universidad nacional de trujillo facultad ingeniería

Universidad Nacional de Trujillo

Facultad Ingeniería Química

Escuela Académico Profesional Ingeniería Química

“Producción de Biogas mediante la digestión

anaeróbica de los lodos flotantes de oxidación de aguas residuales de la ciudad de Chepén”

Tesis Para optar el Título de Ingeniero Químico

Autor : Br. Rossana Judith Corcio Burgos Asesor : Ing. Luis Moncada Albitres

TRUJILLO - PERÚ 2006

Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

PRESENTACIÓN

SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO:

De conformidad con los dispositivos legales y vigentes de Grados y Títulos de la

Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de la Libertad –

Trujillo, queda a vuestra consideración y elevado criterio el presente trabajo de

tesis titulado:

“Producción de Biogás mediante la digestión anaerobia de los

lodos flotantes de la laguna de oxidación de aguas residuales de

la ciudad de Chepén”

Con la finalidad de obtener el Título profesional de Ingeniero Químico.

Presento a ustedes señores miembros del jurado el presente trabajo de

investigación, esperando que sirva como un pequeño aporte a la producción de

alimentos en nuestro país, y específicamente en la provincia de Pacasmayo.

Trujillo, Diciembre del 2006

Br. Rossana Corcio Burgos

Producción de Biogás ii




Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

JURADO DICTAMINADOR

Ing. René Ramírez Ruiz

MSc. Luis Moncada Albitres

MSc. Manuel Vera Herrera

Producción de Biogás iii




Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

DEDICATORIA

A mis Queridos padres:

Víctor y Claudina:

Con inmenso amor y eterna gratitud, por

haberme guiado en el camino de la

superación, porque con sus ejemplos de

perseverancia y optimismo sembraron en

mí la seguridad de vencer las dificultades

de la Vida.

Gracias papis por depositar en mí su

confianza y experiencia, por su paciencia,

cariño y comprensión y hacer realidad

uno de mis grandes sueños:

Ser Profesional.

A mis hermanos:

Erika, Patricia, Janette, Christian

Por su apoyo constante, aprendí de cada

uno de ellos a valorar el verdadero

significado del esfuerzo y lucha.

Rossana.

Producción de Biogás iv




Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

A mis hermosos sobrinos:

Diego, Denisse, Valentino.

Que están siempre a mi lado, me hacen

recordar cada día la belleza de ser niños

por su inocencia e ingenuidad.

A un ser muy especial:

Fiorella

Aunque no está presente físicamente sé

que me acompaña espiritualmente en

todo momento. Es la fuerza motivadora

que impulsa mi superación especial, sé

que desde el infinito hace brillar su luz

para iluminar mi vida y guiar mis pasos

día a día.

Gracias mi niña por estar siempre

conmigo

Rossana.




Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

AGRADECIMIENTO

Con Gratitud a nuestro Padre Celestial.

Por su ayuda constante, por estar

conmigo en todo momento cuando perdía

las esperanzas.

Por iluminar mi pensamiento al

inculcarme el amor y respeto por los

demás.

Gracias por brindarme amor y fuerza

durante toda mi etapa de formación

profesional y a sobreponerme ante todo

obstáculo en mi vida y cumplir mi reto de

ser una Gran profesional.

Siempre te llevaré en mi corazón y en mi

vida, nunca me dejes de guiar y bendecir.

Te necesito por siempre y para siempre.

A mi asesor:

Ing. Luis Moncada Albitres

Con profundo agradecimiento por su

dedicación, experiencia y acertado

asesoramiento en la elaboración del

presente trabajo de investigación.

Rossana.

Producción de Biogás v




Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

CONTENIDO

Carátula .................................................................................................... ............i

Presentación..........................................................................................................ii

Jurado examinador...............................................................................................iii

Dedicatoria...........................................................................................................iv

Agradecimiento.....................................................................................................v

Contenido.............................................................................................................vi

Lista de tablas........................................................................................ .............vii

Lista de figuras....................................................................................................viii

Lista de gráficos...................................................................................................viii

Resumen...............................................................................................................ix

Abstract.................................................................................................................x

I. INTRODUCCION .......................................................................................1

1.1 Fundamentos de la tecnología de producción de biogás............................4

1.2 Etapas del proceso anaerobio...................................................................13

1.3 Factores que determinan la eficiencia de la digestión anaerobia .............17

1.4 Utilización del biogás.................................................................................24

1.5 Empresa de servicios de agua potable y alcantarillado de la libertad

sociedad anonima SEDALIB S.A..............................................................26

II. MATERIAL Y MÉTODOS ........................................................................41

2.1 Materiales..................................................................................................41

2.2 Métodos.....................................................................................................44

III. RESULTADOS .........................................................................................48

IV. DISCUSION DE RESULTADOS ..............................................................59

V. CONCLUSIONES......................................................................................61

VI. RECOMENDACIONES.............................................................................62

VII. REFERENCIA BIBLIOGRAFICAS...........................................................63

Producción de Biogás v




Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

LISTA DE TABLAS

Tabla Nº 1. Composición bioquímica del biogás..................................................6

Tabla Nº2. Digestión anaeróbica - representación esquemática.....................9

Tabla Nº3. Microorganismos en la fermentación anaerobia.............................9

Tabla Nº 4. Principales bacterias formadoras de metano y sustrato sobre

los que actúan. ..................................................................................17

Tabla Nº 5. Población, cobertura y conexiones de alcantarillado. ......................30

Tabla Nº 6. Población y caudales de diseño. .....................................................31

Tabla Nº 7. Variación de los caudales de ingreso a la PTAR Chepén

según diseño. ...................................................................................32

Tabla Nº8. Variación de la 080 y la carga orgánica a la PTAR Chepén según

diseño. ............................................................................................33

Tabla Nº 9. Variación de la eficiencia de la PTAR Chepén desde el inicio

hasta el horizonte del proyecto, según diseño................................35

Tabla Nº10. Volúmenes de las aguas residuales tratadas en la PTAR Chepén

desde el inicio de operaciones.....................................................37

Tabla Nº11. Variación de la DB0 de las aguas residuales crudos que ingresan

a la PTAR Chepén desde el inicio de operaciones.........................38

Tabla Nº12. Variación del consumo de energia eléctrica en la

PTAR Chepén desde el inicio de operaciones................................39

Tabla Nº13. Costo de energía facturada en la PTAR Chepén...........................40

Tabla Nº 14. Caracterización de los Iodos flotantes de la laguna facultativa de

la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Chepen..........49

Tabla Nº 15. Caracterización de/ todo digerido de la laguna facultativa de la

Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Chepen. ……...........50





Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

Tabla Nº 16. Datos experimentales medidos en el biorreactor...........................51

Tabla Nº17. Biogás producido en función a la carga orgánica

removida en el bíoreactor................................................................52

Tabla Nº18. Remoción de la carga orgánica y bacteria1 en el bíoreactor. .........53

LISTA DE FIGURAS

Figura Nº 1. Etapas de la digestión anaerobia......................................................5

Figura Nº2. Solamente se indican las rutas principales (según Stafford

(1980) Sixt (1979), Mosey (1982) y otros) ......................................10

Figura Nº3. Reacciones producidas por las bacterias metanogénicas................10

Figura Nº 4. Etapas de/ proceso anaeróbíco ................................................13

LISTA DE GRAFICOS

Gráfico Nº1 Reducción de la DBO en función del tiempo en la

digestión de los lodos.....................................................................54

Gráfico Nº2 Reducción de los sólidos volátiles en función del tiempo................55

Gráfico Nº3 Variación de los Sólidos Volátiles Totales

en función del tiempo.................................................................56

Gráfico Nº4 Gráfico comparativo entre el biogás producido y

su contenido de metano............................................................57

Gráfico Nº5 Variación de la presión con la producción del

biogás con el tiempo..................................................................58





Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

RESUMEN

El presente trabajo explica que mediante la digestión anaerobia de los

Iodos flotantes de la laguna de oxidación de aguas residuales de la ciudad de

Chepen es posible producir biogás, utilizando para ello un birreactor en

donde se acondicionan los factores ambientales que permitan el desarrollo y

actividad de los microorganismos.

La producción de biogás es posible gracias a la elevada

concentración de materia orgánica biodegradable con que cuentan los Iodos

flotantes reflejada en su contenido orgánico que son digeridas por un

conjunto de bacterias como las metanogénicas entre las principales.

Para conseguir establecer las condiciones anaeróbias, se diseñó y

construyó un birreactor de 3 litros de capacidad en el cual se colocó 1.5 Kgr

de lodo flotante para que se inicie el proceso de digestión. Este birreactor

estuvo herméticamente cerrado, equipado con un dispositivo de medición de

presión y un sistema para la recolección y almacenamiento del biogás.

A los 45 días de digestión se logró producir 12.08 litros de biogás que

se encontraba comprimido en el birreactor a una presión de 7.2 bares. Así

mismo, se extrajeron muestras para determinar la concentración de metano.

La concentración promedio fue de 84.01 % de metano en el biogás

producido.





Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

ABSTRACT

PRODUCTION OF BIOGAS THROUGH ANAEROBIC DIGESTION OF FLOATING MUDS OF RESIDUAL WATER LAGOONS OF OXIDATIÓN OF THE CHEPEN CITY - PERU YEARS 2005


The actual work explain that through the anaerobic digestion of floating

muds of residual water lagoons of oxidation of the Chepen city is possible to

produce biogas, using for that a bioreactor where are fitted out the ambiental

factors which permit the development and activity of microorganisms.

The productions of biogas is possible thanks to the elevated

concentration of biogradable organics matter the floating muds count with,

reflected in their organic content that: are digested by a group of bacteria as the

methanogenics amony the principals.

To get establish the anaerobias conditions, it was designed and

constructed a bioreactor of 3 liters of capacity in which was set 1.5 Kilograms of

floating mud to begin the process of digestion. This bioreactor was hermetically

closed, equipped with a device of pression measurement and a system for

gathering and storaging of biogas at 45 days of digestion it was achieved to

produce 12.08 liters of biogas that was compressed in the bioreactor to a

pression of 7.2 bars. Just as samples were extracted to determinate the

concentration of methane. The average concentration was 84.01% methane

(CH4) in produced biogas.





Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

Producción de Biogás


1

INTRODUCCION

Sin lugar a dudas, los problemas globales de contaminación ambiental

han pasado ha ocupar hoy, uno de los temas de mayor actualidad debido a la

importancia que tiene para la continuidad de la vida en la tierra y la perpetuidad

de la especie humana.

La humanidad se ve ahora forzada a investigar las consecuencias

ambientales de sus acciones de desarrollo a escala local, nacional o global. En

el corto período de tiempo desde la revolución industrial, el aspecto de este

planeta ha sido cambiado en muchos aspectos, y en algunos de ellos de manera

tristemente irreversible. Al cambio se le llamó progreso, pero ahora la

generación que es beneficiaria del progreso anterior, también es heredera de los

errores del pasado. Las ganancias del pasado se podrán retener y se podrá

alcanzar un progreso en el futuro, no basado en las fuerzas limitadas de la

economía o la ingeniería, sino en el desarrollo sostenible. Aunque un poco sobre

utilizado, el concepto de desarrollo sostenible se define como la capacidad de

satisfacer las necesidades del presente, sin comprometer la capacidad de las

generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades. Esto último exige

un uso equilibrado de los recursos. La evolución de la era del desarrollo

sostenible va a requerir cambios radicales para muchas disciplinas profesionales

tal como se conocen ahora, pero muy especialmente para la ingeniería. La

ingeniería hoy día requiere una apreciación ecológica y dar respuesta a un

público bien educado en conservación ambiental (Metcalf 1995).



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



2

La sociedad moderna en su constante y acelerado desarrollo

tecnológico necesita de fuentes de energía y de estas mas del 90% son

provenientes de los llamados combustibles fósiles, que tienen su origen en la

descomposición de materias vegetales y su energía está contenida en enlaces

químicos producidos por la energía solar fijada por las plantas hace millones de

años mediante la fotosíntesis (Zaric, 1981).

Pero el uso de combustibles fósiles para producir energía sobre todo

energía eléctrica, trae como consecuencia el vertimiento de sustancias tóxicas al

aire, a los cuerpos de agua y a los suelos, dañando la naturaleza a corto,

mediano o largo plazo (Zaric, 198l).

Sin embargo, ya desde el siglo pasado se conocía en la India y China el

uso de procesos fermentativos, o procesos de digestión anaerobia para producir

biogás y tratar ecológicamente los residuales orgánicos de forma artesanal

(Turzo et al., 1984).

El biogás representa una fuente de energía, cuyo componente principal

es el metano. Se desarrolla en un proceso natural que tiene lugar en todos los

ámbitos donde se descompone la materia orgánica, también llamada biomasa,

en un entorno húmedo y anóxico (sin presencia de oxígeno) a través de la

actividad bacteriológica (Hernández, 1998).

Generalmente se puede utilizar todo tipo de materia orgánica o

biológica para la generación de biogás, siempre y cuando éstas pudieran ser

reducidas por microorganismos (Hernández, 1998).



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



3

La historia de la digestión y sus precursores se inicia en la década de

los cincuenta del siglo XIX, con el desarrollo del primer tanque diseñado para

separar y retener sólidos. La primera instalación utilizada para tratar sólidos

sedimentados del agua residual llevaba el nombre de “Eliminador automático de

Mouras" y su inventor fue Luis H. Mouras de Vesoul, Francia, hacia 1860, tras

haber observado que si se mantenían lo sólidos en un depósito cerrado se

convertían en líquido (Hernández, 1998).

En Inglaterra, el primero en tener conocimiento de que se producía un

gas combustible, que contiene metano cuando se licuan los sólidos del agua

residual, fue Donald Cameron, quien construyó el primer tanque séptico en la

cuidad de Execter, en 1895, del que recogió y utilizó el gas para el alumbrado de

los alrededores de la planta. En 1904 se instaló en Hampton, el primer tanque de

doble acción al incorporar la sedimentación y tratamiento del fango. Se conocía

con el nombre de tanque hidrolítico de Travis y funciono hasta 1936 (Hernández,

1998).

Un beneficio que implica esta tecnología es la sustitución de la leña por

el biogás, por lo que previene en gran medida la destrucción de los bosques. Se

ha calculado que un metro cúbico de biogás utilizado para cocinar, evita la

deforestación de 0.335 hectáreas de bosques con un promedio de 10 años de

vida de los árboles (Evaluatión of Ecology Benefits, 1989)

El biogás es un gas combustible que se puede obtener a partir de la

biomasa, tal como son los desechos de humanos y de animales, residuos

agrícolas, aceite de palma y plantas acuáticas. Este gas puede ser utilizado, por



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



4

ejemplo, como combustible para motores que mueven una bomba de agua, en

alumbrado y en la cocción de alimentos (Silva, 2002).

1.1 FUNDAMENTOS DE LA TECNOLOGÍA DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

El mecanismo predominante para la conversión de la biomasa en biogás

es la conversión bioquímica o digestión de biomasa orgánica que debe

entenderse como un proceso natural que involucra varios procesos bacterianos

y enzimáticos simultáneamente (Silva, 2002).

El objetivo primordial del proceso de digestión es reducir la materia

putrescible a condiciones más estables. En el proceso de reducción, parte de los

sólidos volátiles desaparecen y el contenido total de materia orgánica resulta de

este modo inferior en el rango digerido. Así mismo, por el procedimiento de

recircular el sobrenadante, se consigue una reducción del volumen de lodo. Por

otra parte, a través del proceso de digestión se logra la eliminación de gran parte

de gérmenes patógenos, al someterlos a condiciones ambientales muy

diferentes a las del agua residual. El proceso de digestión mejora también, en

general, las características del fango desde el punto de vista de su facilidad

(Hernández, 1998).

El método más común de producción de biogás es la digestión

anaeróbica en un tanque cerrado llamado 'biodigestor'. La biomasa se mezcla en

el digestor con agua para formar una suspensión, en la cual la digestión

anaeróbica se realiza en dos pasos (Silva, 2002).



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



5

En el primer paso, llamado licuefacción, la materia orgánica es

descompuesta por hidrólisis enzimática y fermentada para producir

principalmente ácidos y alcoholes. Seguidamente, en la etapa de gasificación,

las bacterias metanogénicas rompen los ácidos y los alcoholes, para producir

metano y dióxido de carbono, nitrógeno y ácido sulfhídrico.

El diagrama de la figura 1 indica las diversas etapas de la digestión

anaerobia. (Silva, 2002).

Figura Nº 1. Etapas de la digestión anaerobia

1 Hidrólisis

2 Acidogénesis

3 Acetogénesis

5 6 Metanogénesis

El biogás obtenido en esta transformación lo constituye una mezcla de

gases combustibles y su composición depende del tipo de material orgánico

utilizado para su producción y de las condiciones de operación de los reactores

donde ocurre la transformación (Silva, 2002).

El biogás contiene aproximadamente un 60-70% de metano y 30-40%

de dióxido de carbono; la pequeña cantidad de ácido sulfhídrico da al gas un olor

de huevos podridos. El valor calorífico del biogás es 20 - 30 MJ de energía

Carbohidratos, lipidos, proteínas

Acidos orgánicos volátiles

Azúcares, aminoacidos Acidos grasos

Acetato H2, CO2

CH4, CO2



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



6

calórica por m3 de gas. La tabla 1 resume la composición química del biogás

(Silva, 2002).

Tabla 1. Composición bioquímica del biogás.

COMPONENTE FORMULA QUIMICA % VOLUMEN

Metano CH4 60-70

Gas Carbónico C02 30-40

Hidrógeno H2 1.0

Nitrógeno N2 0.5

Monóxido de Carbono CO 0.1

Oxígeno O2 0.1

Acido Sulfhídrico H2S 0.1

La digestión anaerobia de los Iodos ha sido universalmente aceptada

como el método más adecuado para obtener un producto final aséptico. La

descomposición de la metería orgánica por las bacterias se realiza en ausencia

de aire. El oxigeno necesario para su desarrollo lo obtiene del propio alimento

(Hernández, 1998).

Al menos cuatro grupos tróficos diferentes de bacterias han sido

aislados en digestores anaeróbios, pudiendo ser diferenciados sobre la base de

los sustratos fermentados y los productos finales formados (Marchain, 1992)

Estos cuatro grupos metabólicos son:

1. Las bacterias Hidrolíticas y fermentativas, las cuales convierten una

variedad de compuestos orgánicos tales como polisacáridos, lípidos y proteínas

en otros productos como el ácido acético, Hidrógeno, Dióxido de Carbono,

compuestos monocarbonados, ácidos grasos orgánicos y otros compuestos

policarbonados.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



7

2. Las bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno, las cuales

incluyen obligatoriamente a las dos especies facultativas que pueden convertir

los productos del primer grupo, los ácidos orgánicos de más de dos átomos de

carbono, por ejemplo el butírico y el propiónico y los alcoholes polícarbonados

tales como el etanol y el propanol transformándolos en hidrógeno y acetato.

3. Las bacterias homoacetogénicas las cuales pueden convertir un

espectro amplio de compuesto multi o monocarbonados en ácido acético.

4. Las bacterias metanogénicas, las cuales transforman el H2, C02,

compuestos monocarbonados, por ejemplo el metanol, CO y la metilamina en

acetato o pueden formar metano de la descarboxilación del acetato.

La ecuación estequiométrica de Boswei es aplicable a la fermentación

de la materia orgánica (Silva, 2002).

Cn HaOb + (n - a/4 - b/2) H20 = (n/2 - a/8 + b/4) C02 + (n/2 + a/8 - 4) CH4

De modo que la degradación de la materia orgánica para producir

metano depende de la interacción de varios grupos de diferentes bacterias. Una

operación estable del digestor requiere que estos grupos de bacterias se

encuentren en equilibrio dinámico y armónico. Los cambios en las condiciones

ambientales pueden afectar este equilibrio y resultar en un aumento de

microorganismos intermediarios que pueden inhibir todo el proceso. Este tiene

una importancia extrema para comprender hacia que direcciones se mueven los

procesos microbiológicos y bioquímicos y poder dirigir el sistema de digestión

para producir biogás. (Marchain, 1992).



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



8

La digestión es un proceso anaerobio, en el que los materiales de

descomposición pasan por vados procesos: licuefacción, gasificación y

mineralización, obteniéndose un producto final inerte con liberación de gases

(Hernández, 1998)

La licuefacción se produce por enzimas extracelulares que hidrolizan

los carbohidratos complejos a simples azúcares, las proteínas a péptidos y los

aminoácidos o grasas a glicerol y ácidos, siendo el producto final de la

licuefacción ácidos orgánicos volátiles (Hernández, 1998).

Durante la gasificación, estos productos se convierten en gases, cuyos

principales componentes son el metano, y el dióxido de carbono. Finalmente la

materia orgánica soluble es también descompuesta (Hernández, 1998)

En el tratamiento de los Iodos procedentes de la depuración de las

aguas residuales urbanas, los procesos anaerobios presentan ventajas

insospechadas. Así, la obtención del gas combustible y las características

fertilizantes de la suspensión efluente representan ventajas en particular

importancia (Hernández, 1998)

Cuando el proceso se desarrolla en un digestor único, el proceso recibe

el nombre de convencional. En éste la tasa de producción de biogás se centra

en un valor próximo a los 900 litros/Kg de sólidos volátiles reducidos, producción

que se alcanza con el tiempo de retención de los fangos de aproximadamente

25 días, en condiciones mesofílicas, con una temperatura en el sistema entre los

33 - 370C (Hernández, 1998)



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



9

Tabla Nº2: Digestión anaeróbica - representación esquemática

Fermentación Acida

Lodos frescos + Microorganismos ==> C02, H20 + Acidos Orgánicos

”A” Substrato complejo Principalmente Productos de Productos celulares y Carbohidratos formadores de ácidos degradación otros de degradación Grasas (saprofilicos facultativos) intermedia intermedia Proteínas

Fermentación Alcalina

Lodos frescos + Microorganismos ==> CH4 + C02 + Otros productos finales “B” Substrato Principalmente Productos de Productos celulares y complejo formadores de ácidos degradación otros de degradación Carbohidratos (saprofilicos facultativos) intermedia intermedia Grasas Proteínas

Tabla Nº3: Microorganismos en la fermentación anaerobia.

Principales grupos de microorganismos anaerobios

Bacterias productoras de ácido

Bacterias formadas de ácido

(ácidos butírico y propionico)

Bacterias acetogénicas

(ácido acético e Hidrógeno)

Bacterias productoras de metano

Bacterias metano acetoclásticas

(acetofilicas)

Bacterías del metano

(hidrogenofílicas)



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



10

Figura Nº2. Solamente se indican las rutas principales (según Stafford

(1980) Sixt (1979), Mosey (1982) y otros)

Figura Nº3. Reacciones producidas por las bacterias metanogénicas

LIPIDOS PROTEINAS CARBOHIDRATOS

AMINOACIDOS

KETOACIDOS

ACIDO PIRUVICO

ACIDO LACTICO

ACIDO FORMICO

ACIDOS GRASOS DE

CADENA LARGA

ACIDO PROPIONICO

ACIDO ACETICO

ALDEHIDOS

ALCOHOL ACIDO

BUTIRICO

ETANOL ACIDO ACETICO ACIDO FORMICO METANOL

HIDROGENO CO2

METANO



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



11

En la práctica, un digestor o unidad fermentadora es un complejo

ecosistema en el que interactúan numerosos microorganismos que van

efectuando esta compleja actividad transformadora que finalmente conduce a la

producción de biogás (Hernández, 1998)

La producción de biogás también se puede estimar a partir de la

reducción de¡ porcentaje de sólidos volátiles. Los valores habituales varían entre

0,75 y 1,12 m3/Kg de sólidos volátiles destruidos. La producción de biogás

puede fluctuar en un amplio intervalo, en función del contenido en sólidos

volátiles del lodo crudo, y de la actividad biológica desarrollada en el digestor. En

ocasiones, durante la puesta en marcha, se presentan producciones excesivas

de biogás que pueden causar la formación de espumas y escape de estas, por

los bordes de las cubiertas flotantes del digestor. Si, una vez alcanzadas unas

condiciones de funcionamiento estable, se mantuvieran las anteriores tasas de

producción de biogás, se puede tener la certeza que el lodo está bien digerido

(Hernández, 1998).

Estas magnitudes están en estrecha relación con la cinética de los

procesos de fermentación ácida y metánica, la que está limitada por la lenta

velocidad de crecimiento de la bacteria de metano. Por otra parte se sabe que

un buen desarrollo del proceso exige, en el sistema, condiciones de equilibrio de

las poblaciones de microorganismos responsables de la transformación

bioquímicas. Vale decir, es preciso que los responsables de la degradación de

los polímeros orgánicos produzcan tanto ácidos volátiles, como organismos

metanogénicos existan para transformar estos ácidos en biogás (Hernández,

1998).



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



12

Esta última exigencia hace difícil mejorar de manera racional el

rendimiento del proceso convencional, toda vez que en el digestor único deben

cumplirse esas condiciones de equilibrio (Hernández, 1998).

No obstante de lo anterior, el avance en el conocimiento de aspectos

relacionados con la microbiología y la bioquímica de los grupos de organismos

participantes así como los nuevos procesos tecnológicos que facilitan los

procedimientos de manutención y control, permiten prever la posibilidad de que

el proceso pueda llevarse a cabo en dos fases separadas. Esta hipótesis se

basa en las diferencias medioambientales que exigen ambos grupos de

microorganismos involucrados en el proceso como resultado, si tal separación

fuera posible, ambos grupos podrían crecer y desarrollarse en condiciones

óptimas, esperándose una mayor eficacia del proceso global (Hernández, 1998).

El proceso se lleva a cabo en un reactor completamente cerrado. Los

Iodos se introducen en el reactor continua o intermitentemente y son retenidos

en el mismo durante periodos de tiempo variables. El lodo estabilizado, que se

extrae continua o intermitente del proceso, no es putrescible y su contenido en

patógenos es bajo. Hasta hace pocos años, se pensaba que el proceso se

verificaba en dos etapas consecutivas, conocidas como etapa acidogénica y

metanogénica (Hernández, 1998).

Según Bryant, el proceso consta de tres etapas (fermentativa,

acetogénica y metanogénica). Cuya representación se muestra en la figura Nº 2.

Los únicos sustratos sobre los cuales puede actuar las bacterias metonogénicas,

para generar metano son metanol, ácido acético, fórmico y carbónico

(Hernández, 1998).



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



13

1.2 ETAPAS DEL PROCESO ANAEROBIO Figura Nº 4. Etapas de/ proceso anaeróbíco

Etapa fermentativa

Consiste en la degradación de los polímeros orgánicos complejos

constituyentes de la biomasa, originando moléculas más simples. En esta etapa,

la materia orgánica se encuentra en estado sólido. Es atacada por enzimas

extracelulares segregadas por las bacterias, disolviéndola en el líquido

circundante, con el objeto de hacerla asimilable por ellas mismas (Hernández,

1998).

Las bacterias que producen la hidrólisis pueden ser anaerobias estrictas

o facultativas. Son muy numerosas, se desarrollan espontáneamente en el

medio cuando las condiciones son favorables, o bien pertenecen a la flora de la

BIOMASA

BACTERIAS

MOLECULAS SIMPLES

ACIDOS VOLATILES

ACIDO ACETICO BACTERIAS

ACIDOGÉNICAS

BACTERIAS METANOGÉNICAS

BIOGAS

H2 + CO2

HIDROLISIS

ACIDOGENESIS

METANOGENESIS



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



14

sustancia orgánica a dirigir. Realizan un amplio espectro de actividades

enzimáticas sobre los polímeros orgánicos, desdoblándolas en los

correspondientes monómeros o fragmentos más sencillos. Estos experimentan

enseguida, procesos de fermentación ácida que originan productos tales como

acetatos, propionatos, butiratos y en menor proporción anhídrido carbónico e

hidrógeno (Hernández, 1998).

La importancia de la presencia de este grupo de bacterias no solo

radica en el hecho de que producen alimento para los grupos de bacterias que

actúan posteriormente si no que, además, eliminan cualquier traza del oxígeno

disuelto en el sistema (Hernández, 1998).

Este grupo de microorganismos, que se conoce como metanogénicos,

se compone de bacterias facultativas y anaerobias obligadas, colectivamente

denominadas bacterias formadoras de ácidos (Hernández, 1998).

Se ha aislado en digestores anaerobios bacterias Clostridium spp,

Peptocoecus anaerobus, Bifido bacterium spp, Desulfuribrio spp,

Corynebacterium spp, Lacto bacillus, Actinomyces, Staphylocoecus y

Escherichia coli. Otros grupos fisiológicos incluyen los que producen enzimas

proteolíticas, ¡¡políticas, ureolíticas o celulíticas (Hernández, 1998).

Etapa acetogénica

Durante esta etapa actúan las bacterias productoras de hidrógeno los

cuales producen ácido acético junto con C02 y H2, a partir M ácido propiónico,

butírico o de cadena más larga, Según Bryant y Thaner la estequiometría, la



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



15

variación de energía libre y las reacciones que tienen lugar en esta etapa son las

siguientes:

(a) CH3CH2COO + 3H20 = CH3COO + HC03 + H+ + 3H2

Go* = 18.2 Kcal/reacción

(b) CH3CH2CH2COO + 2H20 = 2CH3COO + H+ + 2H2

Go* = 11.5 Kcal/reacción

A esta altura del proceso, la mayoría de las bacterias anaerobias han

extraído todo el alimento de la biomasa y, como resultado de su metabolismo,

han de eliminar sus propios productos de desecho de sus células. Estos

productos ácidos volátiles sencillos, son los que van a utilizar como sustrato las

bacterias metonogénicas en la etapa siguiente (Hernández, 1998).

Etapa metanogénica

En esta etapa un amplío grupo de bacterias anaerobias estrictas;

actúan sobre los productos resultantes de las etapas anteriores y las transforma

en metano. Según Mc Carty, Smith y Mah, alrededor del 70 % del total del

metano producido procede de la descarboxilación del ácido acético, según la

reacción:

CH3-COO + H20 = CH4 + HC03

CO = - 7.4 Kcal/reacción

El metano restante proviene de los sustratos ácidos carbónicos, ácido

fórmico y metanol. El más importante es el gas carbónico, el cual es reducido



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



16

por el hidrógeno, también producido en la etapa anterior. La reacción siguiente

representa el fenómeno:

(c) HC03 + H+ + 4H2 = CH4 + 3H20

Go* = - 32.4 Kcal/reacción

Cabe destacar que esta reacción, contrariamente a lo que sucede con la

degradación acetogénica de los ácidos de tres o cuatro carbonos, señalados en

las reacciones de la etapa anterior, transcurre con una fuerte disminución de los

procesos de oxidación acetogénicos, energéticamente desfavorables, es muy

probable que se produzcan en asociación con el proceso de reducción del

bicarbonato a metano (Hemández, 1998).

De acuerdo con esta idea, la generación de metano estaría debida, en

gran medida, a procesos de asociación sintrófica de las bacterias productoras de

H2, de la etapa metanogénica las que podrían representarse mediante las

siguientes reacciones (Hernández, 1998).

(a + c) 4CH3- CH2-COO- + 3H20 = 4CH3-COO + HCO3 + H+ + 3CH4

Go* = - 24,4 Kcal/reacción

(b + c) 2CH3-CH2-CH2-COO + HC03 + H20 = 4CH3-COO + H+ + CH4

Go* = - 9.4 Kcal/reacción

Como puede observarse, ambas reacciones son energéticamente

favorables. La tabla NO 3 resume, según Mc lnernes y Bryant, los grupos

bacterianos que actúan en la metanogénesís (Hernández, 1998).



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



17

Tabla Nº 4 Principales bacterias formadoras de metano y sustrato sobre

los que actúan.

C02 H2 HCO0H CH3C00H CH30H

Formicum + + +

Methano Rumiantium + + +

Bacterium st. mi + +

Sp strain moh + +

Arbophilicum

Methano Barkeri + + + +

Sarcínas Barkeri st.227 + + + +

Barkeri st. w + + + +

Methano Vannielii + + +

Cocus Sp. Strainps + + +

Methano Hungatei + + +

Pirillum

Puede observarse en la tabla anterior que todas las especies son

capaces de utilizar el H2 para reducir el ácido fórmico y sólo las del género

Methanosarcina reducen el ácido acético (Hernández, 1998).

1.3 FACTORES QUE DETERMINAN LA EFICIENCIA DE LA DIGESTION

ANAEROBIA

La digestión está influenciada por una serie de factores que determinan

su eficacia:

Efectos de la temperatura

Los organismos mesolíticos actúan a temperaturas comprendidas entre

12 oC y 35 oC. Optimizándose el proceso entre los 29 oC y los 33 oC. Los



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



18

termofílicos trabajan entre los 37 y los 65 oC. Con un óptimo en las proximidades

de los 55 oC. Realmente un factor importante, para la determinación del volumen

de los digestores, es la temperatura (Hernández, 1998).

La digestión termofílica permite una permanencia mínima en los

digestores, debido a su excepcional sensibilidad a los cambios de temperatura,

exige un gran control y no es aconsejable (Hernández, 1998).

Los niveles de reacción química y biológica normalmente aumentan con

el incremento de la temperatura. Para los digestores de biogás esto es cierto

dentro de un rango de temperatura tolerable pare diferentes microorganismos

(Schmid et al., 1969).

Las altas temperaturas causan una declinación del metabolismo, debido

a la degradación de las enzimas, y esto es critico para la vida de las células. Los

microorganismos tienen un nivel óptimo crecimiento y metabolismo dentro de un

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

los cuales dependen de la termoestabilidad de la síntesis de proteínas para cada

tipo particular de microorganismo (Schmíd et al., 1969).

Las bacterias metanogénicas son más sensibles a los cambios de

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

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

un catabolismo sustancial, incluso a bajas temperaturas (Schmid et al., 1969).



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



19

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

primero es el mesofílico (de 20 a 45 oC), segundo es el termofílico (pox-encima

de 45 oC ). El óptimo puede ser de 35 oC a 55 oC (Gunnerson et al., 1986)

La ventaja de la digestión termofílica es que la producción de biogás es

aproximadamente el doble que la mesofilica, así que los biodigestores

termofílicos pueden ser la mitad en volumen que los mesofílicos, manteniendo

su eficiencia general (Gunnerson et al., 1986)

Se han realizado numerosos trabajos sobre la digestión termofílica en

países templados Sin embargo, se requieren considerables cantidades de

energía para calentar los residuales hasta 55 oC. (Gunnerson et al., 1986)

El tercer rango (psicrofílico) ocurre entre los 10 y 25 oC (Gunnerson et

al., 1986)

Nutrientes.

Además de una fuente de carbono orgánico, los microorganismos

requieren de nitrógeno, fósforo y otros factores de crecimiento que tienen

efectos complejos. Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la

concentración óptima para las metanobacterias, ya que ellas se inhiben

severamente por falta de nutrientes (Werner et al., 1989).

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

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

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

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



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



20

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

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

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

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

(Werner et al., 1989).

Toxicidad.

Los compuestos tóxicos incluso en bajas concentraciones, afectan la

digestión y disminuyen los niveles de metabolismo. Las bacterias metanogénicas

son generalmente las más sensibles, aunque todos los grupos pueden ser

afectados (Marchain, 1992).

Un nutriente esencial también puede ser tóxico si su concentración es

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

buen funcionamiento sin efectos tóxicos es particularmente importante. Por

ejemplo, en alimentos de alto contenido de proteínas para el ganado, un

desbalance por altos contenidos de nitrógeno y bajas disponibilidades energía,

causa toxicidad por generación de amonio. Usualmente, el nivel de amonio libre

debe ser mantenido en 80 ppm (Anderson et al., 1980)

Sin embargo, una concentración mas alta, alrededor de 150-300 ppm,

puede ser tolerada, se señala reportes iniciales de inhibición a una

concentración de NH4+ de alrededor de 800 ppm (Anderson et al., 1980)

Nivel de Carga.

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

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



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



21

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

totales (TS), que se volatilizan durante la incineración a temperaturas superiores

a 500 oC. Los SV contienen componentes orgánicos, los que teóricamente

deben ser convertidos a metano. Los residuales de animales pueden tener un

contenido de MS mayor del 10%. Según los requerimientos operacionales para

un reactor anaerobio, el contenido de MS no debe exceder el 10% en la mayoría

de los casos. Por eso, los residuales de granjas se deben diluir antes de ser

tratados (Loher, 1974).

La eficiencia de La producción de biogás se determina generalmente

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

fermentación de biogás requiere tan cierto rango de concentración de MS que es

muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La concentración óptima depende de

la temperatura (Yougfu et al., 1989)

Tiempo de retención.

Existen dos parámetros para identificar el tiempo de retención de las

sustancias en el digestor:

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

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

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

del tiempo de retención de los microorganismos en el digestor.

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

la media de la carga diaria.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



22

Estos parámetros son importantes para los digestores avanzados de

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

TRH a través de la retención de la biomasa. (An et al., 1994)

Efectos de la concentración de sólidos

Se recordará que, de la concentración primaria, se consigue reducir con

facilidad en un 30% de DBO y un 60% de sólidos en suspensión del agua

residual.

Análogamente, en el tratamiento biológico se puede llegar a eliminar

hasta 95% de los mismos índices. Esta contaminación que se les quita a las

aguas residuales son arrastradas por los Iodos, ya sea íntegramente (lodo

primario) o parcialmente (lodo activado) (Hernández, 1998)

En consecuencia, el lodo residual, puede llegar a contener entre un 1 y

10% de sólidos, siendo el resto agua. Dicho lodo contiene una gran cantidad de

materia orgánica biodegradable (Hernández, 1998)

Los productos residuales del proceso serán sólidos inorgánicos, líquidos

y gases. Los líquidos deberán ser recirculados al proceso de tratamiento del

agua residual con el objeto de disminuir el volumen de lodo a la salida de la

digestión. Los gases deberán ser extraídos del digestor y procesados para

obtener energía. La materia inorgánica sólida, por su carácter inerte, no deberá

presentar problemas de evacuación (Hernández, 1998).

Influencia del pH

Es necesario insistir en el hecho ya señalado de que los organismos

que intervienen en cada fase son diferentes, y debe establecerse u equilibrio



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



23

entre la producción de ácidos y su regresión, para ambos tipos de organismos

puedan coexistir dentro del digestor y encuentren las posibilidades ambientales

para su desarrollo. Concretamente, los organismos productores de ácidos y, por

consiguiente el proceso de digestión suele interrumpirse por el decaimiento de

los organismos productores de metano debido a algún cambio ambiental que les

hace menos viable. Esta es la razón de que el pH del lodo en digestión sea

indicio de que la digestión se está realizando en condiciones adecuadas ya que

si los organismos productores de metano son inhibidos o destruidos, no se

degradan los ácidos producidos y el pH dentro del digestor disminuirá

progresivamente. Por debajo de pH 6,2 la supervivencia de los microorganismos

productores de metano es imposible y, por consiguiente, cuando un digestor

alcanza este pH, la digestión puede considerarse como interrumpida

(Hernández, 1998).

El rango de pH óptimo es de 6,6 a 7,6 (16). Los ácidos grasos volátiles

(AGV) y el acetato tienden a disminuir el pH del sustrato (10). Si las bacterias

metanogénicas no alcanzan convertir rápidamente los AGV a medida que lo

producen las bacterias acetógénicas, estos se acumulan y disminuyen el pH en

el digestor. Sin embargo, el equilibrio C02, bicarbonato opone resistencia al

cambio de pH.

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

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

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

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

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

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



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



24

en pocas cantidades, después se puede ir aumentando gradualmente para evitar

nuevos descensos (Sosa et al., 2001).

El segundo método consiste en adicionar sustancias buffer para

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

constituyen una variante más costosa, pero previenen la precipitación del

carbonato de calcio. Los requerimientos buffer varían según el residual, los

sistemas de operación y tipos de operación (Sosa et al., 2001).

1.4 UTILIZACIÓN DEL BIOGÁS

Entre las propiedades más notorias que tiene el biogás es su

capacidad de quemarse casi sin olores, con llama azul y un calor de combustión

equivalente a 21,5 Mj/m3 (573 BTU por pie cúbico o 5 135 Kcal/m3), valor que

puede variar entre 19,7 y 23 Mj/m3. Su temperatura de auto-ignición es similar a

la del metano puro y varia de 923 oK hasta 1 023 oK (650 – 750 oC). Como

media, el biogás no purificado produce de 20 a 23 Mj/m3 (4 700 -5 500 Kcal/m3)

(Hesse, 1983).

Principales usos del biogás:

Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente

para:

• Generar 1,25 Kw/h de electricidad.

• Generar 6 horas de luz equivalente a un foco de 60 watt.

• Poner a funcionar un refrigerador de 1m3 de capacidad, durante 1

hora.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



25

• Hacer funcionar una incubadora de 1m3 de capacidad, durante 30

minutos.

• Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas. (20)

En principio, todos los motores pueden ser adaptados a biogás, pero lo

mas comúnmente usados son los motores de gas -Otto y los de gas-Diesel Esto

quiere decir que un metro cúbico de biogás puede compararse con 0,4 Kg de

aceite diesel, 0,6 Kg de petróleo o 0, 8 Kg de carbón (Dohe, 1998).

La presión a la que se encuentra el biogás almacenado define la

distancia a la que se puede transportar a través de tuberías. Se ha calculado

que a la presión de 0,8 KNm2 (8 cm de columna de agua) puede transportarse

1m3 de biogás por hora en una tubería de 1,27 cm (1/2”) a una distancia de 20

m, así como en tubería de 1,91 cm (3/4”) a 150 m de distancia. Para un diámetro

de 2,54 cm (1") podrá transportarse a 500 m. (Hesse, 1983).

1.5 EMPRESA DE SERVICIO DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO DE

LA LIBERTAD SOCIEDAD ANÓNIMA SEDALIB S.A.

La empresa de Servicio de Agua Potable y Alcantarillado de La Libertad

Sociedad Anónima y que en adelante llamaremos SEDALIB S.A, está orientada

a satisfacer con calidad la prestación de los servicios de agua para consumo

humano y alcantarillado sanitario a la comunidad usuaria en la zona costeña del

departamento de La Libertad - Perú, así como lograr el crecimiento auto

sostenido, obtener márgenes de rentabilidad óptimos y operar con

responsabilidad social el mantenimiento del equilibrio ecológico, para ello cuenta



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



26

con recursos humanos calificados y motivados, tecnología avanzada, una

organización moderna y procesos eficientes (SEDALIB, 2002)

Es una persona jurídica de derecho público transferida a las

municipalidades que goza de autonomía técnica, económica y financiera que se

rige por sus estatutos.

Tiene como objeto rector la operación desarrollo, mantenimiento y

control de los servicios públicos de agua potable y alcantarillado en el ámbito de

su jurisdicción con funciones y facultades para plantear, programar, financiar,

normar y elaborar proyectos, ejecutar y supervisar obras con asesoramiento y

asistencia técnica.

SEDALIB S.A., administra los servicios en 16 distritos de las Provincias

de Chepén, Ascope, Trujillo y Virú.

Hasta el año de 1997, la ciudad de Chepén no contó con sistemas de

tratamiento de aguas residuales, por lo que todas las aguas residuales eran

derivadas a la acequia denominada Pacanga para luego enviarlas al mar, pero

en su trayecto estas aguas eran usadas para regar cultivos con el consiguiente

peligro para la salud de los pobladores ya que estos productos son

comercializados en el mercado de Chepén (SEDALIB, 2002)

A partir del año de 1998, SEDALIB S.A. puso en funcionamiento la

planta de tratamiento de aguas residuales conocida como la Planta de

Tratamiento de Aguas Residuales Chepén que en adelante llamaremos PTAR

Chepén, se encuentra ubicada al oeste de la ciudad de Chepén en el sector

denominado Lurifico. Este nuevo sistema deberá tratar aproximadamente el 80



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



27

% del total de los desechos líquidos producidos en la ciudad y el restante 20%

seguirán siendo enviado a la acequia Pacanga (SEDALIB, 2002)

La PTAR Chepén es la única estación de depuración de aguas

residuales con que cuenta la ciudad de Chepén. Entró en funcionamiento el 01

de enero de 1999 y tiene capacidad para tratar hasta el año 2012 un caudal

promedio anual de 5 900 m3/día (68,5 l/s) y una carga orgánica 2 435

Kilogramos de Demanda Bioquímica de Oxígeno por día (2 435 Kgr de

DBO/día).

Se encuentra construida de las siguientes estructuras operativas:

Afluente.- Se encuentra constituido por una tubería de 200 mm de

aproximadamente 400 metros de longitud. Comprende desde la cámara

de reunión de aguas y culmina en la estación de cámara de rejas.

Cámara de rejas.- Opera bajo el principio de limpieza mecánica, está

compuesta de dos compartimientos. El funcionamiento del dispositivo de

limpieza de las rejas, es controlado por la diferencial de nivel de agua

antes y después de las barras y tan pronto como se alcance un desnivel

de agua determinado (10 cm). Adicionalmente el sistema cuenta con

dispositivos electrónicos que permite su funcionamiento en forma

intermitente.

Estación de bombeo.- Se encuentra equipada con 02 bombas

sumergibles con una capacidad de bombeo de 45 l/s y 10 Kw-H cada

una. El sistema de bombeo se encuentra equipado con mecanismos

electrónicos que permiten su operación de acuerdo al caudal de ingreso

en forma totalmente automática.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



28

Cámara de repartición de aguas residuales crudas.- Esta cámara

permite la división de las aguas residuales crudas que han sido

impulsadas por los equipos de bombeo para su derivación a las lagunas

aereadas.

Lagunas aereadas.- Las lagunas aereadas se encontraban equipadas

inicialmente con 06 equipos de aereación de 7,5 Hp cada uno, con las

siguientes dimensiones:

Largo: 120 M.

Ancho: 35 M.

Profundidad: 2.0 M

Volumen Unitario: 8 400 M3

Area Unitaria: 0,2 Ha

Periodo de retención: 1,43 días.

Laguna Facultativas. La PTAR Chepén cuenta con 01 laguna facultativa

revestida en la parte lateral superficial para evitar la erosión del terreno,

cuenta además con un vertedero de salida protegido con una pantalla

que evita la salida del material flotante. La laguna facultativa tiene la

siguientes dimensiones:

Largo: 90 M.

Ancho: 55 M.

Profundidad: 1,5 M

Volumen Unitario: 7 425 M3

Area Unitaria: 0,18 Ha

Periodo de retención: 4,0 días.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



29

Efluente.- Se encuentra constituido por un canal abierto, revestido con

concreto los primeros 200 mts. El afluente recoge las aguas residuales

de los 02 vertederos de evacuación de la laguna facultativa. Las aguas

residuales tratadas son conducidas al océano pacífico y parte de ellas

están siendo utilizadas para el riego de plantaciones de tallo alto como

maíz, árboles frutales y caña de azúcar.

Adicionalmente la Planta cuenta con edificios de servicios compuestos

de oficinas, laboratorio de control de procesos, vestíbulos y almacén.

Características de diseño de la PTAR Chepén

La información técnica concebida en el diseño de la PTAR Chepén fue

el siguiente:

Variación de los caudales de ingreso a la PTAR Chepén desde su

inicio hasta el horizonte de su funcionamiento.- Teniendo en cuenta la

cobertura de alcantarillado, el crecimiento demográfico y urbano y la tasa de

instalación de conexiones domiciliarias de desagüe, el proyecto estimó que al

año horizonte la población atendida seña del orden del 80 %. Con respecto a las

conexiones comerciales, se estableció que un 85 % mientras que el total de las

industrias estarían conectadas al sistema de alcantarillado (Rojas, 1998)

Caudales domésticos.- La determinación de los caudales de aguas residuales

se ejecutó a partir del consumo previsto de agua, de su contribución al sistema

de alcantarillado y de la cobertura del servicio de alcantarillado (Rojas, 1998).



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



30

La dotación promedio de agua se estimo en que variaría de 104 I/hab-

día en 1995 a 120 l/hab-día en el año 2012, y la contribución de aguas

residuales al sistema de alcantarillado se estableció en un 78%. De esta

manera, la producción de aguas residuales de origen domésticos al año 1995

fue estimada en 2 760 m3/día y para el año 2012 en 6 350 m3/día (Rojas, 1998).

Tabla Nº 5 Población, cobertura y conexiones de alcantarillado.

Año

Cobertura % Población

Conexiones Total Servida

1995 63 55 328 33 945 6 585

1996 64 55 492 35 425 6 865

1997 65 57 100 36 970 7 155

1998 66 58 758 38 585 7 575

1999 67 60 660 40 400 7 920

2000 68 62 215 42 020 8 230

2001 69 63 895 42 770 8 570

2002 69 65 620 45 590 9 060

2003 70 67 390 47 485 9 430

2004 71 69 210 49 460 9 810

2005 72 71 780 51 520 10 380

2006 74 73 000 53 660 10 805

2007 75 74 970 55 890 11 245

2008 76 76 995 58 215 11 905

2009 77 79 070 60 640 12 390

2010 78 81 210 63 160 12 895

2011 79 83 240 65 660 13 630

2012 80 85 320 68 255 14 160

Caudales comerciales.- La proyección de los caudales comerciales se

dedujeron a partir del consumo promedio de agua por conexión comercial, y que

en el año 1995 era del orden de 44 m3/mes, estableciéndose en 50 m3/mes para

el año 2012. La contribución y cobertura promedio fueron establecidas en el 85%



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



31

respectivamente. La cantidad de aguas residuales producida por las conexiones

comerciales al año 1995 se calculó en 900 m3/día y a partir del año 2012 será de

1680 m3/día.

Caudales industriales.- Los caudales industriales fueron determinados a

partir del consumo promedio de agua facturado por SEDALIB. De esta

manera, la cantidad de aguas residuales comerciales al año 1995 se

estableció en 430 m3/día y para el año 2012 en 660 m3/día (Rojas, 1998).

A partir de los criterios anteriormente indicados, se calculó el

caudal promedio de aguas residuales a ser producidas en las cuencas de

drenaje. Así tenernos:

Tabla Nº6 Población y caudales de diseño.

Parámetro

PTAR Chepén

Población Total

48 380

Población Servida

39 730

Caudal de diseño (m3/d)

5 920

Según el diseño los volúmenes de ingreso a la PTAR Chepén

deberían seguir el siguiente comportamiento:



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



32

Tabla Nº7. Variación de los caudales de ingreso a la PTAR Chepén según diseño.

AÑO

Caudal Promedio

diario (Lps)

M3/día

1999 4 358 3 765,31

2000 4 511 3 897,504

2001 4 666 4 031,4.24

2002 4 820 4 164,4.80

2003 4 975 4 298,400

2004 5 130 4 432,320

2005 5 336 4 610,909

2006 5 543 4 789,411

2007 5 750 4 968,000

2008 5 956 5 146,689

2009 6 163 5 325,178

2010 6 392 5 522,947

2011 6 621 5 720,717

2012 6 850 5 918,400

2012* 8 800 7 603,200

(*) Condiciones extremas.

Variación de la DB0 y carga orgánica de las aguas residuales desde su

inicio hasta el horizonte de su funcionamiento. La evolución de la calidad de

las aguas residuales se realizó a lo largo de cada uno de los colectores

principales que alimentan a la planta de tratamiento de aguas residuales. Con

los resultados se estimó el aporte per-cápita de materia orgánica y se determinó



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



33

la presencia de sustancias químicas que podrían afectar la tratabilidad del agua

residual (Rojas, 1998).

El proyecto definió que la carga orgánica promedio es de 320 mg/L de

DBO y a través de la medición de la calidad de las aguas en las áreas de

drenaje con contribución netamente doméstica, se dedujo que el aporte per

cápita doméstico era de 37 gr/habitante.dia de DBO (Rojas, 1998).

Tabla Nº8.- Variación de la 080 y la carga orgánica a la PTAR Chepén según

diseño.

AÑO

DBO (mgr/l)

Carga Orgánica

(KgrO2/día)

1999 304,40 1 146,161

2000 305,60 1 191,077

2001 306,80 1 2,36,841

2002 308,00 1 282,660

2003 309,20 1 329,065

2004 310,40 1 375,792

2005 311,60 1 436,759

2006 312,80 1 498,128

2007 314,00 1 559,952

2008 315,20 1 622,205

2009 316,40 1 684,886

2010 317,60 1 754,088

2011 318,80 1823,765

2012 320,00 1 893,888

2012* 320.00 2 433,024

(*) Condiciones extremas,



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



34

Variación de la eficiencia del tratamiento de las aguas residuales en la

PTAR Chepén desde el inicio hasta el horizonte según el proyecto. La

variación de la eficiencia del tratamiento de las aguas residuales está

influenciada por el transcurrir de los años y como consecuencia del incremento

gradual de los caudales de ingreso que lleva consigo la disminución de los

tiempos de retención tanto en la laguna aereada como en la facultativa (Rojas,

1998).

La carga orgánica que recibiría la laguna aereada iría desde los 560

Kgrs de 02/día hasta los 1200 Kgr de 02/día, mientras que la carga en la laguna

facultativa iría desde 6,7 Kgr DBO/ha.día hasta 27,6 Kgr de DBO/ha.día (Rojas,

1998).

Así también se estimó que la calidad bacteriológica en coliformes

fecales o termotolerantes de las aguas residuales tratadas, estarían desde

3.1 E+05 NMP/100 ml en el año 1997 hasta 2.8 + E06 NMP/100 mi en el año

2012. (Rojas, 1998).

Tampoco el diseño señala, cual sería la velocidad de acumulación de

metales pesados en los Iodos y si estos serían los causantes para no poder ser

utilizados con fines agrícolas.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



35

Tabla Nº 9.- Variación de la eficiencia de la PTAR Chepén desde el inicio

hasta el horizonte del proyecto, según diseño.

Características Unidades 1997 2002 2007 2012 2012*

Caudal m3/dia 3 499,5 4 168,2 4 966,0 5 916,6 7 605,2

l/s 40,5 48,2 57,5 68,5 88,0

DBO afluente mg/L 302 308 314 320 320

Período de retención

Aereada Días 3,11 2,61 2,19 1,84 1,43

Facultativa Días 8,75 T34 6,16 5,17 4

Carga facultativa KgrDBO/ha-d 67 92 127 173 276

Colifomes fecales

Aereada NMP11OOmi 2,10E+07 2,40E+07 2,70E+07 3,OIE+07 3,60E+07

Facultativa NMP/10Qm1 3,10E+05 5,40E+05 9,00E+05 L,5OE+06 2,80E+06

DBO afluente

Aereada mg/L 29 34 39 45 55

Facultativa mg/L 45 38 32 27 18

Potencia

Neta Hp 36,7 42,8 50,5 58,4 71,5

Bruta Hp 42,2 49,2 58,1 67,1 82,2

Aereadores en Und. 3 4 4 4 6

Operación

(*) Condiciones extremas,

Nota: En este cuadro podemos observar, que el proyecto estimó el número de

aereadores que deberían permanecer encendidos y como se incrementarían con

el transcurso de los años. En este criterio ha radicado el consumo de energía

eléctrica y los costos de tratamiento,



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



36

Como veremos a continuación respecto las consideraciones tomadas

en el diseño de la PTAR Chepén difieren significativamente a las registradas en

la realidad. A continuación se presenta las mediciones reales de carga orgánica,

bacterial, operación de los equipos de aeración, caudal, consumo de energía

eléctrica y los costos que representan en el sistema de tratamiento de aguas

residuales.

Características de Operativas de la PTAR Chepén

Las características operativas que se han registrado en la PTAR

Chepén desde el inicio de operaciones se describen a continuación y se detalla

como se ha comportado el sistema de tratamiento en función a las condiciones

de diseño así tenemos:

Volúmenes de las aguas residuales tratadas en la PTAR Chepén desde el

Inicio de operaciones. El sistema de tratamiento de aguas residuales Chepén

entra en operación el 01 de enero del 1999, mes en el que se inicia el proceso

de puesta en marcha y llenado de las lagunas aereada y facultativa. Los

volúmenes de las aguas residuales tratadas en la PTAR Chepén se Presentan

en la Tabla Nº 10.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



37

Tabla Nº10 Volúmenes de las aguas residuales tratadas en la PTAR

Chepén desde el inicio de operaciones

VOLUMENES DE AGUA RESIDUAL TRATADA EN LA PTAR CHEPEN

1999 2000 2001 2002 AÑO CAUDAL

m3/mes LPS CAUDAL

m3/mes LPS CAUDAL

m3/mes LPS CAUDAL

m3/mes LPS

Enero 73 194 28,2 32 503 12,1 101 666 38,0 125 491 46,9

Febrero 48 234 19,9 43 959 17,5 94 623 39,1 112 850 46,6_

Marzo 75 980 28,4 59 510 22,2 108 396 40,5 122 766 45,8

Abril 80 486 31,1 59 619 23,0 40 841 15,8 119 060 45,9

Mayo 71 438 26,7 61 904 23,1 100 163 37,4 129 639 48,4

Junio 82 276 31,7 75 765 29,2 102 339 39,4 116 019 44,8

Julio 79 538 29,7 79 640 29,7 93 729 35,0 129 321 48,3

Agosto 52 283 19,5 75 657 28,2 121 994 45,5 108 645 40,6

Septiembre 58 668 22,7 41 528 16,0 91 589 35,4 102 030 39,1

Octubre(*) 53 343 19,9 28 559 10,7 106 045 39,6 100 916 37,4

Noviembre 65 937 25,5 61 783 30,4 98 268 37,9 107 020 41,3

Diciembre 31 740 11,9 80 318 30,0 128 549 48,0 111 225 41,5

TOTAL 773 122 246,0 700 749 227,0 1 188 206 376,0 1384 163 439,0

Variación de la DBO de las aguas residuales crudas que ingresan a la

PTAR Chepén desde el inicio de operaciones. La DBO registrada en las

aguas residuales crudas en la PTAR Chepén se presentan en la Tabla Nº 11.

Como podemos observar que la DBO estimada en el proyecto está muy por

debajo de lo registrado en los años de 1 999 y 2 000. El DBO registrado en estos

años están inclusive por encima de la DBO típica de las aguas residuales

domésticas. El aporte de aguas residuales industriales sin ningún tipo de pre-



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



38

tratamiento tienen incidencia directa en la calidad de las aguas residuales que

ingresan a la PTAR Chepén.

Tabla Nº11 Variación de la DB0 de las aguas residuales crudos que

ingresan a la PTAR Chepén desde el inicio de operaciones

Variación de la DB0 en el afluente de la PTAR Chepén

1999 2000 2001 2002

Enero * 405 423 265

Febrero * 588 302 346

Mano * 574 323 291

Abril * 337 310 293

Mayo * 308 307 298

Junio * 441 239 264

Julio * 367 379 315

Agosto * 558 303 404

Septiembre * 413 216 359

Octubre 488 480 377 297

Noviembre 497 384 356 353

Diciembre 620 350 257 392

Promedio 535 434 316 323

(*) No se realizaron mediciones Variación M consumo de energía eléctrica en la PTAR Chepén desde el

inicio de operaciones. El proceso de tratamiento de las aguas residuales se

rige en función al sistema de aereación que se encuentra equipado por 4

aereadores de 10 Hp cada uno.

La PTAR Chepén requiere por lo menos 500 000 Kw-H al año para

operar según las condiciones actuales.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



39

Tabla Nº12 Variación del consumo de energia eléctrica en la PTAR Chepén

desde el inicio de operaciones

CONSUMO DE ENERGIA EN LA PTAR CHEPEN

AÑO 1999

ENERGIA

CONSUMIDA

( K-11 )

2000

ENERGIA

CONSUMIDA

( KW-H )

2001

ENERGIA

CONSUMIDA

( Kw-H )

2002

ENERGIA

CONSUMIDA

( KW-H )

Enero 51 781 27 105 55 098 46 807

Febrero 51 260 25 927 54 545 44 247

Marzo 75 316 45 585 61 948 45 978

Abril 47 752 45 898 31 301 40 501

Mayo 49 461 50 501 53 774 46 565

Junio 50 974 48 698 52 821 45 548

Julio 47 752 51 621 56 327 44 807

Agosto 42 071 44 828 58 981 46 588

Septiembre 40 696 45 083 57 810 31 949

Octubre 43 694 45 672 51 244 37 592

Noviembre 53 039 47 083 43 236 41 134

Diciembre 37 556 54 116 45 847 42 508

TOTAL 591 273 532 121 622 986 514 229

Variación M costo de energía eléctrica en la PTAR Chepén desde el inicio

de operaciones. Uno de los problemas operativos que afronta la PTAR Chepén

y directamente SEDALIB S.A es el elevado costo de la energía eléctrica,

Anualmente la facturación asciende cerca de cien mil de nuevos soles los cuales

deben de ser cancelados puntualmente a la empresa Hidrandina. Estos costos



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



40

en la actualidad no han sido recargados en la factura del servicio de aguas y

alcantarillado a la Población de Chepén.

Tabla Nº13 Costo de energía facturada en la PTAR Chepén

AÑO 1999 ENERGIA

FACTURADA (S/.)

2000 ENERGIA

FACTURADA (S/.)

2001 ENERGIA

FACTURADA (S/.)

2002 ENERGIA

FACTURADA (S/.)

Enero 5 951 6 591 10 170 9 097

Febrero 7 502 6 464 10 179 8 740

Marzo 8 944 8 771 11 727 8 662

Abril 7 283 8 885 7 445 7 754

Mayo 8 017 9 167 10 714 8 654

Junio 8 320 8 917 10 676 9 073

Julio 8 152 9 285 11 336 8 791

Agosto 7 747 8 976 11 958 9 344

Septiembre 8 249 8 927 11 268 7 522

Octubre (*) 8 717 9 106 10 273 8 291

Noviembre 9 347 9 119 8 815 8 707

Diciembre 7 894 10 029 9 196 8 823

TOTAL 96 128 104 242 123 762 103 460



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



41

II. MATERIAL Y METODOS

2.1. MATERIALES

2.1.1 Ubicación del área de estudio.

El distrito de Chepén, se encuentra ubicada en el Departamento de la

Libertad, a 100 m.s.n.m; a 230 Km al norte de la Ciudad de Trujillo.

La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales se encuentra ubicada en

el sector denominado Lurifico.

2.1.2 Lodo flotante de las lagunas facultativas.

Formación de lodo flotante.

El lodo flotante de la laguna facultativa se forma debido a la

presencia de sustancias de menor densidad y poca solubilidad que el agua

residual como son los aceites, grasas, plásticos, fibras, corchos, etc y que

permanecen en la superficie del agua, acumulándose en las esquinas

debido a la acción del viento y al oleaje permanente en las lagunas.

Estos Iodos flotantes se incrementan considerablemente cuando

la laguna facultativa recibe cargas orgánicas superiores a la que fue

diseñada, originando que la producción de gas en la parte inferior de la

laguna se incremente con un desequilibrio entre el gas producido y el gas

estabilizado. Este gas producido al no ser controlado, emerge a la

superficie arrastrando consigo el lodo sedimentado de tal forma que

permanece en la superficie de la laguna sumándose con el resto del

material flotante.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



42

Se tiene medido que aproximadamente en la laguna facultativa

diariamente se acumula un volumen de 1,8 metros cúbicos de lodo flotante

en condiciones normales de operación pero, cuando la laguna se

sobrecarga, la producción de lodo flotante ha llegado a cubrir hasta el 60%

de la superficie de total de la laguna. Esta acumulación de lodo genera la

presencia de vectores como moscas, zancudos, larvas, etc y la presencia

de malos olores.

2.1.3 Materiales para muestreos de lodo flotante

Para realizar el muestreo de los Iodos flotantes en la laguna facultativa

de la se utilizaron los siguientes materiales:

1. Recolector de muestra.

2. Un bidón de pvc con tapa ancha.

3. Un balde plástico graduado de 20 litros.

4. Una pizeta con agua destilada.

5. 10 pares de guante de jebe.

6. 01 balde cerrado con agua potable.

7. 01 varilla de vidrio de 80 cm. de longitud.

8. Trapo industrial.

9. 12 mascarillas descartables.

2.1.4 Equipos para muestreos de lodo flotante.

Para realizar el muestreo de los Iodos flotantes en la laguna facultativa

se utilizaron los siguientes equipos:

1. 01 pHimetro.

2. 01 conductímetro.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



43

3. 01 termómetro.

4. 01 oxímetro.

2.1.5 Materiales utilizados para construir el birreactor

Los materiales utilizados para la construcción del birreactor para la

digestión anaerobia de los Iodos flotantes fueron los siguientes:

1. 01 Botella de 3 Litros de plástico transparente.

2. 01 Tapa de botella de bronce

3. 01 Unión de 1/8" rosca exterior galvanizada.

4. 02 Bushing de ½ a 1/8” galvanizada.

5. 04 Uniones de W rosca exterior galvanizada.

6. 02 Llaves de paso de 1/2" galvanizada.

7. 01 T de 1/2" de fierro.

8. 01 Empaquetadura de jebe.

9. 01 Manómetro de 0 a 11 bares.

10. 02 Llaves Stilson

11. 02 Llaves Picopato

2.1.6 Accesorios para construir el sistema al vacío:

Los accesorios utilizados para la construcción de¡ sistema al vacío

fueron los siguientes:

1. 02 Uniones universales de 1/2" galvanizadas.

2. 02 Empaquetaduras de jebe.

3. 05 Uniones de ½” rosca exterior de fierro.

4. 01 T de ½” galvanizada.

5. 01 Llave de paso de ½” galvanizada

6. 01 Bomba de vacío



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



44

2.2. METODOS

2.2.1 Diseño y construcción del birreactor piloto.

El birreactor se diseñó de acuerdo a las exigencias operativas

propuestas. El birreactor consistió en un tanque de 3 Litros de capacidad, de

plástico transparente, herméticamente cerrado, con un sistema de medición de

presión, evacuación de lodo y toma de muestras así como un sistema de

recolección de gas acumulado para su caracterización. Todo el birreactor debe

estar cubierto de tal forma que se impida el ingreso de luz solar.

Los materiales utilizados fueron una botella de plástico de 3 litros de

capacidad con una tapa de bronce y un niple de 1/8". Se acondicionó una llave

de bola de 1/2" y una T de similar diámetro en donde se colocó un manómetro

calibrado de 0 a 11 bares. A continuación se adaptó una llave de bola de 1/2 u

con reducción a 1/16.

2.2.2 Procedimiento para el muestreo de lodo flotante

Para iniciar los trabajos de muestreo de los Iodos flotantes de la laguna

facultativa de la Planta de Tratamiento, se dejó que los Iodos flotantes se

acumulen por el período de 60 días de tal forma que en el momento del

muestreo existía abundante lodo en la laguna con diferentes períodos de

almacenamiento y zonas en donde el lodo presentaba diferente espesor y

humedad.

Luego se procedió a la selección y ubicación de los puntos de

muestreo. Se ubicaron 10 puntos de muestreo a diferentes distancias y

profundidades, se recolecto 2 litros de lodo por punto de muestreo, obteniendo

una muestra compuesta total de 80 litros de lodo flotante.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



45

La muestra final se agitó manualmente durante 10 minutos con el

objetivo de homogenizar su contenido, luego se extrajo 3,5 litros de lodo: 02

litros fueron destinados para los análisis fisicoquímicos y microbiológicos y 1,5

litros para alimentar al birreactor.

2.2.3 Alimentación del birreactor.

Una vez recolectada y homogenizada la muestra, se procede a llenada

botella de 3 litros con 1,5 litros M lodo recolectado. Luego se colocan el sistema

de recolección de biogás para que en este momento sirva de extractor de aire

que contiene la botella. Una vez armado el equipo se tiene preparada la bomba

de vacío la misma que irá conectada a la tubería de recolección. Hechos los

ajustes necesarios se procede a encender la bomba y se extrae todo el aire que

tiene la botella. En este procedimiento debemos tener cuidado que el lodo

contenido en la botella no se pierda ni valla hacer absorbido por la bomba de

vacío.

En el momento del retiro del aire observaremos que la botella empieza a

comprimirse, en este momento debemos cerrar la tubería para mantener el

sistema en condiciones completamente anaerobias.

Si observamos detenidamente el birreactor veremos que la producción

de biogás es inmediata y a los pocos días el manómetro empieza a desplazarse.

2.2.4 Caracterización de lodo crudo flotante.

Para la caracterización del lodo crudo flotante se utiliza el resto de la

muestra que se utilizó para cargar el birreactor y para ello se ejecutaron una



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



46

serie de análisis fisicoquímicos y bacteriológicos que se detallan en la tabla N01.

Entre las principales características podemos mencionar las siguientes: El lodo

crudo flotante tienen una elevada carga orgánica que se refleja en su demanda

bioquímica de oxígeno con 10 560,25 mgr/L , demanda química de oxígeno con

75490,18 mgr/L, sólidos suspendidos volátiles con 153 890 mg/L, aceites y

grasas con 1780 mg/Kg.

Los resultados microbiológicos son los siguientes: Coliformes

Termotolerantes 5,0 x 107 NMP/100ml y coliformes totales 9,0xl08 NMP/100 ml.

2.2.5 Sistema de recolección de biogás.

El sistema de recolección de gas consistió en una tubería de 1/2" unida

en los extremos de llaves universales y en el centro una T de 1/2 con una llave

de bola en su extremo final. Para realizar la recolección se requirió de una

bomba de vació así como una botella de 1 ½ totalmente vacía y limpia

conectada en la parte final de la tubería de recolección en forma similar al

birreactor.

Una vez colocada la botella de 1 ½ y ya sin aire, se procede abrir las

llaves de la tubería de recolección y se procede a recolectar el biogás

acumulado dentro del birreactor,

2.2.6 Quemado de biogás para demostrar la presencia de metano.

Una vez puesto el digestor en condiciones totalmente anaerobias, se

procede a controlar la presión día a día, Al cabo de 10 días la presión alcanza 02

bares, la botella comienza a expandirse y está lista para realizar la prueba de la

existencia de metano mediante el quemado del biogás.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



47

Con el manejo de las llaves, en la misma línea de recolección de

biogás, se procede a evacuar cierta cantidad que queda atrapada entre llave y

llave. Luego se enciende un fósforo y es colocado cerca de la boquilla de

evacuación, posteriormente se abre la llave muy lentamente e inmediatamente

se puede apreciar como el biogás combustiona observándose una llama azul

persistente.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



48

III. RESULTADOS

En la tabla Nº5 se presentan los resultados de la caracterización de los

lodos crudos flotantes de la laguna facultativa de la Planta de Tratamiento -de

Aguas Residuales de la Ciudad de Chepén en donde también se indican las

características operativas del sistema en el momento de la toma de muestras.

En la tabla Nº6 se encuentran los resultados de la caracterización del

lodo digerido por un período de 45 días. Así mismo están las mediciones de

presión, temperatura y pH a las que se encontraba el birreactor antes de realizar

los análisis finales.

En la tabla Nº7 se muestran los datos experimentales medidos en el

birreactor en función al tiempo de digestión. Podemos mencionar que el volumen

total acumulado de biogás fue de 12,08 litros a 1 atmósfera de presión con un

contenido aproximado de 10,73 litros de metano acumulado.

En tabla Nº7 se detallan los resultados en porcentajes de la remoción

de la carga orgánica y bacteriológica. Obteniendo una remoción en Sólidos

Totales Volátiles, DBO, DQO, Aceites y grasas y Coliformes termotolerantes de

59,76%, 87,63%, 95,86%, 46,24 y 99,996% respectivamente.

Luego se presentan las gráficas donde se observa las variaciones de

D1305, Sólidos Suspendidos Volátiles y la producción de biogás en función al

tiempo transcurrido de digestión.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



49

Tabla Nº 14: Caracterización de los Iodos flotantes de la laguna facultativa de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Chepen

Fecha 05 Julio del 2006

Parámetro Unidad Cantidad

Sólidos Totales. mg/L 532 000,00

Sólidos Totales Volátiles mg/L 306 890,00

Sólidos Totales Fijos mg/L 225 110,00

Sólidos Disueltos Totales. mg/L 361 443,00

Sólidos Disueltos Volátiles. mg/L 153 000,00

Sólidos Disueltos Fijos mg/L 208 443,00

Sólidos Suspendidos Totales. mg/L 170 557,00

Sólidos Suspendid0s Volátiles. mg/L 153 890,00

Sólidos Suspendidos Fijos. mg/L 16 667,00

Temperatura OC 23,50

pH. 7,40

Conductividad. mS/cm2 1 508,00

Salinidad % 0,06

Humedad. % 90,83

Demanda Bioquímica de Oxígeno. mg/L 10 560,25

Demanda Química de Oxígeno. mg/L 75 490,18

Aceites y grasas mg/kg 1 780,00

Densidad Kgr/L 1,01

Fósforo (P205) % sms 2,80

Nitrógeno mg/L 5,70

Fierro mg/L 0,45

Sulfatos rng/L 125,26

Calcio mg/L 5,02

Magnesio mg/L 14,22

Coliformes Termotolerantes NMP/100ml 5, 0*107

Coliformes Totales NMP/100ml 9,0*108



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



50

Tabla Nº 15. Caracterización de/ todo digerido de la laguna facultativa de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Chepen.

Condiciones de Operación del digestor

Presión (bares) 7,2

Temperatura ( ºC) 22,1

pH 7,1

Parámetro Unidad Cantidad

Sólidos Totales. mg/L 190 540,00

Sólidos Totales Volátiles mg/L 123 500,00

Sólidos Totales Fijos mg/L 67 040,00

Sólidos Disueltos Totales. mg/L 125 540,00

Sólidos Disueltos Volátiles. mg/L 63 500,00

Sólidos Disueltos Fijos mg/L 62 040,00

Sólidos Suspendidos Totales. mg/L 65 000,00

Sólidos Suspendidos Volátiles. mg/L 60 000,00

Sólidos Suspendidos Fijos. mg/L 5 000,00

Temperatura ºC 20,50

pH. 7,20

Conductividad. mS/cm2 1 508,00

3alínidad % 0,08

Humedad. % 84,50

Demanda Bioquímica de Oxígeno. mg/L 1 306,00

Demanda Química de Oxígeno. mg/L 3 125,00

Aceites y grasas mglkg 957,00

Densidad Kgr/L 1,01

Fósforo (P205) % sms 2,40

Nitrógeno mg/L 1 275,12

Fierro mg/L 0,30

Sulfatos mg/L 38,40

Calcio mg!L 4,01

Magnesio mg/L 13,44

Coliformes Termotolerantes NIAP/100mi 2,0*103

Coliformes Totales NIMP/100mi 4,0*104



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



51

Tabla Nº 16. Datos experimentales medidos en el biorreactor

Tiempo

dias

Presión

bar

Temperatura

ºC

pH

DBO mg/L

Sólidos volátiles totales mg/L

Volumen Biogás a 1 atm en

L

% de

Metano

Volumen de

Metano L

0 0 23,5 74 10 560,25 306 890,00 0,00 0 0,00

1 0 22,4 7,3 0,00

2 0 21,5 7,3 0,00

3 0,1 22,1 7,2 0,17

4 0,2 23,1 7,3 0,34

5 0,4 22,5 7,2 8 320,14 250 432,12 0,67 82,3 0,55

6 0,8 20,1 7,1 1,34

7 1,1 21,5 7,2 1,85

8 1,5 22,1 7,2 2,52

9 1,7 20,1 7,2 2,85

10 2 19,8 7,1 6 415,12 220 987,56 3,36 83,2 2,79

11 2,3 20,2 7,3 3,86

12 2,5 21,2 7,2 4,19

13 2,8 21,3 7,1 4,70

14 3,1 21,2 7,2 5,20

15 3,3 22,1 7,4 4 318,41 205 659,57 5,54 80,2 4,44

16 3,6 20,1 7,2 6,04

17 3,8 20,3 7,1 6,38

18 4,5 19,2 7,3 7,55

19 5,2 19,1 7,2 8,72

20 5,7 20,2 7,3 3 223,12 175 530,24 9,56 82,3 7,87

21 5,8 21,1 7,4 9,73

22 5,9 21,2 7,4 9,90

23 5,9 20,1 7,4 9,90

24 5,9 20,1 7,2 9,90

25 6 21,2 7,3 2 854,56 154 375,56 10,07 84,3 8,49

26 6,1 22,4 7,2 10,23

27 6,1 22,1 7,2 10,23

28 6,1 22,6 7,3 10,23

29 6,2 21,4 7,4 10,40

30 6,2 21,8 7,1 2 298,45 143 275,33 10,40 83,3 8,66

31 6,2 22,3 7,1 10,40

32 6,3 21,5 7,2 10,57

33 6,3 21,4 7,3 10,57

34 6,3 23,2 7,2 10,57

35 6,4 22,1 7,1 1 783,45 133 185,21 10,74 84,5 9,07

36 6,5 21,2 7,2 10,91

37 6,5 21,2 7,1 10,91

38 6,6 21,4 7,2 11,07

39 6,7 21,5 7,1 11,24

40 6,8 21,1 7,3 1 524,78 128 584,35 11,41 87,2 9,95

41 6,8 22,1 7,1 11,41

42 6,9 21,3 7,2 11,58

43 7,1 22,1 7,4 11,91

44 7,1 22,5 7,4 11,91

45 7,2 22,1 7,1 1 306,00 123 500,00 12,08 88,8 10,73



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



52

Tabla Nº17: Biogás producido en función a la carga orgánica removida en el bíoreactor

Días DBO(mg/L)

SVT(mg/L)

Biogás(ml)

DBO(mg/L) Removido

tramos

SVT(mg/L) Removido

tramos

Biogás(ml) prodúcido

tramos

Biogás(ml)/ DBO(mg/L) Removido

tramos

Biogás(ml)/ SVT(mg/L) removido tramos

0 10 560,25 153 890 00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

5 8 320,14 118 234,12 671,11 2 240,11 35 655,88 671,11 0,30 0,02

10 6 415,12 91 162,66 3 355,53 1 905,02 27 071,46 2 684,42 1,41 0,10

15 4 318,41 71 256,23 5 536,62 2 096,71 19 906,43 2 181,09 1,04 0,11

20 3 223,12 65 236,00 9 563,25 1 095,29 6 020,23 4 026,63 3,68 0,67

25 2 854,56 64 589,00 10 066,58 368,56 647,00 503,33 1,37 0,78

30 2 298,45 63 598,47 10 402,14 556,11 990,53 335,55 0,60 0,34

35 1 783,45 62 658,59 10 737,69 515,00 939,88 335,55 0,65 0,36

40 1 524,78 61 256,98 11 408,80 258,67 1 401,61 671,11 2,59 0,48

45 1 306,00 60 000,00 12 079,90 218,78 1 256,98 671,11 3,07 0,53

Fuente: Datos del investigador


Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



53

Tabla Nº18 Remoción de la carga orgánica y bacteria1 en el bíoreactor.

Parárnetro Unidades Inicial Final % Removido

SVT mg/L 306 890,00 123 500,00 59,76

D130 mg/L 10 560,25 1 306,00 87,63

DQO mg/L 75 490,18 3 125,00 95,86

Aceites y grasas mg/Kg 1 780,00 957,00 46,24

Coliformes NMP/100ml 5,00E+07 2,00E+03 99,96

Termotolerantes

Fuente: Datos del investigador



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



54

Gráfico Nº1

Reducción de la DBO en función del tiempo en la digestión de los lodos

0 5 10 15 20 25 30 35 40 451000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

Tiempo: dias

DB

O:

mg/L

DBO



eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



55

Gráfico Nº2

Reducción de los sólidos volátiles en función del tiempo

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6x 10

5

Tiempo: dias

ST

V:

mg/L

STV



eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



56

Gráfico Nº3

Variación de los Sólidos Volátiles Totales en función del tiempo

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Tiempo: dias

BIO

GA

S:

L

BIOGAS



eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



57

Gráfico Nº4

Gráfico comparativo entre el biogás producido y su contenido de metano

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

2

4

6

8

10

12

14

Tiempo: dias

Volu

men p

roducid

o:

L

BIOGAS

METANO



eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



58

Gráfico Nº5

Variación de la presión con la producción del biogás con el tiempo

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

2

4

6

8

10

12

14

Tiempo: dias

BIOGAS

PRESION



eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



59

IV. DISCUSION

Según los resultados obtenidos, encontramos que los Iodos flotantes de

la laguna facultativa de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de la

ciudad de Chepen tienen elevada carga orgánica puesto de manifiesto en su

DBO que alcanza 10 560,25 mg/L, una DQO de 75, 490,18 mg/L, Sólidos

Volátiles Totales en 306 890 mg/L y una importante concentración de aceites y

grasas en 1 780 mg/Kg de lodo.

Estos resultados nos muestran que si los Iodos son colocados en

condiciones anaeróbias como en nuestro birreactor, se crean las condiciones

ideales para la acción de las bacterias que degradan la materia orgánica y la

convierten en biogás.

Los resultados de los análisis ejecutados a las muestras de biogás

arrojan concentraciones de metano en el orden del 84,5%, siendo el restante

C02 con de trazas de H2 y H2S.

Según como puede apreciarse en tabla Nº 17, la velocidad de remoción

de la DBO decae partir del día 20 en un 66%, la velocidad de remoción de los

sólidos volátiles totales decae a partir del día 25 en un 89,2%. Este decaimiento

se debe a que las condiciones del entorno dentro del birreactor han variado

como la presión, que se mantiene sobre los 6 bares y el desequilibrio entre los

microorganismos que regulan el proceso biológico.

En la tabla Nº 17 muestra que la velocidad de la producción de biogás

decrece apreciablemente a partir del día 25 en un 87,5 como consecuencia de la



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



60

disminución de la velocidad de remoción de la DBO y los SVT que tiene

incidencia directa en la producción de biogás.

En la tabla Nº 17 observamos que la producción de biogás alcanza un

orden de 3,68 ml por cada parte por millón de DB0 removido, esto ocurre hasta

el día 25 pero luego de cae a 0,60 ml en el día 30. Lo mismo podemos decir que

la producción del biogás esta en el orden de 0,78 ml de biogás por parte por

millón de sólidos volátiles totales removidos en el día 25, pero luego decae hasta

0,34 por el día 30. Estos resultados confirman que hay una directa relación entre

la remoción de DBO y sólidos volátiles totales con la producción de biogás.

En los 45 días de digestión se ha logrado una producción de 12 079

litros de biogás (10,73 litros de CH4) utilizando 1,5 Kgrs de lodo flotante como

materia prima. En los 45 días se ha logrado remover 87,63% de DB0, 95,86% de

DQO, 59,76% de sólidos volátiles totales, 46,24% de aceites de grasas y 99,9 %

de coliformes termotolerantes. Con estos resultados podemos observar que la

digestión anaeróbia aparte de producir el biogás en un método muy efectivo para

remover la carga orgánica de los Iodos flotante minimizando el poder

contaminante que contiene que incluso puede ser utilizado como fertilizante.

Una forma indirecta de detectar la generación de biogás es mediante la

variación de la presión interna del bioreactor, como se muestra en la gráfica Nº

5. Al final del período de digestión la presión se incrementó hasta 7,2 bares.

Gracias a esta recolección puede ejecutarse la prueba de quemado del biogás

para comprobar la existencia de metano en su composición.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



61

V. CONCLUSIONES

Del presente estudio se concluye:

1. Los Iodos flotantes de las lagunas facultativas de la Planta de Tratamiento de

Aguas Residuales de Chepen contienen elevada concentración de materia

orgánica biodegradable (D130 10,560.25 mg/L) que puede ser aprovechada

para la producción de biogás.

2. La digestión anaeróbia de los Iodos permite la transformación de la materia

orgánica en biogás, con una concentración de metano en 84.5%, potencial

energético necesario para su aprovechamiento en el proceso de tratamiento de

las aguas residuales.

3. La producción de biogás debe desarrollarse en un birreactor que se encuentre

en condiciones anóxicas, libre de oxígeno para que las bacterias transformen la

materia orgánica en biogás y pueda ser recolectado y/o almacenado para su

aprovechamiento.

4. El residuo final de la digestión, por sus características fisicoquírnicas y

microbiológicas pueden ser utilizados como fertilizante.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



62

VI. RECOMENDACIONES

Del presente estudio se recomienda:

1. Profundizar el estudio acerca del aprovechamiento de biogás generado

por la digestión anaerobia de los Iodos a escala industrial de tal manera

que permita la sustitución del consumo de energía eléctrica en la Planta

de Tratamiento de Aguas Residuales de Chepen.

2. Realizar un estudio acerca de la gestión integral de los Iodos generados

en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Chepen desde su

formación, aprovechamiento y/o comercialización que genere los

recursos económicos necesarios que convierta el tratamiento de las

aguas residuales en una gestión sostenible.

3. Realizar los análisis de biogás en un cromatógrafo de gases que permita

determinar con mayor precisión la concentración de metano en el biogás

generado.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



63

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1. An, B.X., Man, N.V., Khang, D.N., Anh, N.D. y Preston, T.R. (1994)

Installation and performance of low cost polythylene tube biodigesters on

small scale farms in Vietnam. Proceedings of the National Seminarworshop

in sustainable Livestock Produccion on local Feed Resource, Agricultura¡

Publishing House. Ho Chi Minh.

2. Anderson, G.K., Donnelly, T. y McKeown K.J. (1982). Process biochem,

methods of analysis of the association of oficial analytical chemist,

Washington, DC.

3. Carbalial, J. M.(1998). Proyecto PNUD/FA0 CUBA estudio económico Cuba.

4. Cullimore, E.M. y Gieret, F.T.(1985). Biogas, Weilingor. Paris.

5. Dohrie, E. (1998). Biogas for motors and engines, evaluation of ecological

Benefits. Biogas Forum.

6. Gunnerson, C.G. y Stuckey, D.C.(1986). Anaerobic digestion- principes and

practices for biogas sistems. The world Banck Technical Paper. Washington

D.C. U.S.A.

7. Hernández, M.A. (1998). Depuración de aguas residuales. Servicio de

publicaciones de la escuela de ingenieros de caminos de Madrid, Paraninfo,

S.A. Madrid. España.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



64

8. Hesse,P.R. (1983). Project field document NO23. Storage and Transport of

Biogás.

9. Metcalf & Hedí. (1995). Ingeniería de Aguas Residuales, segunda edición.,

McGraw-Hili. España.

10. Ke1iner, C. S., Lurry, M. L. (1990). The difficult advantage. Biogas Forum.

U.S.A.

11. Loher, R.C. (1974). Agricultura waster management. Academy Press Inc.

London. England.

12. Marchain, U. (1992). Biogas processes for sustainable Development. Bufl.

FAO Agric. Services. Rome. Italy.

13. Rojas, R. (1998). Servicios de consultoría para el mejoramiento de los

sistemas de agua potable y alcantarillado de la ciudad de Trujillo. SEDALIB

S.A. Trujillo.Perú.

14. Sasse, L. (1986). Use of digested sluny from biogas plants. Biogas Forum

U.S.A.

15. Schmid, L.A. y Lipper, R.Z. (1969) Swine wastes, characterization and

anaerobic digestion. Proc. conf. on agric. wastes Mgt, Comell Univ. N.Y.

U.S.A.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica



65

16. Silva, Vinasco.(2002). Curso Internacional Gestión de Tratamiento de Aguas

Residuales. Universidad del valle, Facultad de ingeniería, Escuela de

Ingeniería de recursos Naturales y el ambiemte. Lima. Perú.

17. Sosa, R., Chao, H y Del Río, J. (2001). Aspectos bioquímicos y tecnológicos

del tratamiento de residuales agrícolas con producción de biogás. Instituto de

Investigación Porcinas. Punta Brava 19200, C. de la Habana, Cuba.



Bibliot

eca d

e Ing

enier

ía Quím

ica

universidad nacional de trujillo facultad ingeniería

Documents