •\

V-____" — ~ -•— ■____

70 ~ ~ ~ ---- — — —--- — — —------------

60

50C 2 5 10 15 (día»)

G R A F i C A 6 . 4 P o r c i e n t o d e S S V c o n t r a t ie m p o d e r e t e n c i ó n .

V a r i a c ió n d e D Q O T d u r a n t e e l p r o c e s o

100

( % ) 90

80

70

60

500 2 5 10 ¡

G R A F I C A 6 .5 P o r c i e n t o d e D Q O t c o n t r a t i e m p o d e r e t e n c io 'n .

(días)

77

Mediante el análisis de dichas gráficas se puede apre­ciar que el proceso aerobio llevado a cabo experimentalmente, puede considerarse satisfactorio. En todas las gráficas se ob serva con claridad que el porcentaje de reducción de los sóli dos por un lado y de la EQO^ por el otro, es en un principio bastante pronunciado, suavizándose posteriormente a medida que los tiempos de retención son mayores. Esta tendencia se explica considerándola como la consecuencia lógica de la re­ducción de la actividad bacteriana ocasionada por la disminu­ción gradual del sustrato.

En la gráfica 6.1, donde se indica el porciento de dismi nución de los STT contra tiempo de retención, se observa un pequeño incremento en el punto final con relación a la tenden cia global de la curva, rompiendo dicha tendencia de disminu­ción, lo cual puede deberse a los errores inherentes al análi sis de los sólidos, ocasionados principalmente por las altas concentraciones que se manejan. En general, las tendencias un tanto quebradas en las gráficas de porciento de disminución de sólidos se deben a eso precisamente, aunque este hecho no repercute en forma grave en el análisis general.

Con respecto al análisis de la gráfica de DQO.p contra tiempo de retención se puede observar una curva con una ten­dencia claramente asintótica más uniforme, debido esto a que la determinación de la DQO^ ofrece mejor control y exactitud, produciendo por consiguiente resultados más limpios y confia­bles.

Cabe señalar que el desarrollo del proceso fué verifica­do cualitativamente por medio de observaciones microscópicas diarias. Por medio de ellas se comprobó que la población mi­crobiana se comportó do acuerdo con ls dinámica descrita an­teriormente (ver figura 2.4).

78

Las observaciones se concentraron en el comportamiento de los protozoarios, verificando el grado de actividad de es­tos microorganismos, indicación del desenvolvimiento nornal del proceso.

Se observaron también rotíferos, cuya presencia señalaba gran estabilidad en las condiciones del proceso, pues estos organismos son muy sensibles a los cambios de condiciones fí­sicas y químicas de su medio.

79

Para definir el valor de la constante de biodegradabili- dad de los lodos bajo estudio, K^, la cual es necesaria para el establecimiento de los criterios de diseño, se utilizará la ecuación 3.6, desarrollada por Adams para describir su mo­delo cinético.

Cabe hacer mención que en este trabajo se consideró con­veniente utilizar además de los SSV sugeridos por Adams otros parámetros, que aplicados a la ecuación logren establecer va­rias constantes para que por medio de un análisis de las mis­mas se pueda seleccionar la constante que sea más representa­tiva del comportamiento de los lodos.

Los parámetros seleccionados para aplicarse a la ecua­ción serán por consiguiente: sólidos totales volátiles (STV), sólidos suspendidos totales (SST), sólidos suspendidos voláti_ les (SSV) y demanda química de oxígeno total (DQOrf!); que ya se mencionó anteriormente, son representativos del contenido orgánico de los lodos.

La determinación de la porción no degradable, Xn, para cada caso, se logró a partir del porciento no degradable de los lodos. Este porcentaje se calculó mediante la utilización de los datos obtenidos del afluente 1 y los datos finales del sistema por lotes para cada parámetro en cuestión. Estos valo_ res se resumen a continuación, siendo X la concentración del parámetro en el afluente 1 , y X^ la concentración final del parámetro en el sistema p.or lotes (batch).

6.2 CALCULO DE Kb

80

PARAMETRO X1 *B PORCIENTO PORCIENTOUTILIZADO (mg/1) (mg/1) DEGRADABLE NO DEGRADABLE

STV 12083 7010 42.0 58.0SST 17083 10455 41.9 58.1SSV 11574 6260 45.9 54.1d q o t 19140 10714 44.0 56.0

Tabla 6.4 Datos para calcular *n

Obtenidos los porcentajes, Xn se podrá calcular fácilmente multiplicando el valor de la concentración de cada parámetro en al afluente fXQ) por el porciento no degradable. Obsérvese que X,, XQ y XB , XQ para los tiempos de retención de 5 y 15 días son idénticos, esto es debido a que el afluente usado en el reactor por lotes fué el mismo que para dichos tiempos de retención.

Los valores X„, Xg, XQ y tp obtenidos durante el desarro lio experimental y que serán aplicados a la ecuación 3 . 6 se listan por separado con respecto a cada parámetro analizado, así, para los STV se tiene la tabla 6.5 y las tablas 6.6, 6.7 y 6.8 para los parámetros SST, SSV y DQOm, respectivamente.

x0 Ze xn(días) (mg/1) (mg/1) (mg/1)

2 12420 11223 72045 12083 8931 7010

10 12420 9084 720415 12083 8285 7010

Tabla 6.5 Valores del parámetro STV

81

(días) (mg/1) (mg/1) (mg/1)2 17225 14328 100085 17989 14680 10455

10 17225 13318 1000815 17989 13123 10455

Tabla 6.6 Valores del parámetro SST

(días) (mg/1) (mg/1) (mg/1)2 11998 9247 64915 11574 8486 6260

10 11998 8286 649115 11574 7948 6260

Tabla 6.7 Valores del parámetro SSV

(días) (mg/1) (mg/1) (mg/1)2 21398 19167 119835 19140 14851 11714

10 21398 14166 1198315 19140 12337 10714

Tabla 6.8 Valores del parámetro DQO^

Como se anotó con anterioridad, el cálculo de Ev se lleva a cabo graficando el valor resultante de la operación (XQ- X0)/ (Xe- Xn ) contra tiempo de retención, en donde X es cualquier parámetro tratado. Dichos valores se anotan en la tabla 6.9.

82

tr (X -XQ ' o e)/(XQ-Xn)

(días) STV SST SSV d q o t2 0.298 0.671 0.998 0.3115 1.639 0.783 1.388 1.038

10 1.774 1.180 2.068 3.31315 2.974 1.822 2.151 4.202

Tabla 6.9 Valores para el cálculo de Kb

Asimismo, en las gráficas 6.6 a 6.9 se muestran las rectas ob tenidas utilizando el método de mínimos cuadrados para el ajuste de los puntos a una recta, en estas mismas gráficas se incluyen los puntos experimentales con el fin de observar sus tendencias con la recta ajustada. Sin embargo, una aprecia­ción visual puede acarrear, en ocasiones, conclusiones erró­neas. Para lograr una mayor apreciación de las tendencias existe el coeficiente de correlación que en forma estadística nos da el grado de desviación de los puntos experimentales con su recta ajustada, la tabla 6,10 muestra estos datos esta dísticos para cada parámetro así como su pendiente y su orde­nada al origen, este último valor es otra forma de mostrar un cierto error ya que no tiene explicación física.

PARAMETRO ORDENADA AL PENDIENTE CORRELACIONUTILIZADO ORIGEN W f

STV 0.120 0.190 96.1SST 0.210 0.106 96.7SSV 0.480 0.131 91.1DQOt -0.168 0.303 98.7

Tabla 6,10 Resultados del ajuste por mínimos cuadrados.

D e te rm in a c ió n de «b u t il iz a n d o S T V c o m o p a rám e tro

G R A F ICA 6 .6 A ju s te d e lo s v a lo re s e x p e r im e n ta le s de S T V pore l m é to d o d e m ín im o s c u a d r a d o s .

D e te rm ina c ió n de u t il iz a n d o S S T com o p a rám e tro

X o - X eX e - X n

G RA F ICA 6.7 A ju s te d e lo s v a lo re s e x p e r im e n ta le s de S S T pore l m é to d o d e m ín im o s c u a d ra d o s .

a>45.

D e te rm ina c ió n d e Kb u t il iz a n d o S S V c om o p a rám e tro

G RA F ICA 6 .8 A ju s te de lo s v a lo r e s e x p e r im e n ta le s d e S S V p o re l m é to d o de m ín im o s c u a d ra d o s .

09o í

tr (día»)

Determ inac ión de K& u t il iz a n d o D Q O T com o parámetro

X o - X eX e~ X n

03O)

15 tr (días)

G R A F I C A 6 . 9 A ju s t e d e l o s v a lo r e s e x p e r im e n t a l e s d e D Q O T p o r

e l m e 'to d o d e m ín im o s c u a d r a d o s .

87

Analizando las gráficas de las rectas ajustadas y sus re sultados estadísticos (tabla 6.10), se observa que todas las rectas exhiben un coeficiente de correlación aceptable, todos son muy próximos a 1, siendo esto valor la correlación ideal.

Las ordenadas al origen se pueden considerar bastante próximas al punto cero, a excepción de la ordenada de la rec­ta generada por los valores de los SSV, la cusí muestra un alejamiento considerable. Gomo se comentó, la ordenada al ori_ gen es una forma de indicamos la tendencia que presentan los valores experimentales, su interpretación debe ser matemática y no física, ya que, de ser así, ese valor nos estaría indi­cando que al tiempo de retención cero existe remoción de mate ria orgánica, lo cual no puede ser.

En el análisis de la gráfica 6.6 correspondiente a los puntos obtenidos para los STV, se puede observar que sus pun­tos experimentales se encuentran bastante próximos a su línea ajustada, a excepción del punto encontrado para el tiempo de retención de 5 días. No obstante, el valor de la ordenada al origen de la recta está próximo al punto cero y su coeficien­te de correlación es también bueno, por lo que el valor de Kb puede ser una buena opción a utilizarse.

Pasando ahore a la gráfica 6.7 donde se presenta la rec­ta ajustada de los puntos obtenidos para los SST, su análisis revela un mejor ajuste de los puntos experimentales a la rec­ta, casi todos están sobre dicha recta, aunque, como en el ca_ so de los STV, aquí existe un punto que también rompe la ten­dencia de la mayoría, éste corresponde al tiempo de retención de 2 días; sin embargo, su alejamiento es mucho menor que en el de la gráfica 6.6. Aquí también el valor de la ordenada al origen puede considerarse satisfactorio y el coeficiente de correlación también es bastante cercano a 1, por lo que el va lor de la constante F,, para este caso puede considerarse coito

una buena alternativa a seleccionar.

En la gráfica 6.8 se muestra la recta obtenida a partir de los valores experimentales de los SSV, como se puede ver, todos los puntos se encuentran aproximadamente a la misma di£ tancia de la recta; no obstante, el valor de la ordenada al origen en este caso resulta sumamente alejado del punto cero. En el caso de que se decidiera utilizar el valor de la ge­nerado en este caso, el valor tan elevado de la ordenada al origen introduciría un porcentaje de error considerable que alteraría seriamente los resultados posteriores. También hay que hacer notar que el coeficiente de correlación es el más bajo de las rectas analizadas, de lo anterior ss concluye que esta recta y su K1n no pueden considerarse adecuadas para los fines requeridos.

Finalmente, para la gráfica 6.9 en donde se encuentran representados los puntos obtenidos de los valores experimenta les de la DQO^, así como la recta ajustada a partir de dichos puntos, se observa que están repartidos a lo largo de la rec­ta en una forma homogénea y aceptable. En esta gráfica, dos puntos se encuentran más alejados que el resto, pero esta oes viación no altera grandemente su homogeneidad que en este ca­so es bastante clara y uniforme. Por otro ledo, la ordenada si origen, se encuentra cercana al punto cero y no introduce -r°n prror. Considerando ahora el coeficiente de correlación, se puede ver que en este caso es sumamente cercano al valor ideal de 1, y también es el mayor con respecto a los otros pa rámetros, por lo que se concluye que el utilizar la constante

generada a partir de este parámetro ofrece mínimos erró- res.

Después de este análisis se puede concluir que los pará­metros que muestran un mejor ajuste de sus plintos a las rec­tas generadas, para los fines buscados, son los SST y la DQO^

89

(ver gráficas 6.7 y 6.9). De estos dos parámetros, los puntos que muestran una mayor uniformidad con la recta ajustada son los de la DQO, como se puede ver en su gráfica y por su coe­ficiente de correlación tan cercano a 1 (0.987). De ahí que se seleccionó este parámetro para utilizar la generada por él para la determinación de los criterios de diseño. Por lo que el valor de la seleccionado es:

= 0.303 día-1

Además del análisis de las gráficas, la elección de este parámetro como el adecuado estuvo fundamentado por varias otras razones, a saber: la determinación, por su naturaleza, presenta gran exactitud; la medida, aunque expresada en mili­gramos de oxígeno por litro, es una forma equivalente de eva­luar el contenido orgánico de los lodos y por último, la rapi dez de su realización.

Otro aspecto importante de esta determinación es que, si se conoce su fracción no biodegradable, la parte restante es prácticamente igual a la DBO última. Este último argumento fué considerado en la obtención de la ya que, en la ecua­ción empleada para determinar dicha constante, se tomó en cuenta, a manera de corrección, ls fracción no biodegradable de los lodos, misma que fué determinada experimentalmente pa­ra esto caso particular. Lográndose de esta manera, que los resultados obtenidos fueran representativos únicamente del me terial orgánico biodegradable.

90

El tiempo de retención óptimo del proceso para estabili­zar la porción degradable, se puede determinar mediante el em pleo de la relación siguiente:

N K ^ t + 1 tvp i b rEx = 1

6.3 TIEMPO DE RETENCION

V r + 1

generada a partir de la ecuación 3.6; donde Ef es la eficien­cia y N es la fracción no degradada.

Con esta relación y el valor de la constante (0.303 día-1), determinada para el parámetro DQO^, se obtuvieron los valores que se muestran en la tabla 6.11:

Tiempo de retención Porciento de(días) eficiencia

0 0 2 16.65 26.4

10 33.015 36.020 37.7

labia 6.11 Valores para deter^xiiar el tiempo de retención óptimo.

Los valores de la tabla 6.11 se graficaron de la forma si­guiente: porciento de eficiencia contra tiempo de retención, obteniéndose la gráfica 6.10, donde se puede ver el avance de la estabilización del material orgánico biodegradable a tra­vés de los diferentes tiempos de retención. Para comprender esta gráfica es necesario recordar que para este caso uarticu lar la porción biodegradada es del 44.0$.

D e te rm in a c ió n d e l t iem po d e re te n c ió n ó p t im o

G R A F I C A 6 .1 0 P o r c i e n t o d e e f i c i e n c i a d e e s t a b i l i z a c i o 'n c o n t r a t ie m p o d e r e t e n c io 'n .

92

Si se considera únicamente la p o r ción degradada:

Tiempo de retención (días)

O25

TO1520

Porciento de eficiencia

037.7 60.2 75.2 82.085.8

Tabla 6.12 Valores de eficiencia consi­derando únicamente la porción degradada.

Si los valores de la tabla anterior se grafican como porcien­to de eficiencia contra tiempo de retención se obtendrá la gráfica 6.11, en la cual se puede tener un mejor punto de vi£ ta con respecto a la degradación del material orgánico. El análisis de esta gráfica indica que a los tiempos de reten­ción de 15 y 20 días, ya se puede lograr una eficiencia de re_ moción del material orgánico biodegradable del 82 al 85.8$, lo que se puede considerar como satisfactorio. Como se obser­va, el incremento en eficiencia de remoción entre dichos tiem pos de retención no es muy significativo, por lo que no com­pensa dicho incremento prolongar el proceso hasta 20 días.

Por lo anteriormente expuesto, y considerando además que la literatura reporta haberse logrado buenos resultados prác­ticos en la estabilización de lodos activados de desecho, uti lizando tiempos de retención de 10 y 15 días para la diges­tión aerobia (12), se utilizará un tier-po de retención de 15 días, tiempo en el cual se puede confiar en que una gran par­te del material biodegradable (82$) contenido en los lodos se estabilizará.

100

90

80

70

60

50

4 0

30

20

10

0

D e te rm in a c ió n d e i t iem p o d e re te n c ió n ó p t im o

3 R A F IC A 6 . 1 1 P o r c ie n t o d e e f i c i e n c ia d e e s t a b i l i z a c i ó n c o n t r a t ie m p o d e r e t e n c ió n c o n s id e r a n d o ú n ic a m e n t e Iq , p o r c ió n b i o d e g r a d a b le .

94

En el análisis de datos se definieron los siguientes cri terios de diseño:

7.- CRITERIOS DE DISECO

A partir de ellos se procederá a determinar las dimensio nes del digestor, sus requerimientos de oxígeno y sus requerí mientos de mezclado.

7.1 DIMENSIONASVTIENTO DEI DIGESTOR

7.1.1 VOLUMEN DEL DIGESTOR

Las políticas de operación de la planta de tratamiento de Chapultepec con relación a los lodos de desecho son (10):

Gasto de purga de lodos: 3.84 a'/dia Concentración de SSV en la purga: 2800 mg/1

Para este trabajo, la concentración promedio de SSV que se obtuvo para el afluente del digestor fué de 11 786 mg/1, por lo que el gasto de entrada al digestor, Q^, será:

Constante de biodegradabilidad Tiempo de retención Porciento de material biodegradado Temperatura de operación

Gasto de pur.qa (S S V de la pur^a) SSV promedio del afluente

3.84 m^/día(2800 mg/1) 11 786 mg/1

= 0.91 m^/día

95

Con este valor y el tiempo de retención, tp , se puede obtener el volumen del digestor, V:

V = V r

V =0.91 m3/día(15 días) = 13.65 m3

7.1.2 DIMENSIONES DEL DIGESTOR

Considerando que el digestor será un tanque circular y asumiendo para este caso que la altura, h, del mismo es de2.5 metros, el area será:

yArea =

Area = ■ A .6! ???. , = 5.4.6 m :‘2.5 m

Su diámetro, por consiguiente, se determinará de la siguiente manera:

D = /4(Area )Tí

D = I = 2 . 6 4 mV 3.1416

7.2 REQUERIMIENTOS DE OXIGENO

7.2.1 CALCULO DEL REQUERIMIENTO TOTAL DE OXIGENO

Para el cálculo del requerimiento total de oxígeno en el digestor, es importante considerar la fracción biodegradable de los lodos además del oxígeno que se consume por nitrifica- ción. La determinación de este requerimiento de oxígeno se

96

puede lograr utilizando el dato de la demanda química de oxi­geno promedio del afluente del digestor así como su fracción biodegradada, la cual fué calculada a partir del experimento por lotes, esto es:

DQOp = 20 269 mg/1

Fracción biodegradada de la DQO , = 0.44

De donde:

Considerando nitrificación y suponiendo una composición empí­rica para los lodos (C^H^NOg), el oxígeno necesario será:

por el material carbonáceo y el material nitrogenáceo.

El requerimiento total de oxígeno será finalmente:

'biodegradada = 0.44DQ0.P

D Q O b io ¿ a g ra d a d a = 0.44(20 269 mg/1)

■'biodegradada = 8918 mg/1 =8.92 kg/i

■^^biodegradada + DNO = 1.48(8.92 kg/m3) = 12.49 kg/m3

Donde:

D< °biodegradada + DNO, es la demanda de oxígeno ejercida

Req. total de 0 2 = 11.37 kg/dla (0.47 kg/h)

97

7.2.2 CALCULO DEL NUMERO DE DIFUSORES REQUERIDOS

Utilizando difusores que operan con 4 pie^/min-unidad (0.112 ¡n;/min-unidad), proporcionando una transferencia de oxígeno de 0.28 Ib/h-unidad (0.127 kg/h-unidad)(11), el núme­ro de difusores requeridos será:

Req. total de OgNúmero de difusores = ----- --- -— — — ■ ...

02 suministrado por unidad

Número de difusores = -----1 ------0.127 kg/h-unidad

Número de difusores = 3 . 7 unidades = 4 unidades

7.2.3 CALCULO DEL GASTO DE AIRE REQUERIDO PARA SUMINISTRAR OXIGENO

Este gasto, G, se obtiene multiplicando el número de di­fusores por el aire suministrado por cada unidad:

G = 4 unidades(0.112 n /min-unidad)G = 0.448 nr'/min (26.88 nr/h)

7.3 REQUERIMIENTOS DE MEZCLADO

7.3.1 CALCULO DEL REQUERIMIENTO LE FEZCLADO

Los requerimientos de mezclado se expresan en niveles de potencia, los cuales se determinan mediante el empleo de la ecuación 3.10:

Para este caso:

ju = 0.94 cp a 23°C (7)

98

X = SST del efluente esperado a tr = 15 días X = 10 811 mg/1

S - = 0.00475(0.94)°*3(10 811)0*298V

= 0.074 HP/lOOO galV

los niveles de potencia para concentraciones de sólidos meno­res de 20 000 mg/1 son de 70 a 100 HP/millón de galones (0.07 a 0.1 HP/1000 gal)(7). Como se puede observar, los requeri­mientos de potencia de este digestor se encuentran dentro del rango especificado.

7.3.2 CALCULO LEL GASTO LE AIRE NECESARIO PARA MEZCLADO

Este gasto, G^, se determina por medio de la ecuación3.U:

Para este caso:

P/V = 0.074 HP/lOOO gal h = 8 pies

Q-A_ = 40.62 pie^/min-1000 pie ' V

99

Para el volumen del digestor (V = 13.65 m 3 ):

= 40.62 pie’V min 13.-65__m3 (6o min/h)1000 pie

Ga = 33.27 m 3/h

Como se observa, el aire requerido para el mezclado es mayor que el que se requiere para suministrar oxigeno, por lo que se seleccionará el primero por satisfacer tanto los requeri­mientos de oxigeno como los de mezclado.

7.4 RECALCULO LEL NUMERO DE DIFUSORES

El seleccionar el requerimiento de aire para mezclado pa ra cubrir los requerimientos de oxígeno y de mezclado, hace necesario volver a calcular el mímero de difusores requeridos tomando como base de cálculo el gasto de aire para mezclado, esto es:

aire suministrado por unidad

Niim de difusores =0.112 m /¡iu.ii-uxijluííu(60 min/h)

Niim. de difusores = 4.95 unidades = 5 unidades

En la figura 7.1 se muestra el digestor en forma esquemá tica y la configuración sugerida de los difusores.

,20, 2 6 4 ,20, 20, 264 -45,

CORTE

F I G U R A 7 .1 D ib u jo e s q u e m á t i c o d e i d i g e s t o r .

PLANTA

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALE . S, I. Q. I. E,

TES IS PROFESIONALDIGESTOR

AEROBIOE S C A L A h 4 0 0ACOTACION em

100

101

8.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

8.1 CONCLUSIONES

1.- El proceso de digestión aerobia puede aplicarse con resultados bastante satisfactorios a los lodos acti­vados de desecho de la planta de tratamiento de aguas residuales de Chapultepec.

2.- La utilización del parámetro de la demanda química de oxígeno, como medio para determinar la constante de biodegradabilidad, K^, puede resultar efectiva, considerando su mayor exactitud y rapidez, que los parámetros usualmente empleados para determinar di­dicha constante.

3.- El porciento de material biodegradado fué determina­do en el caso particular de este estudio como 45.9$ de los SSV. Este resultado coincide con el porciento reportado en la literatura para el proceso de diges­tión aerobia (13).

4.- Es necesario considerar el problema de la nitrifica- ción para el diseño del digestor a escala real, ya que este fenómeno estuvo presente a lo largo del pro ceso de digestión aerobia, ocasionando una disminu­ción en la alcalinidad, y por consiguiente, en el pH de los lodos. Esto se compensó mediante la adición periódica de bicarbonato de sodio, evitándose de es­ta forma que tales disminuciones afectaran en forma negativa la eficiencia del proceso.

5.- En términos generales, el funcionamiento de los di­gestores fué satisfactorio, ya que la dinámica de po blación de los organismos identificados durante el

102

proceso correspondió a la descrita por otros auto­res.

6.- Una conclusión importante en este estudio es que la digestión aerobia se puede llevar a cabo aceptable­mente a la temperatura media de la Ciudad de México, valor semejante a la temperatura de prueba. Esto re­presenta una gran ventaja sobre la digestión anaero­bia que requiere de energía adicional para calenta­miento.

7.- La operación y control del proceso de digestión aero bia en este estudio se llevó a cabo sin ningún pro­blema serio como ocurre usualmente en los procesos de digestión anaerobia.

8.2 RECOMENDACIONES

1.- Es necesario y conveniente para una mejor compren­sión del comportamiento del proceso, que para estu­dios futuros se aumente el número de parámetros a d£ terminar, esto es, medición de nitrógeno amoniacal, nitrógeno orgánico, nitritos y nitratos; así como también mediciones de las dosificaciones de bicarbo­nato de sodio efectuadas.

2.- En estudios futuros es recomendable cubrir diferen­tes épocas del año para observar si hay variación en el valor de la constante de biodegradabilidad Kfe.

3.- Sería adecuado considerar la posibilidad de someter a los lodos a una sedimentación previa a su diges­tión para disminuir su volumen, lo cual es posible, según se comprobó en la fase experimental del estu­dio.

103

A pesar de que, de acuerdo a observaciones persona­les, existía buen nivel de oxígeno en el licor mez­clado, es necesario que este se mida cuantitativamen te, con el fin de mantener un nivel de oxígeno lo su ficientemente alto para tener tina eficiencia óptima y a la vez evitar que se presentasen condiciones anaerobias por un nivel deficiente de oxígeno.

Aunque en el experimento se logró abatir la espuma formada en los digestores en forma continua, por me­dio de la colocación y tipo de la agitación y la ai­reación, es posible que en el digestor a escala real se presenten problemas debidos al eapumamiento; sin embargo, el uso de dispositivos antiespumantes logra rían tina disminución de la espuma durante la opera­ción del sistema. Por tanto es recomendable elegir un difusor comercial adecuado, el cual se acerque a las características del calculado, tomando en cuenta también la necesidad de que ayude a evitar o por lo menos a disminuir la formación de espuma en el diges tor.

En este estudio se realizó la digestión aerobia de los lodos de desecho de la unidad II de la planta de tratamiento; sería adecuado realizar un estudio simi lar a los lodos de la unidad I o, algo que resulta­ría más conveniente y económico: estudiar la posibi­lidad de unir los efluentes de ambas unidades y de esta manera realizar un solo tratamiento.

Es necesario tomar en cuenta la posible inclusión en el diseño del digestor de un dosificador de bicarbo­nato de sodio o cal, para controlar la alcalinidad de los lodos.

104

8.- Es conveniente ampliar más el estudio del tratamiento de los lodos de desecho, aquí solamente se consideró la di­gestión aerobia de ellos; sin embargo, se requerirá estu­diar tratamientos posteriores, cuyo tipo dependerá del uso que se piense hacer de los lodos. Esto es, preveer y ensayar alternativas de disposición final, que lleguen a ser soluciones probadas a las cuales poder recurrir cuan­do el problema de los lodos de desecho se agudice.

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3.- Jonguitud, V. F., "Tratamiento de Aguas Residuales, muni­cipales, Industriales y Reusos", División de Educación Continua, Facultad de Ingeniería, (1981).

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7.- Benefield, L. D. 7 Randall, C. W., "Biological Process Design for Wastewater Treatment", Prentice Hall, (1978).

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BIBLIOGRAFIA

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12.- A. Joint Comitte of the Water Pollution Control Federati on and the American Society of Civil Engineers, "Wastewa ter Treatment Plant Design", Lancaster Press, Inc., (1977).

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14.- Departamento desanidad del Estado de Nueva York, "Manual de Tratamiento de Aguas Negras", Limusa, México, (1974).

15.- Pelczar, M. J. y Reid, R. D., "Microbiología", 2da. ed., McGraw-Hill, España, (1966).