148.206.53.84148.206.53.84/tesiuami/UAM1135.pdf · alimentarias y de la cerveza constituye un...

Gasa A%\ abierta al tiempo

Universidad Autónoma Metropolitana - Iztapalapa

DIVIYIÓN DE: CENCIAY BÁYICAY € ING€NI€RíA CBI D€PARTAM€NTO D€ ING€NI€RíA D€ PROC€YOY € HIDRÁULICA

LIC€NCIATURA D€ ING€NI€RiA QUíMICA ÁR€A D€ CONC€NTRACIÓN D€YARROLLO V DIEÑO DE: PROC€YOY

PROYECTO TERMINAL

ERNESTINA C A S T R O MEDRAN0 9331 8786 PATRICIA LOPEZ CUEVAS 92321 41 6

ASESOR DR. RICHARD S. RUiZ MARTiNEZ

'Tratamiento de Agua Residual Industrial

1. INDICE

I .JUSTIFICACI~N 1

2.OBJETlVOS 3

3.1NTRODUCCIÓN 4

4.GENERALlDADES

4.1 Clasificación de los métodos de tratamiento

4.2 Plantas de tratamiento

4.3 Tratamiento biológico

4.3.1 Tipos de tratamiento

4.3.2 Ventajas y desventajas de tratamiento aerobio y anaerobio

4.4 Reactores biológicos

4.5 Digestión anaerobia

4.5.1 Digestión anaerobia en aguas residuales

4.6 Reactores de lecho fluidizado

4.6.1 Antecedentes

4.6.2 Hidrodinámica de reactores de lecho fluidizado

4.6.3 Arranque y operación de lechos fluidizados

4.6.4 Ventajas y desventajas de lechos fluidizados

4.7 Generación y tratamiento de los Iodos

4.7.1 Clasificación y composición

4.7.2 Origen y cantidad de Iodos generados

4.7.3 Características fisicoquímicas de los Iodos

4.7.4 Tratamiento de Iodos

4.8 Generación y tratamiento de biogas

4.8.1 Características del biogas

4.8.2 Purificación de gas

6

6

6

8

10

11

11

14

14

17

17

18

19

21

23

23

23

24

25

31

32

32

I'ratanliento de Agua Residual Industrial

5.ESTUDIO DE MERCADO

5.1. Balance nacional de agua

5.2. Balance en el sector industrial.

34 34

34

6. ANTECEDENTES DE LA COOPERATIVA PASCUAL 36

7. LOCALIZACIóN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES

8. CAPACIDAD DE LA PLANTA

9. DETERMINACIóN DE PARÁMETROS DE CALIDAD

9.1 Principales parámetros para caracterizar un efluente.

I O . PUNTO DE CONSUMO

11. DIAGRAMA DE TRATAMIENTO

11. I Análisis funcional

12. MATERIALES Y MÉTODOS

12.1 Inóculos.

12.2 Soporte

12.3 Reactor tubular

12.4 Análisis hidrodinámico

12.5 Arranque y estabilidad.

12.6 Análisis fisicoquímico y biológico

13. RESULTADOS EXPERIMENTALES

13.1. Hidrodinámica

13.2 pH

13.3 DBO, DQO, Biomasa y Biogas producido.

38

40

42

43

44

48

49

50

50

50

51

52

52

53

54

54 55

56

Tratamiento de Agua Residual Industrial

13.4 Cinética de degradación de materia orgánica

13.5. Resultados Generales

14. DIMESIONES DE EQUIPO Y ACCESORIOS

I 5. EVALUACI~N ECON~MICA

15.1 Inversión

15.2 Producción

15.3 Recuperación

11. CONCLUSIONES

Ill BIBLIOGRAFíA

VI. APÉNDICES

APÉNDICE A

A. 1. Determinación de parámetros fisicoquímicos.

A. 1. I .Sólidos totales, fijos y volátiles.

A. 1.2. Ph

A.1.3.Demanda Química de Oxígeno.

A. 1.4. Demanda Bioquímica de Oxígeno

A. 1.4. Tiempo de retención hidráulico (TRH)

A. 1 S . Cuantificación de biogas

APENDICE B

B. 1 Diámetro para tuberías

B.2 Calculo del área del reactor

B.3 Calculo de la razón de recirculación

B4 Calculo del volumen del reactor

B5 Dimensiones de tanques atmosféricos

57

57

58

59

59

59

60

61

62

66

66

66

66

66

66

67

68

69

71

71

72

72

73

73

APÉNDICE c 74

_.

Tratamiento de A s ~ a Residual Industti&

I. JUSTIFIICACI~N

El aumento en el conocimiento de los efectos acumulativos de la contaminación ha

llevado a una considerable preocupación general y a una legislación cada vez más

estricta en lo que concierne a la descarga de residuos industriales, líquidos y

gaseosos.

Se debe pagar por el tratamiento residual, y parece presentar, a corto plazo, un

costo adicional importuno e improductivo que hace pensar que el tratamiento de

aguas residuales es -literalmente- dinero que se tira por el desagüe.

Ciertamente, la industria química es fundamental para la economía de cualquier

país y un costo adicional se refleja en el precio de, virtualmente, todo producto

manufacturado.

Finalmente el consumidor es quien paga. Además, la industria química es

altamente competitiva, nacional e internacionalmente, y los costos adicionales

impuestos por la legislación o la opinión pública, realmente afectan la viabilidad de

una planta industrial o la capacidad de atraer nuevas industrias a un área donde

se necesita urgentemente el desarrollo industrial.

Los productos residuales tienen que ser descargados, y disponer de los residuos

acuosos significa por lo general descargarlos en algún tipo de corriente de agua,

como un río, canal, estuario o en el mar. Cuando las aguas residuales

descargadas no han sido del todo tratadas, 6 sino, de forma insuficiente, el

resultado será la contaminación de la corriente de agua.

La prevención de la contaminación de las corrientes de agua tiene obviamente un

valor estético, pero tiene también sólidas razones económicas.

El agua es una materia prima esencial para numerosos procesos industriales y

constituye por consiguiente un vital recurso natural.

1

Tratamiento de ,491a Residual Industrial

En la industria química se usa el agua como solvente, reactivo, medio de reacción,

medio de transporte y medio de transferencia de calor; en las industrias

alimentarias y de la cerveza constituye un elemento importante de muchos

productos. El dimensionamiento y expansión futuros de las operaciones

industriales, y por tanto de nuestro nivel de vida, depende en una gran parte de

que se mantengan los suministro existentes en una condición libre de

contaminación.

La enorme cantidad de agua que demanda la industria está demostrada por los

requerimientos de agua de algunos procesos químicos clave.

El lavado de la planta y de los recipientes utiliza cantidades considerables de agua

de alta pureza, especialmente en el procesamiento de los alimentos y en las

industrias biológicas. El uso excesivo y descuidado del agua de lavado no solo representa un innecesario costo material, sino también un volumen adicional que

pasa al sistema de tratamiento residual.

2

Tratamiento de Arrua Residual Industrial

2.0BJETIVOS

Objetivo general

+% Análisis, evaluación y diseño de una planta de tratamiento para efluentes de

la industria refresquera

Objetivos particulares

Determinación de la capacidad cautiva de la planta de tratamiento.

Localización geográfica de la planta de tratamiento.

Diseño del proceso de tratamiento.

Experimentación relacionada con la operación de un reactor biológico a nivel

planta piloto.

Descripción de la cinética empleada.

Dimensionamiento de equipo.

Evaluación económica del proyecto.

3

3. INTRODUCCI~N

El agua en nuestro país al igual que en todo el mundo, tiene un gran valor debido a

la estrecha relación que guarda con los procesos y con el desarrollo de cualquier

actividad humana. Su adecuado aprovechamiento es condición básica para

superar los desafíos del presente y preservar las posibilidades del futuro.

Debido a su capacidad de disolver numerosas sustancias en grandes cantidades,

el agua pura casi no existe en la naturaleza. Pero además, cuando se le incorpora

al agua materias extrañas, como microorganismos, productos químicos, residuos

industriales y de otros tipos, recibe el nombre de aguas residuales y tienen un

origen doméstico, industrial, subterráneo y meteorológico. El origen, composición y

cantidad de los desechos están relacionados con los hábitos de vida vigentes.

El desarrollo industrial que surgió después de la segunda guerra mundial, generó

una diversidad de residuos industriales que era necesario tratar para recuperar

subproductos y disminuir la contaminación del agua, esto propicio el desarrollo de

los procesos fisicoquímicos y biológicos.

Cualquier sistema de tratamiento de aguas residuales (STAR), requiere de un

tratamiento preliminar, y a veces, de tratamiento primario.

En el tratamiento preliminar o también llamado proceso fisicoquímico, se lleva

acabo la remoción de sólidos gruesos flotantes, arenas y la preparación del agua

residual (AR), para el tratamiento secundario.

Estos sistemas preparatorios tienen poca eficiencia en términos de remoción de

sólidos suspendidos (SS), demanda bioquímica de oxígeno (DBO), y demanda

química de oxigeno (DQO), pero son absolutamente necesarios para la correcta

operación del tratamiento secundario.

4

Tratamiento de .Agua Residual Industrial

Una de las etapas más importantes de una planta de tratamiento es el proceso

biológico o tratamiento secundario, el cual es un proceso complementario de la

depuración de las aguas residuales que agrupa los procesos y operaciones

unitarias, capaces de eliminar los sólidos y materia orgánica en estado coloidal o

disuelta hasta de un 80 y 95 por ciento.

Cuando se requiere una calidad superior, como Io es el agua potable se considera

el proceso terciario o avanzado, es decir se somete la corriente de agua a un proceso químico específico.

5

Iratamiento de Azua Residual lndustrial

4.GENERALIDADES

4.1 Clasificación de los métodos de tratamiento.

Tratamiento previo. Se emplea para la remoción de aquellos desechos que

impedirían la actuación de procesos y mecanismos mayores. En este están

comprendidas las rejillas de separación anchas, las cuales retienen materiales

voluminosos.

Tratamiento primario. Se efectúa con dispositivos diseñados para la remoción

de material sobrenadante o sedimentable por medios físicos y mecánicos.

Tratamiento parcial. Se utilizan coagulantes químicos, tales como las sales de

Aluminio o Hierro y Cal, con los cuales se mejoran los resultados del tratamiento

primario.

Tratamiento secundario y completo. Consta de unidades de tratamiento en las

cuales se efectúa la acción bioquímica, de modo que se ha satisfecho en alto

grado, la demanda bioquímica de oxígeno, DBO, de la materia orgánica

resultante después de haber clarificado el líquido en los procesos primarios. Las

unidades más convenientes para el tratamiento secundario son los filtros

percoladores y los Iodos activados.

Desinfección y potabilización. Del tratamiento completo salen efluentes bastante

clarificados y estabilizados, pero aún tienen algunas bacterias que son

eliminadas con pequeñas cantidades de cloro.

4.2 Plantas de tratamiento.

Actualmente, el sistema de tratamiento de aguas residuales municipales cuenta

con la siguiente infraestructura: 21 plantas de tratamiento, 17 de ellas son a nivel

secundario y 4 a nivel terciario, con una capacidad conjunta de 6250 I/s,

equivalente al 20% de las aguas residuales generadas en la ciudad de México. Con

este caudal se riegan 6500 ha de áreas verdes y 6000 agrícolas; se renuevan 3500

millones de litros de agua en los lagos, lagunas y canales, que ocupan una

superficie de 230 ha. También se abastecen 691 establecimientos comerciales y

120 industriales a través de 783 mil m de tubería.

6

Iratamiento de Agua Residual lndusrrial

En cuanto a las industrias, cada vez son más las que cuentan con un sistema de

tratamiento dentro de sus instalaciones, el número de plantas a 1997 era de 1255

(Tabla 1) con un volumen de tratamiento de 21,439 I/s, equivalente al 94.32 YO de la

capacidad de diseño.

Tabla 1 Estado I Total

Núm. de Gasto de Gasto de No. plantas Diseño operación Plantas

Chihuahua 24 733.4 476.2 3 Cd. de México 20 529.0 529.0 O

- "

Guanajuato - 61 2,123.6 2,123.6 3 Hidalgo 33 103.6 103.6 Edo. De México 102 943.9 943.9 37

-

17

Puebla "

115 Querétaro 64 209.6 209.6 6 - Reglón Lagunera 11 128 97.9 1 Tamaulipas 31 1.806.1 1.806.1 9 Veracruz I 145 15,558.9 1 5,611.0 87 Fuente: Comisión Nacional del Agua

Trat. Secundario No. plantas 20 20 57 11 47 12 19 83 56

"

_______I

-___

-

lo I_

21 43 "

Trat. Terciario No. Plantas 1 O 1 5 18 O 9

-

"_

El nivel de tratamiento más utilizado en las plantas de agua residual industrial es el

secundario (remoción de sólidos sedimentables gruesos y remoción de materia

orgánica en suspensión de naturaleza coloidal y disuelta), con 735 plantas y un

gasto de operación de 12 741.7 I/s. Los estados con mayor tratamiento secundario

son, en orden de importancia, Veracruz, Nuevo León y Guanajuato, con 2 71 1.4; 2 086.3 y 1 505.1 I/s, respectivamente.

En segundo lugar se encuentra el tratamiento de aguas residuales primario

(remoción de sólidos sedimentables gruesos) con 449 plantas y trata un volumen

de 6 931.6 11s. Los estados cuya industria utiliza más este tipo de tratamiento son

Veracruz, Tamaulipas y Morelos, con 2,774.7, 1,414.2 y 575.8 I/s,

respectivamente.

7

Tratamiento de A w a Residual Industrial

Finalmente con 53 plantas y con un volumen de agua tratada de 942.9 I/s está el

nivel de tratamiento terciario (remoción de sólidos sedimentables gruesos,

remoción de materia orgánica en suspensión de naturaleza coloidal disuelta y

remoción de materiales disueltos orgánicos e inorgánicos). La industria que usa

más este tipo de tratamiento se encuentra localizada en los estados de México,

Guanajuato y Veracruz con 570.4, 231.5 y 52.1 I/s tratados, respectivamente.

Cabe destacar que en estos estados se practican los tres tipos de tratamiento y su

capacidad aprovechada es del 100%. En el ámbito nacional se reporta un

promedio de aprovechamiento de la capacidad instalada (gasto de diseño) del

94%.

El tratamiento más practicado es el secundario o biológico, por ser el esencial en

una planta de tratamiento.

4.3 Tratamiento biológico

El tratamiento biológico se lleva a cabo por la transferencia de la materia orgánica

del agua residual hacia la película o floculo (biomasa), por contacto interfacial,

adsorción y absorciones asociadas. La materia orgánica es utilizada por los

microorganismos para su metabolismo y generación de células nuevas, las células

viejas mueren deslavándose y precipitándose al fondo.

En los sistemas biológicos, se tienen complejas poblaciones de microorganismos

mezcladas e interrelacionadas, en las que cada uno de ellos tiene su propia curva

de crecimiento, lo cual depende de las condiciones del sistema, pH temperatura,

aireación o anaerobiosis y disposición de nutrientes.

8

Tratamiento de Agua Kesidual Industrial I-

Figura 1. Curva de crecimiento de microorganismos.

I

Tiempo

Bacterias Zooflagelados m Cihadoslibres

En la figura I se ilustra la variación con respecto al tiempo de algunos

microorganismos predominantes en un agua residual en un sistema de tratamiento

biológico.

La eficiencia de los procesos biológicos depende de las características de las

aguas residuales, condiciones ambientales del sistema y tipo de microorganismos.

Es importante conocer si el agua residual a tratar por medios biológicos contiene

compuestos químicos tóxicos que pueden ser inhibitorios para el crecimiento de

los microorganismos, en tal caso, se podría hacer un pretratamiento para su

eliminación o mejor cambiar a un tratamiento fisicoquímico.

9

Tratamiento de Agua Residual Indust rial

4.3.1. Tipos de tratamiento.

Estos procesos se clasifican de acuerdo a la dependencia del oxígeno por los microorganismos utilizados en la biodegradación de la materia orgánica en:

a)Tratamientos aerobios. Se lleva a cabo por microorganismos aerobios ylo

facultativos es decir, que se desarrollan en presencia de oxígeno, degradando la

materia orgánica en compuestos más estables. Este proceso se puede expresar

de la siguiente forma:

Materia + Microorganismos biomasa + COZ + Energía Orgánica aerobios ylo

facultativos

b)Tratamientos anaerobios. El tratamiento anaerobio de las aguas residuales, es

un proceso mediante el cual es degradada la materia orgánica ylo inorgánica por

medio de microorganismos, principalmente bacterias en ausencia de oxígeno

(anaerobiosis).

Este sistema degrada con mayor eficiencia la materia orgánica, produciendo una

mezcla de gas, llamada biogas, compuesta de metano (60-70 %), bióxido de

carbono (30-40 %) y trazas de ácido sulfhídrico e hidrógeno. Este proceso ocurre

en forma natural en los pantanos y en el fondo de las lagunas y lagos, donde no

hay oxigenación.

La biodegradación de la materia orgánica en forma anaerobia se puede resumir de

la siguiente manera:

Materia orgánica Microorganismos _________+ biomasa + C02 + CH4 + H20

10

‘Tratamiento de Azua Residual 111dustrial

4.3.2. Ventajas y desventajas de los tratamientos aerobios y anaerobios.

Es necesario realizar un análisis, con el cual se pretende obtener por simple

comparación, el tratamiento más adecuado para implementarlo junto con el reactor

seleccionado.

En la tabla 2, se puede ver que el tratamiento anaerobio ofrece mayores ventajas

sobre el aerobio, debido, no sólo a la baja inversión en cuanto a recursos

monetarios, sino también en materia ambiental, ya que se puede controlar con

mayor facilidad la producción tanto de biomasa como de biogas, reduciendo de

esta forma el esfuerzo de estabilización dentro y fuera del reactor.

4.4. Reactores biológicos

Los distintos tipos de reactores (Figura 2) se discuten mejor tomando como base,

la terminología establecida en el diseño de reactores químicos, dando

configuraciones como’:

1. El reactor intermitente (RI);

2. El reactor continuo de tanque agitado (RCTA);

3. El reactor tubular (RT);’

4. El reactor de lecho fluidizado (RLF)

La necesidad de mantener un cultivo estable causa un efecto importante en el

desarrollo de estas configuraciones para sistemas microbiológicos.

La principal influencia en el modo de operar de los reactores microbiológicos deriva

de las propiedades físicas de los propios microorganismos. En condiciones

normales los microorganismos contienen una cantidad de agua considerable (60-

95%) y, en consecuencia, tienen una densidad sólo ligeramente diferente de la del

agua. Se requiere pues un empuje hidrodinámico muy pequeño para mantenerlos

en suspensión, con el resultado de que si un fluido circundante está en un estado

de suave agitación los microorganismos estarán en suspensión.


Tabla 2. Análisis de ventajas y desventajas de los tratamientos aerobios y anaerobios.

Aerobio

Anaerobio

Tiempos de residencia muy

pequeños.

Arranque y estabilidad en

poco tiempo.

Baja producción de Iodos

residuales.

Producción de biogas, el

cual puede ser utilizado

como com busti ble.

Baja demanda de

nutrientes (fósforo y

nitrógeno).

Lodos residuales estables.

Gran producción de

biomasa.

Deterioro de la actividad de

la biomasa a lo largo del

tiempo.

Requiere grandes

cantidades de energía para

la aireación.

Necesita una cantidad mayor

de nutrientes.

No produce metano.

Menor % de remoción

Períodos relativamente

largos para estabilizar el

sistema al principio.

Largos períodos de tiempo

de retención (3-10 días).

Una disposición lógica es un reactor de mezcla total, en el que el movimiento del

líquido es inducido por agitación mecánica, por la evolución de un gas como

producto bioquímico, o por aire burbujeando por todo el medio.

I Denbigh y Turner, 1971 12


Puesto que las conversiones bioquímicas no se alcanzan en ausencia de

microorganismos se comprende que al utilizar los microorganismos suspendidos

en un reactor continuo habrá que evitar el que éstos sean arrastrados con la

corriente de salida. Los caudales a utilizar en un reactor continuo de tanque agitado

están limitados como resultados de este fenómeno y los reactores tubulares, con

flóculos suspendidos, no pueden funcionar sin un aporte constante de

microorganismos en la corriente de entrada. Una respuesta alternativa al último

problema es el reactor de lecho fluidizado, que es un híbrido entre el reactor de

tanque agitado y el reactor tubular, en el que las partículas son suspendidas por la

corriente líquida que circula en dirección ascendente y las fuerzas gravitacionales

evitan que sean arrastradas*.

igura 2. Principales configuraciones de bioreactores.

Sustrato

Fermentador discontinuo (FD)

Sustrato Sustrato Sustrato

Serie de fermentadores continuos de tanque agitado [FCTA)

7 Producto

Sustrato

Fermentador tubular (FT)

Fermentador de lecho fluidizado (FLF)

Tiempo -+

I

Distancia desde el -+

punto de entrada

Distancia desde el ~

punto de entrada

Shore y Royston, 1968 13

Tratamiento de A Z ~ J ~ Residual Ind~~strial

4.5. Digestión anaerobia.

El tratamiento biológico de aguas residuales por vía anaerobia se ha extendido en

México desde 1987 debido a la Legislación Ambiental promulgada por el Gobierno

Federal para el tratamiento de desechos. En 1997 se trataban del 30 al 35% de

las aguas municipales, lo cual, muestra una falta de capacidad para el tratamiento,

este aspecto abre la posibilidad para la introducción de sistemas de bajo costo, con

tecnologías avanzadas y capaces de tratar varios tipos de efluentes, como son los

digestores anaerobios. De estos, actualmente se tienen 75 reactores de lecho de

Iodos de flujo ascendente (UASB) tratando el 0.57% de las aguas residuales

totales generadas y 3.4% de las aguas tratadas. En México el 43.5% de los

reactores anaerobios se utiliza para el tratamiento de aguas negras3

A pesar de la complejidad microbiológica de este proceso, es ampliamente

conocido el hecho de que los microorganismos involucrados en la digestión

anaerobia son capaces de agruparse en consorcios bacterianos complejos y

degradar sintrófcamente los contaminantes disponibles en las aguas.

4.5.1. La digestión anaerobia en aguas residuales

La degradación anaerobia de materia orgánica es un proceso que involucra varias

vías metabólicas y que se llevan cabo en la ausencia de oxígeno, nitrato y sulfato

como aceptores de electrones.

Se realiza a través de tres pasos en serie que incluyen la hidrólisis de compuestos

orgánicos complejos y de alto peso molecular disueltos en el agua residual como

proteínas, carbohidratos, lípidos y compuestos aromáticos o amídicos, por medio

de enzimas extracelulares.

Como consecuencia de la fermentación de las moléculas pequeñas formadas en el

paso anterior, se obtendrá piruvato, succinato, lactato y etanol así como ácidos

Monroy et al 14


grasos volátiles como el formato, acetato, propionato, n- e ¡so-butirato y en algunas

ocasiones n e ¡so-valerato y caproato. Los ácidos grasos y alcoholes se degradan a

acetato p-oxidación.

Los ácidos como el propionato y el butirato serán transformados a acetato, Hz y

C02, por oxidación anaerobia de acuerdo a las reacciones 1 y 2.

CH3CH2COO- + 6H2O - CH3COO- + 2HC03 + 2H' + 6H2 (1 1

CH3CH2 CH2COO- + 2H20 - 2CH3COO- + H' + 2H2 (2)

El acetato, se transforma en la tercera y última etapa a metano, la reacción se

detalla en la ecuación 3. El metano es el producto final de este proceso.

A partir de este sustrato se formará aproximadamente dos terceras partes del

metano total, ya que es el principal precursor de la metanogenésis en reactores

anaersbios. 4, 5

El Hz y COZ en una reacción de oxido-reducción, formaran la tercera parte restante

del metano, como se muestra en la siguiente ecuación.

4Jeris y McCarty, 1965

Srnit y Mah, 1966 y 1980 15


Fi r I I Bacterias hdmlihcas

I HIDROLISIS Y ACIDOGENSIS

BHA

I , BMH METANOGÉNESIS I

obia.

En este esquema de metabolismo anaerobio intervienen grupos tróficos de

bacterias que viven en interdependencia mutua formando consorcios bacterianos.

Este proceso, descrito en la Figura 3, es en general lento y depende de varios

factores, tales como pH, temperatura y concentración de materia orgánica.

Adicionalmente, los tiempos de retención celular en digestores anaerobios son

prolongados, debido a la baja tasa de crecimiento de los microorganismos

metanogénicos.

Los microorganismos que forman un consorcio metanogénico comprenden tres

grupos de bacterias, las primeras son bacterias hidrolíticas fermentadoras de

carbohidratos simples y poliméricos, así como bacterias proteolíticas y lipolíticas,

facultativas y bacterias acidogénicas que utilizan los sustratos provenientes de la

primera etapa para producir ácidos grasos volátiles.

16

Tratamiento de A w a Residual Ind~~strial

Las bacterias homoacetogénicas y las acetogénicas productoras obligadas de

hidrógeno, que al oxidar los ácidos de más de dos carbonos producen además de

ácido acético, hidrógeno, que será removido en la siguiente etapa por las bacterias

metanogénicas hidrogenótrofas que lo utilizan para reducir el COZ y producir una

tercera parte del CH4. Esta relación se conoce como “transferencia de hidrógeno

entre especiesJJ6.

4.6. Reactores de lecho fluidizado

4.6.1. Antecedentes

El reactor de lecho fluidizado (RLF) para el tratamiento de aguas residuales, es un

prototipo que se ha utilizado recientemente debido a las ventajas que presenta

sobre otros sistemas. Hasta 1990 se tenían 65 reactores comerciales con soporte

en Estados Unidos y Europa.

Una de las compañías más interesadas en los lechos fluidificados para el

tratamiento de desechos ha sido General Motor Corporation, particularmente para

la remoción de compuestos orgánicos volátiles provenientes de la pintura

automotriz de las plantas de ensamblado, así como de las aguas residuales de las

plantas metalúrgicas. Finalmente se ha extendido a plantas de alimentos,

cervecerías, químicas y petr~quimicas~.

Los soportes utilizados han sido arena, arcillas, perlas de vidrio poroso, tierra de

diatomeas, además de soportes más ligeros como el poliuretano y el PVC (la

densidad aparente de &tos se encuentra entre 1 .I y l . 2 kg/m3), que se han

diseñado específicamente para estos sistemas con el objeto de reducir los gastos

de fluidiración.

6 Bryant et al. , 7967 ’ Sutton y Mishra, 1991

17

Tratamiento de Agwa Residual Industrial

4.6.2. Hidrodinámica de los reactores de lecho fluidizado.

Estos sistemas consisten de reactores de dos o tres fases (sólido - líquido, sólido -

gas y líquido - sólido - gas), en las que el lecho de partículas de soporte se

expanden con una corriente de líquido y10 de gas, de tal forma que las partículas

siempre se encuentran suspendidas y no tienen una posición fija en el lecho, pero

se mueven fácilmente en los alrededores y cada una tiende a permanecer

localizada dentro de un pequeño volumen de la cama.

En el sistema sólido - líquido de flujo ascendente (es la fluidificación tradicional) se

usan soportes más pesados que el agua, por lo que se requieren altas velocidades

de líquido para alcanzar la fluidificación.

Cuando las velocidades de líquido aplicadas son bajas, se obtiene un lecho fijo, si

estas aumentan se obtendrá un lecho expandido y posteriormente un lecho

fluidificado, como se muestra en la figura 4.

En este caso se alcanzan las condiciones de fluidificación partículada y el lecho se

expande suavemente sin la turbulencia conocida como fluidificación agregativa o

de arrastre, que se presenta cuando el flujo arrastra una estela de partículas de

tamaño pequeño que salen del lecho.''

8 Henze y Harremoes, 1983 Kunii y Levenspiel, 1991

'" Muroyama y Fan, 1985 18


Figura 4. Estado de transición de lechos.

Lecho fluídifieado i n - * I

Lecho expandido I I

Lecho fijo

Velocidad superficial del líquido

4.6.3 Arranque y operación de lechos fluidizados

En general, durante el arranque de RLF se inoculan con Iodos de alta actividad

metanogénica y contenido de sólidos volátiles. La inoculación se hace adicionando

30 a 60% en volumen y el reactor se cierra durante varios días o semanas, para

. permitir que las bacterias inoculadas estén en contacto con el soporte el mayor

tiempo posible.

Otra estrategia es inocular el reactor continuamente con sobrenadante de

digestores anaerobios junto con el agua residual a tratar y aparentemente el tiempo

de arranque disminuyen, pero para reactores de gran escala no es práctico por los

grandes volúmenes de sobrenadante requeridos".

Las dimensiones clásicas de los RLF o la relación UD, varía de 20 a 30 veces, para

evitar el arrastre de partículas fuera de la zona de fluidización, es decir, la longitud

del reactor contempla una zona de "desenganche" de partículas. Esta se

caracteriza actualmente por el ensanchamiento en el diámetro de la columna, que

permite que las partículas disminuyan su velocidad terminal y regresan al lecho, lo

que ha permitido reducir esta relación, economizando en la inversión de la

construcción, así como el uso de soportes menos pesados.

Heijnen et al. , 1989 19

Tratamiento de PIgua Residual Industrial

La expansión del lecho esta controlada por la velocidad vertical del fluido y para

lechos fluidizados se considera que debe de estar entre 20 a 50%, pero puede

alcanzar hasta un 100%. Ya que en los lechos fluidizados se utilizan tiempos de

retención cortos, la expansión del lecho se obtendrá con una alta tasa de

recirculación, que permitirá el uso de velocidades superficiales de líquido de 10 a

30 m/h en lechos ascendentes. La velocidad de sedimentación de las partículas

utilizadas como soportes en este caso, que puede ser de 150 a 300 m/h, influye

también en la magnitud de las velocidades necesarias para la expansión.

En el caso de lechos ascendentes, las velocidades pueden variar de 2 a 12 m/h y

en la literatura no está reportado el valor de la fuerza de flotación de muchos de los

soportes utilizados.

De acuerdo a las relaciones UD que se usan, se pueden alcanzar capacidades de

tratamiento más altas que en otros reactores, desde 20 a 100 Kg DQO/ m3-d en

equipos muy compactos 12 13 1415

Los perfiles de aplicación de carga que se han utilizado durante el arranque de

estos reactores son:

3% El perfil de máxima eficiencia en el que se aplica una carga orgánica baja de 1

kg/m3.d y una carga de 0.1 Kg de DQO/ Kg S.S.V. diarios con un tiempo de

residencia de 1 día. La carga se duplica cuando se ha alcanzado la máxima

eficiencia.

3% El máximo perfil de carga en el que se aplican altas cargas orgánicas,

considerando la carga másica que el reactor puede tolerar, con un tiempo de

retención de 1 día. La carga se aumenta nuevamente aún cuando el nivel de

remoción sea bajo (de 1500 a 200 mg/L de ácidos grasos en el efluente). En este

l 2 Henze y Harremoes, 1983 l 3 Heijnen et al., 1989 l 4 Ehlinher, 1994 l 5 Holst et al. , 1997

20

'Tratamiento de Agua Kesidual Industrial

caso se adiciona álcali para controlar la acidificación del reactor por sobrecarga,

por lo que este tipo de arranque es más costoso.

4.6.4 Ventajas y desventajas de los lechos fluidizados.

La principal ventaja que presenta es la reducción en el tamaño del reactor debido a

la alta eficiencia volumétrica asociada con el desarrollo de una alta concentración

de biomasa en el soporte'6. También presenta algunas ventajas con respecto a los reactores convencionales de biomasa suspendidos tales como:

a) Los esfuerzos altos debido a la fluidización por fricción con el líquido o

fricción dinámica entre partículas, seleccionan biopelículas compactas y

delgadas. En el caso de reactores anaerobios las biopelículas estarán

dominadas por bacteria metanogénicas debido a la acidogénia preferencia en

las capas periféricas.

b) Tienen alta capacidad de depuración

c) Mejoran el mezclado de líquidos y la turbulencia alrededor de las partículas

facilita la difusión del sustrato en la biopelícula.

d) Altas concentraciones instantáneas de tóxicos en el influente no causan

efectos tan fuertes sobre la biopelícula debido al régimen de mezclado.

e) La fluidificación lava fácilmente todas las partículas sólidas inertes finas.

9 No hay retención de sólidos suspendidos y por consiguiente no existen

problemas de taponamiento 17 18 19

La falta de retención de sólidos tiene como consecuencia también la falta de

remoción de sólidos suspendidos, debido a los cortos tiempos de retención

l6 Sutton y Mishra, 1991 17

18 Henze y Harremoes, 1983 Heijnen et al., 1989

21


utilizados, que impiden que la materia partículada del agua se absorba a la

superficie de la biopelícula para ser degradada en moléculas lo suficientemente

pequeñas como para difundirse en ella. Por lo que es necesario la eliminación de

sólidos del efluente para obtener agua de mejor calidad. 20, 21

Algunos problemas que presentan los lechos fluidizados están relacionados al

arranque de los reactores, debido a que la formación de la biopelícula es un

proceso lento, como se mencionó anteriormente. También influye el alto consumo

de energía debido a las altas tasas de recirculación utilizadas para expandir el

lecho.

Con respecto a los aditamentos mecánicos críticos que aumentan el valor de la

inversión en estos sistemas se tienen los distribuidores de liquido para obtener una

fluidización uniforme en reactores a escala industrial, los cuales son costosos y no

funcionan totalmente, ya que presentan problemas de taponamiento con partículas

presentes en la corriente de entrada y por el asentamiento de partículas de soporte

en el difusor, en el caso de soportes más densos que el agua.

Los distribuidores deben tener tres características importantes: mantener una

distribución uniforme de flujo en el sistema, prevenir el taponamiento de los orificios

debido a cuerpos extraños del influente o por el soporte y mantener condiciones de

distribución del influente sin turbulencias, de tal forma de favorecer la acumulación

uniforme de biomasa en el soporte del reacto? 23.

'' Guiot, 1992 2o Ehlinger, 1994 21 Holst et al. , 1997

Sutton y Mishra, 1991 23 Holst et al. , 1997

22

Tratamiento de Azua Residual Jndustrial

4.7. Generación y tratamiento de los Iodos

En las plantas de tratamiento de agua potable o aguas residuales, los procesos de

remoción de Iodos (floculación, sedimentación, biológicos, etc.) originan Iodos, los

cuales constituyen un desecho bastante importante, debido a sus volúmenes,

características, composición y problemas de disposición final.

4.7.1 Clasificación y composición.

Los Iodos residuales de acuerdo a su origen pueden ser clasificados en: Iodos

primarios, cuando provienen de los procesos de separación sólido - líquido

(sedimentación, flotación, etc.) y Iodos secundarios cuando son de procesos

biológicos.

Según sean sus características fisicoquímicas, los Iodos residuales pueden

clasificarse en los siguientes grupos:

D Orgánico hidrófilo

D Aceitosos

3% Mineral hidrófobo

D Mineral hidrófilo

O Fibroso

La composición de los Iodos residuales varía según sea su origen, dependiendo del

tipo de efluente industrial o urbano tratado

4.7.2.0rigen y cantidad de Iodos generados

El origen de los Iodos de una planta de tratamiento varía de acuerdo al tipo de

planta y a su método de operación.

En el diseño de un tratamiento de Iodos es importante conocer todas las fuentes

posibles de Iodos en la planta de tratamiento que los genera, con el fin de poder

identificar sus características y decidir que tipo de tratamiento sería el más

adecuado.

23


Además, para el calculo de la capacidad de las unidades de tratamiento de los Iodos, se debe conocer las cantidades que se generan, su fluctuación respecto al

tiempo y la capacidad potencial de las unidades de sedimentación y tanques de

aereación, en los cuales se puede almacenar temporalmente una cierta cantidad de

Iodos. Este almacenamiento puede auxiliar en los puntos pico de carga.

4.7.3.Caracteristicas fisicoquímicas de los Iodos

En el diseño y elección de los procesos para el tratamiento de los Iodos es

importante conocer las siguientes características fisicoquímicas:

* Características químicas

- Sólidos Totales (ST)

- Sólidos volátiles (SV), llamada también materia volátil (MV)

- Materia Orgánica (mg/l)

- Nitrógeno y Fósforo

- Contenido de metales pesados

- Composición química en general

* Características físicas.

- Propiedades reológicas. El conocimiento de esta característica es muy

importante para el bombeo, tuberías y transporte de los Iodos. Los Iodos tienen la

propiedad de solidificarse en ausencia de agitación y transformarse en líquidos

aplicando una ligera agitación esta propiedad se le llama lixotropía.

- Tipo de agua contenida en los Iodos. El agua en los Iodos está formada por

agua libre (fácil de eliminar) y agua de enlace. La cantidad de agua en los Iodos

(libre y de enlace) es determinante en su capacidad de deshidratación.

- Características de sedimentación. La velocidad de sedimentación de los

Iodos depende de su concentración en sólidos.

24


- Características para la deshidratación. Los procesos empleados para la

deshidratación dependen de la concentración del lodo, el grado de agregación,

características estructurales de las partículas, viscosidad, fuerza iónica y pH del

agua.

4.7.4 Tratamiento de Iodos

Debido a sus características y composición, los Iodos residuales tal como salen de

los procesos, no pueden ser depositados directamente al medio ambiente, ya que

ocasionarían problemas de olores y contaminación del lugar debido a las altas

concentraciones de los contaminantes químicos (mayor que en las aguas

residuales originales) y la materia orgánica separada por los procesos biológicos

que no se encuentra totalmente degradada en compuestos estables, produciendo

olores desagradables. Además, la consistencia de los Iodos hace que sea

problemáticos para su transportación y disposición final. Por tales motivos, es

necesario el tratamiento de los Iodos residuales para la estabilización de la materia

orgánica y eliminar la mayor cantidad de agua posible para poderlos transportar y

depositarlos en lugares autorizados, en condiciones adecuadas para no contaminar

el medio ambiente.

El tratamiento de los Iodos esta enfocado a la reducción de su contenido de agua y

la estabilización de su materia orgánica. En general los procesos empleados en el

tratamiento de los Iodos son los siguientes:

a) Espesamiento (Concentración)

b) Elutriación.

c) Digestión (estabilización) anaerobia.

d) Digestión (estabilización) aerobia.

e) Acondicionamiento.

9 Deshidratación.

g) Secado.

h) Incineración y oxidación húmeda.

i) Disposición final.

25

, . ...


La digestión, incineración y oxidación húmeda son utilizadas principalmente para le

tratamiento de la materia orgánica en los Iodos. Los proceso de concentración,

deshidratación y secado son usados principalmente para remover el agua de los

Iodos.

En la práctica, la elección del tipo de tratamiento que se debe aplicar al lodo

problema, depende de sus características naturales, estructura, composición y su

comportamiento ante la deshidratación.

a) Espesamiento de los Iodos

El espesamiento o concentración de los Iodos es la primera operación que se lleva

a cabo en el tratamiento, con el fin de reducir su volumen y además hacerlos más

accesibles para su transporte y manejo en las posteriores operaciones a las que

son sometidos.

El espesamiento de los Iodos se puede realizar mediante agitación durante un

tiempo suficiente para formar agregados que se sedimente más fácilmente con un

contenido menor de agua.

b) Elutriación de Iodos

Los elutriadores son iguales que los espesadores, con la diferencia de que se

añade al lodo a la entrada del tanque una cantidad considerable de agua. La

concentración de Iodos por elutriación es comparable con la obtenida por

espesamiento.

La elutriación separa de los Iodos, por lavado, sustancias que interfieren física o

económicamente en el acondicionamiento químico y la filtración por vacío; ésta se

lleva a cabo en tanques sencillos o múltiples, mediante lavados sencillos o

repetidos, utilizándose si se desea agua de lavado en forma seriada.

26

. . ,

Tratamiento de A w a Residual lndustrial

Durante el lavado, los sólidos se mantienen en suspensión por agitación mecánica

o con aire. El uso en serie del agua de lavado se llama elutriación a contracorriente.

El agua de lavado se trata o evacua junto con el licor de los digestores o filtros.

c) Digestión anaerobia

La digestión anaerobia de los Iodos es un proceso que tiene como finalidad la

estabilización de la materia orgánica que contenga.

En términos generales, el tratamiento consiste en depositar los Iodos en digestores

cerrado que impidan el paso de aire para tener condiciones anaerobias, con la

finalidad de descomponer la materia orgánica por medio de microorganismos

anaerobios. La velocidad de descomposición, depende de una inoculación

adecuada, el pH, tipo de sólidos, temperatura y un mezclado adecuado de los

sólidos crudos con el inoculo.

El proceso se lleva a cabo por dos grupos de microorganismos:

O Bacteria hidrolíticas.

Son microorganismos saprofitos, aerobios facultativos, que metalizan los carbohidratos, grasas y proteínas convirtiéndolos en ácidos orgánicos (ácido

acético, butírico) y alcoholes de bajo peso molecular.

4 Bacterias metanogénicas.

Son microorganismos anaerobios estrictos, utilizan los ácidos organismos y los

alcoholes de bajo peso molecular (producidos por las bacterias hidrolíticas).

La estabilización de los Iodos por vía anaerobia se puede resumir de la siguiente

forma:

Bacterias + Materia ___+ Bacterias + Materia + CH4 + CO + H20 orgánica orgánica

(resistente)

27


La eficiencia del tratamiento anaerobio depende del balance entre los dos grupos

de bacterias, la alimentación al sistema, la temperatura, el pH y el tipo de materia

orgánica suministrada.

Los procesos más importantes que se controlan en los procesos anaerobios son:

producción de gas, (cantidad y composición), balance de los sólidos en el sistema

(totales, volátiles y fijos), DBO, acidez y pH, ácidos volátiles, grasas, características

del lodo y olor.

La digestión anaerobia es inhibida por sustancias tóxicas tales como, metales

pesados, exceso de iones NH4+, sulfuros, cianuros, fenoles, concentración alta de

detergentes.

El grado de reducción de los sólidos volátiles depende de la concentración de

materia volátil en el lodo crudo.

En el proceso, el gas (biogas) producido esta compuesto principalmente de metano

(6570% Volumen) y gas carbónico (2530% volumen), conteniendo además en

proporciones ínfimas oxígeno (0-0.3%), monóxido de carbono (2-4%), nitrógeno

(I%), sulfur0 de hidrógeno, hidrocarburos, etc., dependiendo del origen del lodo.

En los Iodos digeridos, la mayoría de los microorganismos patógenos ha sido

destruida, sin embargo, se discute la destrucción de ciertos virus y del bacilo de

Koch.

d) Digestión aerobia

La digestión aerobia de los Iodos (primarios y Iodos activados) es un proceso en el

cual la estabilización de la materia orgánica se lleva a cabo por aereación durante

un extenso período de tiempo, dando como resultado una destrucción celular con

una disminución de los sólidos suspendidos volátiles (SSV).

28

Tratamiento de Ama Residual Industrial

La velocidad de destrucción celular disminuye cuando la relación de alimento

microorganismo (F/M) aumenta (F=DBO, M= SSW.

El principal objetivo de este tratamiento es la reducción del volumen de los Iodos

para su disposición final. Esta reducción resulta de la conversión por oxidación de

parte de las sustancias del lodo en productos volátiles (COZ, NH3, H2).

Si representamos la materia orgánica por CSH~O~N, su oxidación puede ser

representada por la siguiente ecuación:

C5H702N + 502 - + 2H20 + NH3

N H3 Microorganistnos

Los tiempos de residencia en los procesos aerobios son más cortos que los

requeridos por los anaerobios. Esto repercute en una economía en los volúmenes

de los digestores; sin embargo, los costos originados por la energía necesaria para

la aereación pueden ser un factor importante en la elección del sistema de

tratamiento en plantas con grandes flujos de Iodos.

Los Iodos estabilizados aeróbicamente, no desprenden olores, son homogéneos de

color obscuro, y pueden drenarse fácilmente sin dificultad. Sin embargo no es

recomendable almacenarlos por mucho tiempo en forma líquida.

Generalmente, la estabilización aerobia se aplica a los Iodos residuales de

procesos aerobios de aguas residuales.

e) Acondicionamiento de Iodos

Los Iodos tienen un gran contenido de agua: un 90%, si la materia seca es en su

mayor parte orgánica y 70-80% si es mineral. La eliminación de esta agua presenta

problemas debido a las propiedades físicas del lodo, por lo cual es necesario

realizar un tratamiento previo para poder deshidratarlos con mayor facilidad.


Este tratamiento se le ha denominado acondicionamiento de los Iodos y tiene la

facilidad de alterar las propiedades físicas de los Iodos por métodos fisicoquímicos,

convirtiendo la masa gelatinosa y amorfa del lodo en un material poroso que podría

liberar fácilmente el agua que contenga. Los métodos de acondicionamiento

empleados son: químico, térmico, congelación y carga.

fl Deshidratación de los Iodos

En los procesos de deshidratación se alcanza un grado de humedad parecida a la

que se logra con los procesos de espesamiento y secado. La deshidratación de los

Iodos se hace con la finalidad de:

4 Adecuar para su disposición final como relleno sanitario.

O Reducir los costos de transporte.

D Aumentar su potencial calorífico.

Los métodos utilizados para la deshidratación son: centrifugación y filtración

(Lechos de arena, filtración al vacío, filtros prensa y filtros de gravedad rotatorios).

g) Secado de Iodos

El secado de los Iodos es una operación que tiene como finalidad obtener Iodos

con un contenido de humedad menor al 10% para su disposición final (Iodos que

serán utilizados como fertilizantes) o incineración. El lodo secado con cualquier

proceso puede considerarse libre de patógenos y puede ser empacado,

almacenado y transportado fácilmente.

h) Incineración de lodos

La incineración o combustión en seco, es la operación que se lleva a cabo con los

Iodos secados a altas temperaturas, ya sea por si solos o utilizando combustible.

30

Tratamiento de Agua Residual Jndustrial

Este se realiza para disposición final de ellos. Los productos finales de la

incineración son generalmente dióxido de carbono, dióxido de azufre y cenizas,

dependiendo de la composición química del lodo.

Existen dos tipos de incineradores de Iodos: hornos de múltiple efecto y lechos

fluidizados:

i) Disposición final de los Iodos

La disposición final depende de las características fisicoquímicas de los Iodos, así

como tipos de tratamiento previo al que fueron sometidos, las posibilidades y tipo

de terreno que se tenga. Los Iodos pueden ser dispuestos en cualquiera de las

formas en que son producidos, es decir, como Iodos húmedos (crudo o digeridos),

torta filtrada, torta de los lechos de secado y Iodos secados por calor. Estos Iodos

pueden ser distribuidos en terrenos o incinerados, dependiendo de su composición

química y su cantidad generada.

4.8. Generación y tratamiento de biogas

En la fermentación anaerobia de desechos industriales bajo ciertas condiciones de

presión y temperatura, produce gas metano en la cantidad proporcional a la

cantidad disponible de desechos, el uso de este biogas es amplio, se puede usar

en alumbrado, cocina, bombeo de agua, en la industria mecánica y eléctrica, y en

las de secado, destilación, incubadoras y agua caliente, es claro que para utilizar

este recurso en cualquiera de los sectores antes mencionados, se requiere de un

breve tratamiento de acuerdo a su disposición final.

31

Tratamiento de A m a Residual Industrial

4.8.1. Características del biogas.

Un análisis del biogas mediante técnicas de gasometría (Orsat) nos proporciona la

siguiente composición:

Metano 6O-70%

Bióxido de carbono 30-40%

Hidrógeno 5-1 0%

Nitrógeno 4-6%

Acido sulfhídrico trazas

De sus principales componentes, metano y bióxido de carbono, puede deducirse

su poder calorífico tomando en cuenta que representan un alto porcentaje del

biogas.

4.8.2. Purificación de gas.

Resulta comprensible que a humedad menor, la facilidad de combustión es mayor.

El agua puede ser eliminada si pasamos el gas a través de cal viva, aunque con

ello se afecta el porcentaje de bióxido de carbono; por otro lado, siendo la cal un

sólido, no existirá la absorción.

La presencia de bióxido de carbono en el gas presenta al aspecto más grave:

reduce el poder calorífica del combustible, y aun más, aumenta la capacidad de

almacenamiento así como incrementa la presión de los tanques de

almacenamiento. Esto también es causa de baja efectividad en el momento de la

combustión del gas, pues requiere algo del calor producido para elevar su

temperatura de ignición. A pesar de esto, la operación de absorción resulta sencilla

mediante el paso del gas a través de agua de cal. El uso de este absorbente deja

de ser práctico y costeable cuando se trabaja a gran escala, en este, se emplea

sustancias como dietil amina, trietil amina, hidróxido de calcio, carbonato de potasio

e hidróxido de potasio. 32

Tratamiento de Awa Residual lndustrial

El hidrógeno aumenta el poder calorífico del gas, por lo que no es necesario

eliminarlo. Por otro lado, el ácido sulfhídrico se presenta en pequeñas cantidades,

casi imperceptibles, cuando el ciclo de digestión se alarga más de 30 días. Esta

componente afecta cuando el gas se utiliza en la operación de maquinaria, pues

ayuda al deterioro del metal; si el uso que se da al gas es sólo para combustible, la

eliminación del ácido sulfhídrico no es importante.

3 3


S.ESTUDI0 DE MERCADO.

5.1.Balance nacional de agua

Oferta

México recibe 1570 km3 por precipitación y pierde por evaporación 1064 km3, lo que establece la oferta de agua a nivel nacional en 473 km3. Fluyen por cauces y

vasos superficiales 410 km3 y el resto recarga de mantos acuiferos (63 km3 ).

Demanda

En 1999 se usaron 189 km3 de aguas superficiales (40% del total disponible) y 28

km3 de subterráneas (38% del total de recarga), lo que aproxima a la demanda

nacional a 220 km3 anuales.

5.2. Balance en el sector industrial.

El 97% del sector industrial mexicano se clasifica en micro y pequefía industria; la

falta de recurso ha sido siempre un obstáculo en el financiamiento de plantas de

tratamiento de agua, equipos de control e instalación de tecnologia más limpia.

Gráfica 1

El volumen total consumido tanto en aguas superficiales como subterráneas

asciende a 73 km3, de los cuales las industrias que se abastecen directamente de

cuerpos de aguas y descarga a cuerpos receptores utiliza el 2.5 km3 anuales, es

decir, un 3% del total.

34


En cuanto a descargas, la industria genera un IOYO del agua residual total anual, es

decir alrededor de 64.5 m3 /S que incluyen ácidos, grasas, aceites, metales

pesados, compuestos orgánicos y sólidos suspendidos totales, entre otros

contaminantes; con 1.6 millones de toneladas de DBO. Se tiene un caudal tratado

de 0.17 km3/año (5.3 m3/s,8%) y la remoción de solo O. 12 millones de toneladas de

DBO. El caudal sin tratar es de 1.88 km3/año (59.2 m3/s) con 1.28 millones de

toneladas de DBO anuales (92%).

Sin duda la industria con mayor participación relativa en transmisión de carga

orgánica al agua es la azucarera con un 53%, le siguen la elaboración de bebidas y

la fabricación de alcohol con un 10% individual, petrolera, celulosa y papel,

Alimenticia, metálica básica y química con un 5% cada una (gráfica 2). Algunas de

estas industrias están establecidas en zonas con baja disponibilidad de agua, lo que resulta en una sobreexplotación de acuíferos, contaminación de los

ecosistemas y altos costos de oportunidad. Se considera que muchas empresas

podrían utilizar aguas tratadas o grises en sus servicios o procesos, con lo que se

disminuiría la presión ejercida sobre la capacidad de los acuíferos o, en su caso, se

podría aumentar la cobertura del servicio de agua potable en favor del consumo

doméstico.

Gráfica 2

Descargas de contaminantes sobre cuerpos de agua por rama industrial

60 - ~ "

50 -1 40

% 30; 1

20 -; 10 ; O '

Rama industrial

IIAzúcar

C4 Bebidas

DAlcoho

Alimen

Metal básica

1 1

Idos

Química

Celulosa y Papel

C3Otros

35

Tratamiento de haua Residual Industrial

6. ANTECEDENTES DE LA COOPERATIVA PASCUAL

La empresa refresquera Pascual, S.A., se fundó en 1940. Sus primeros productos

fueron el refresco Pascual (El Pato) y Agua Pascual; ésta última era agua

purificada y únicamente permaneció 6 años aproximadamente en el mercado.

Las primeras instalaciones de refrescos Pascual, S.A., se ubicaron en la colonia

Anáhuac; posteriormente en la colonia San Rafael y finalmente se establecieron en

la colonia Tránsito.

Una vez establecida en la colonia Tránsito, a principios de los 50’s la empresa

saca al mercado el refresco LULÚ y a mediados de esa misma década lanza un

producto de cola, llamado MEXI-COLA, el cual permaneció muy poco tiempo en el

mercado, a inicios de los 60’s la empresa gozaba de un gran reconocimiento

dentro de la industria refresquera mexicana; ya que se contaba con instalaciones

en el interior de la República; así como una envasadora en Estados Unidos y otra

en Japón. Fue precisamente por ese tiempo cuando lanza la bebida de frutas

BOING, el que a diferencia del PATO y LULÚ, no tiene gas.

A mediados de los ~ O ‘ S , se tiene contacto con la empresa sueca TETRA-PAK, S.A.

de C.V., cuya política es rentar sus máquinas envasadoras. Basándose en las

negociaciones se logró la exclusividad del envasado TETRA- PAK para el producto

BOING. A finales de los 60’s adquieren la Planta Norte cuyas instalaciones

pertenecían a la empresa refresquera CANADA-DRY; así mismo, adquiere la

franquicia para la elaboración y comercialización de los productos de dicha

refresquera.

En Marzo de 1982, bajo el régimen de López Portillo, nuestra moneda sufrió un

deslizamiento frente al dólar; por lo que el gobierno decretó un aumento emergente

a los salarios, todas las empresas acataron esa disposición no así en refrescos

Pascual, por lo que el 18 de Mayo de ese mismo año los trabajadores deciden irse

a huelga.

36


En Agosto de 1984 el presidente Miguel de la Madrid en conjunto con los

trabajadores de la refresquera Pascual acordó que se adjudicaran los bienes de la

empresa Pascual a favor de los trabajadores comprometiéndose a trabajar en

Cooperativa. Desde entonces adquiere el nombre de Sociedad Cooperativa

Trabajadores de Pascual (SCTP).

37

Iratamiento de Agua Residual Industrial

7. LOCALIZACIóN DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES

Todas las industrias generan aguas residuales, sin embargo no todas tienen un

sistema de tratamiento y/o reutilización, así que simplemente son vertidas a los

depósitos municipales, con la suposición de que cumplen con la NOM-002-ECOL-

1996, la cual establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las

descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado.

En particular se estudió el caso de la SCTP Sur (existen dos más, una en el Norte

de la Ciudad de México y otra en la zona industrial de Querétaro) la cual genera

una gran cantidad de aguas residuales con altas concentraciones de materia

orgánica que son descargadas al drenaje y que en teoría cumple con la NOM-002-

ECOL-1996. Además existe un desperdicio considerable de agua natural, “limpia”,

que se une al gran caudal de agua residual y de acuerdo a nuestras

consideraciones, esta debería de someterse a un tratamiento para obtener agua

de tal calidad que pudiera reutilizarse en algún punto de la planta.

Hemos decido implementar la Planta Tratadora de Agua Residual (PTAR) en las

instalaciones de la SCTP Sur, considerando que los gastos que implicaría el

transporte del efluente y a su vez el del agua tratada impactaría en gran medida

los costos de diseño y operación. Por lo tanto la PTAR estará situada en la Col.

Tránsito en las calles de Clavijero esquina con Lorenzo Bouturini, Delegación

Cuauhtémoc, cuyas coordenadas geográficas son: Latitud 19O25’ Norte. Longitud

99O8’ Oeste.

Como se aprecia en el figura 5, esta localización cuenta con todos los servicios y

excelentes vías de comunicación, resultando muy conveniente la instalación en

este punto geográfico.

38


Aún cuando todos los diseños de la PTAR se hacen basándose en la problemática

de la planta Sur, no se descarta la posibilidad de adaptarlos o corregirlos en

primera instancia para cualesquiera de las sucursales de la SCTP, así como para

la industria refresquera en general.

39

Tratamiento de ,4aua Residual Industrial

8. CAPACIDAD DE LA PLANTA

Para determinar la capacidad de la planta es importante mencionar que ésta es

cautiva de la producción. Es conveniente puntualizar que la planta del Sur genera

diversos productos: el agua embotellada Pascual, la bebida Boing en sus tres

presentaciones, TETRA PAK, TRETA BRlK y botella; los refrescos con gas LULÚ y

Pascual.

La Planta del Sur cuenta con un pozo con el cual cubre sus necesidades de agua

extrayendo un flujo intermitente de 1483.37 m3 por día, de los cuales el 52 % se

emplea en las líneas de producción, el 13.2 % en calderas y el 34.8 % se destina a

servicios generales.

De acuerdo a los datos reportados desde 1995, la cantidad de efluente de la línea

de producción representa aproximadamente el 30 % de la producción total, y esta

cantidad unida al efluente del área de servicios generales que es aproximadamente

un 65% del agua utilizada en este punto, nos da el efluente total a tratar, que es

alrededor del 46.4% del total de agua que entra a estas dos áreas. Para este

sistema de tratamiento no consideramos el efluente del área de calderas, debido a

su casi nula contaminación, sin embargo proponemos que sea reutilizada, tratada

con el sistema previo a la entrada.

En la Tabla 7 - Gráfica 6 muestran datos anuales de producción de refresco sobre

la base del agua empleada, así como el efluente total anual generado por esta

empresa

Tabla 7 Año Efluente Total(m3) Efluente de la línea Producción total (m3)

de moducción (m3) 1995

79650.38 31440.94 104 803.1289 1996 99167.04 39144.88 130 482.9496

1997

1 63539.83 64555.20 215183.9897 2000 1 22227.33 48247.63 160 825.4324 1999 87804.56 34659.70 1 1 5 532.322 1 1998 83486.35 32955.14 1 O9 850.4621

40

Iratamiento de Atwa Residual Industrial

Gráfica 3

Efluente anual (m3 m i e n relación la Produccion de refrescqm3 de agua/ año)

m Producción total Efluente total

Se estima que la producción de la planta en el año 2000 será de 215183.9897 m3 y

fijando nuestra atención únicamente en las tendencias (producción - desecho) que

se han dado en los últimos años, no se descarta la posibilidad de alcanzar la

capacidad máxima de planta Sur de Pascua1 en 5 años, que es de 250 O00 m3 /

año de agua convertida en producto, con lo cual se generaría un efluente de 75,000

m3/año, solo de la línea de producción, pero unido a la salida de servicios seria un

total de 1151 17.91 m3.

Considerando que la planta no puede exceder su límite de producción,

determinamos que la capacidad máxima de la PTAR será de 190,000 m3/año.

41


9. DETERMINACIóN DE PARÁMETROS DE CALIDAD

Se analizó el efluente de la SCTP de acuerdo a los procedimientos establecidos en

las Normas Oficiales Mexicanas, considerando los contaminantes característicos

de las descargas de la industria refresquera, mostrándose los resultados en la

tabla 8

Tabla 8 1 Parametros Norma de Calidad Valor Establecidoi encontrado

Valor '

(mgm 6.9 - 8.5 I 7.9

I I

27OC - I Ph NMX-07-1980

NMX-08-1980 I TemDeratura 1 Grasas v aceites NMX-05-1980 92 I O

I

NMX-93-1984 Conductividad Eléctrica

81 O um hos/cm

~ 0 . 0 0 6 ~ O,.? , 0.074 co.01 0.05

~ L

NOM-58-1 982 NOM-51 -1 981

1 Cromo Hexavalente NOM-44-I 981 1 Mercurio NOM-51 -1 981 co.02 I O

NOM-51 -1 981 0.2635 I O NOM-40-1 993 NOM-39-1 980 1 SAAM

1 DQO NOM-30-1 981 1 DBO NOM-28-1 981 833 I 2.5 I 1 Sólidos Totales Sólidos DisDersos

10135 I 511 NOM-34-1 981 - NOM-20-1 981 NOM-20-1 981 6080 +-Go 1 Sólidos Volátiles NOM-20-1 981 Sólidos Fijos

1 Sólidos NOM-34-1 981 c0.02 1 [Suspendidos -___ "" _ _ ~ __

42

Tratamiento de Agua Kesidual Industrial

9.1 Principales parámetros para caracterizar un efluente.

DBO - Demanda Bioquímica de Oxígeno: Es una medida de la materia orgánica

presente en el efluente y que es capaz de ser oxidable por procesos biológicos,

esta expresada en mg de 0 2 / I requeridos para la oxidación bioquímica usualmente

incubada en 5 días a 2OoC , llamada entonces DB05.

DQO - Es una medida de los compuestos orgánicos oxidables químicamente por

dicromato de potasio, esta expresada como la cantidad de 0 2 en mg/l requerida

para la oxidación química del efluente bajo condiciones específicas. Generalmente

el DQO es mayor que el DBO.

SST - Sólidos Suspendidos Totales: Este parámetro da información de la

composición y el efecto contaminante de los efluentes.

ST- Sólidos Totales: Es la suma de los sólidos contenidos en el agua mas las

sustancias disueltas en ella.

pH: Aún cuando se presenta en un amplio rango de variación, los valores mas

comunes se encuentran entre 5 y 1 1, siendo el óptimo para su descarga entre 6 - 8

unidades.

43


I O . PUNTO DE CONSUMO

El punto de consumo es la etapa dentro del proceso en donde se requiere el

suministro de una materia prima, en este caso el agua.

Debemos por lo tanto, realizar un estudio del proceso e identificar:

a) El ó los puntos que pueden abastecerse con Agua Residual Tratada

(ART).

b) Las características del agua para el punto determinado.

c) La cantidad de ART para cubrir totalmente o en su defecto de manera

parcial la demanda de dicho punto.

Figura 6 Diagrama general de la ruta del agua

Diagrama de proceso

l. - 3. - 5. - 7 . -

y U

Pozo de suministro. 2. - Planta refresquera. Calderas. 4. - Línea de producción. Servicios generales. 6. - Tuberías y equipo de Regaderas, Sanitarios, lavabos, etc. A.N.: Aguas negras

lN.1 proceso.

A.

44

‘I‘ratamiento de Agua Residual Industrial

En la figura 6 observamos que se extrae de un pozo cubriendo las necesidades de

la planta: calderas, producción de refresco y servicios generales, ocupando el 13%,

52% y 35% del agua extraída respectivamente. Generándose agua residual de

cada uno de estos puntos en mayor o menor porcentaje; de servicios generales

sólo se considera el AR de lavado de tuberías, equipo de proceso, pisos y equipos

de transporte, en tanto que los servicios personales como son sanitarios y

regaderas generan las llamadas aguas negras.

El agua que se utiliza para calderas permite la generación de vapor o energía. En

general, la calidad del agua debe ser tal que no deposite sustancias incrustantes,

no corroa al metal de las calderas o de las líneas de conducción y no ocasione

espumas. Un agua de tales características es difícil de encontrar en estado natural,

por lo que las condiciones de calidad se logran mediante tratamiento, pero

considerando el hecho de que esta agua sale del proceso casi limpia optamos por

separarla de la corriente de agua residual a tratar, evitando de esta manera tener

un volumen mayor de agua residual y por supuesto diluido.

En cuanto al agua para proceso, es decir la que se incorpora en la manufactura del

producto, o que pasa a formar parte del producto terminado, o el agua empleada

como medio de transporte de los productos. La calidad del agua requerida para el

proceso debe ser de calidad comparable a la del agua potable, para la industria

refresquera la calidad de agua demandada esta definida en normas específicas.

Cuando hablamos del agua en servicios generales, nos referimos al uso de ésta

para la limpieza de las instalaciones, servicios sanitarios, usos personales y en

ocasiones riego de áreas verdes. El agua para servicios requiere de cierta calidad,

sobretodo cuando se emplea para usos personales, la calidad debe de ser potable.

En principio, de manera independiente al punto de consumo elegido, el ART deberá

de ser de una calidad considerada como potable, pero definitivamente aún cuando

el ART alcance este nivel (sin considerar los gastos que esto implicaría) no podría

ser reutilizada en el área de producción ni en servicios personales, por simple

45


recelo social; únicamente podrá ser destinada a calderas y/o servicios generales

como lavado de patios, equipos y automóviles.

Pero las calderas serán abastecidas casi en su totalidad con la corriente que salga

de ese punto, considerando su casi nula contaminación se llevará a un tratamiento

menor que el aplicado en su primer entrada.

Considerando los puntos anteriores, la mejor opción es enviar el ART a servicios

generales, abasteciendo de esta manera la demanda en ese punto, la cantidad de

ART no cubrirá en su totalidad la demanda por lo que será necesario extraer una

pequeña cantidad de agua natural, para suplir completamente la demanda.

La’calidad del efluente terciario que será producido por la PTAR tendrá que cumplir

con los parámetros que se encuentran dentro de la norma de agua potable. (Tabla

9).

46

Tratan~iento de Amla Residual Industrial

Calidad físico, química y biológica de agua potable

Tabla 9 j Parámetros i ~

Tunidades I

__ ."" ". .

Norma de agua] potable ~

I I

F ísioo PH 16.9-8.5 Color

1 Químicos 1 Sólidos Disueltos T mg/l 51 O Sólidos Suspendidos mg/l 1 -4 51 1 mg/l Sólidos Totales

81 O i Mhqb/cm Conductividad eléctrica 10 UTN Turbidez 20 Pt/CO

1 Grasas y aceites mg/l 1 Dureza Total mg/l (CaC03) I Cloruros ma/l ! DB05 Total i mg/I LDQO Total 1 mg/l Nitrógeno amoniacal mg/l Alcalinidad total mg/l (CaC03) Cianuros ma/l 1 Cobre

i Cromo Hexavalente --"--- I Plomo mg/l ! so1 ma/l Zinc I mg/I Fósforo Total mg/l

l mall 1 Man aneso *os

o. 1 0.5

Contaminantes orgánicos 0.2 Maanesio 50

I

:o0 "----j 250 i 2.5 4 O. 5 I 400 0.02 i

"I 1.5 1 0.05 I

:$ 5 I 0.5 1 O. 5 " "J

Biológicos Coliformes Fecales Colonias/l O0 ml O Coliformes Totales O "---- Colonias/l O0 ml

47


I 1 .I Análisis funcional

El análisis funcional es un método que se ubica dentro de lo que es el desarrollo y

diseño de procesos. Consiste fundamentalmente en realizar un análisis de cada

una de las operaciones y de los equipos en que se realizan para un proceso dado.

(Tabla IO)

Tabla I O . I

Coagulador

Neutralizador

Reactor biológico

Clorador

Función

Elimina el 100% de SS, el 80% de SO4 y del 6O-8O% de metales.

Permite mantener el pH en el rango deseado

Degrada la materia orgánica, reduciendo el 10% de SS, del 80- 95% el DBO y del 7-10% los SO4.

Destruye organismos patógenos

Relación con el proceso olobal Logramos un alto grado de limpieza Eleva el pH hasta 11.5

Mantiene un PH establecido para la alimentación del reactor

Reduce los niveles de materia orgánica soluble

Alcanza calidad potable

En esta tabla se especifica cada una de las acciones realizadas en el sistema empleado, verificando que con el uso de estos equipos se alcanza el objetivo "agua limpia".

49


12. MATERIALES Y MÉTODOS

En este capítulo se presentan los materiales, metodología y técnicas analíticas

usadas en el desarrollo de este trabajo para el estudio del reactor biológico

implementado.

12.1 Inoculos.

Se utilizó un lodo floculento proveniente de la Planta Piloto de Tratamiento de

Agua Residual de la UAM Iztapalapa. De acuerdo a la bibliografía estos

microorganismos se clasifican como Archaeobacterias, cuya fisiología fue descrita

en el capitulo 4.

Estas bacterias fueron recolectadas en frascos cerrados y obscuros,

manteniéndose a una temperatura de 3OC en tanto que no fueran inoculadas en el

reactor. Una vez utilizadas, se deben mantener a una temperatura

aproximadamente de 35OC (temperatura optima para su funcionamiento).

Los microorganismos fueron observados al microscopio óptico, siendo imposible la

percepción de éstos, debido a que son de un tamaño aproximado de 10-70 micras,

no obstante para obtener mejores resultados se requiere un microscopio

electrónico de barrido (MEB).

12.2 Soporte

La principal característica de estos reactores, es la utilización de microorganismos

inmovilizados en soportes inertes, donde se forman una película microbiana de

tamaño uniforme, sometida a un flujo tal que se evite el arrastre de bacterias.

De la literatura se reportan algunos soportes factibles para el cultivo de

microorganismos, dentro de los cuales destaca la arena de mar, que se considera

un sólido en el cual se facilita la formación de biopelículas en lechos fluidizados en

tratamientos de aguas, el cual tiene las siguientes características:

50


Arena de mar

D Sólido no poroso

Q Densidad = 1.4 g/cm3

3% Diámetro promedio = 0.03085 mm

12.3 Reactor tubular

En la figura 6 se muestra el sistema utilizado, que consiste en un reactor tubular de

acrílico, con un diámetro interno de 5.6 cm y un volumen de 3000 ml, dos bombas

peristálticas, un recirculador que mantienen la temperatura de un baño térmico de

35 a 4OoC y un serpentín dentro de dicho baño que facilita la transferencia de calor.

r Entrvldo I i

I ' /

Salido

Alimentoción

51

'Tratamiento de A w a Residual Industrial

12.4 Análisis hidrodinárnico

Para determinar la velocidad mínima de fluidización (la transición de lecho

empacado a fluidizado) se empacaron 33.5 cm de altura del reactor con arena y se

inició el flujo de agua a través del lecho. Se aumentó la velocidad del fluido hasta

que el soporte presentó en expansión total, disminuyéndose gradualmente la

velocidad del flujo de entrada, induciendo el acomodo uniforme de las partículas de

arena, una vez con el lecho empacado se dejo reposar 48 horas, obteniendo por

consiguiente un lecho compacto.

Se inicia el flujo de agua, incrementando la velocidad del flujo paulatinamente y

determinando el flujo volumétrico, la altura y la velocidad del fluido. Estos datos se

encuentran en la tabla I 1 de Resultados (Capitulo 13).

12.5 Arranque y estabilidad.

Para la etapa de arranque se adicionaron alrededor de 500 ml de bacterias

operando a circuito cerrado. Alimentándose una solución concentrada de pulpa de

fruta. Para disminuir el tiempo de inoculación se recomienda alimentar con

bacterias frescas, extrayendo la misma cantidad de Iodos que fueron alimentados.

Una vez que las bacterias se han inmovilizado en el soporte, se puede constatar

de manera visual cuando el soporte presenta un color homogéneo similar al de los Iodos (gris oscuro), indicando que ya se ha formado la película microbiana,

entonces se extraerá el exceso de microorganismos y arena no depositada en el

fondo y se alimentará 0.6 L/h de agua residual con una DQO de I000 mg/L

teniendo así, un tiempo de residencia de 6 horas y una recirculación de 1.3.

Para la determinación de la cinética de degradación de materia orgánica, se hizo

de manera teórica. No obstante se hizo una revisión de los principios para la

evaluación de la cinética de reacción experimentalmente (Apéndice A)

52


12.6 Análisis fisicoquímico y biológico

Los parámetros determinados son los que se muestran a continuación.

a) Sólidos suspendidos totales, fijos y volátiles.

b) PH c) Demanda Química de Oxígeno (DQO) total.

d) La cantidad de biogas producido y su composición.

e) La cantidad de biomasa generada e inmovilizada.

f) La cinética de reacción.

El análisis fue mediante los Métodos estándar de análisis de la calidad del agua

53

Iratamiento de ,4Wa Residual Industrial

13. RESULTADOS EXPERIMENTALES

13.1. Hidrodinámica

Los datos obtenidos del estudio hidrodinárnico se encuentran en la tabla 11. En

esta tabla podemos observar que la velocidad mínima de fluidización es de 0.0156

cmls.

Tabla 1 l. Datos de velocidad superficial experimental.

59.5 52.8

0.367 9.04 0.301 7.41

49 43.3

0.254 6.25 0.19 4.68

I 38.1 I 3.39 1 O. 138 I L

27.9 0.382 27.8

o. o99 2.44 0.01 56

I 27.8 1 0.246 I 0.01 I

Gráfica 3. Datos de velocidad superficial vs. Altura del lecho. 65 I 1 I

velocidad superficial (cm/s)

54

Iratamiento de Agua Residual lndustrial

Gráfica 3'. Acercamiento de la gráfica 3, en la

región de velocidad superficial estable.

38

0.0 0.1

velocidad superficial (cm/s) o .2

13.2 pH

Las bacterias trabajan con mayor eficiencia bajo condiciones neutras de pH, esto

es en el rango de 6.5 a 8.2. Fuera de este rango se reduce la capacidad para

degradar la materia orgánica, lo cual detiene el metabolismo de digestión.

En la gráfica 4 se muestran los valores reportados de pH del reactor desde el día

de su arranque. Debido a fallas en la operación del reactor, éste se acidifico, con lo

cual la vía metabólica de digestión se detuvo en la etapa acidogénica, sin alcanzar

la metanogénesis, disminuyendo por lo tanto la producción de metano. Para

mantener el pH optimo se monitoreo, adicionando en caso necesario una solución

de hidróxido de sodio 1 N, en una proporción de 1 ml de NaOH por cada litro de

agua contenida en el reactor.

- Tratamiento de Agua Residual Industrial

PH

Gráfica 4. Variación del pH. 9 1 I I I I

8 I' .-¤ .,*m - i / /

m I- m...

\ i

.-.--m+ 'd

~

i

I 7 - -

, I

I I 1

1 I

6- - I I

,,.m ! m m ' .' ,...

5- I /

m -

I I I I I

O 10 20 30 40 50 Tiempo (días)

13.3 DBO, DQO, Biomasa y Biogas producido.

DBO

2.765 1280 1920

3.024 1400 2100

cm3/min mg/l mg/l

Biogas Biomasa DQO

1500 2.16 1000

Existe una relación entre la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la Demanda

Bioquímica de Oxígeno (DBO), debido a que estas representan la cantidad de

materia orgánica e inorgánica en el agua.

DBO = 1.5 DQO

Esto es entendible ya que el DQO solo esta en función de la materia orgánica, en

tanto que el DBO contempla a toda la materia, orgánica e inorgánica.

56


13.4 Cinética de degradación de materia orgánica

Existe una ecuación empírica que describe la degradación de la materia en

términos de la cinética de las enzimas esto es la ecuación de Monod y que

representa la variación general de la velocidad de crecimiento con la concentración

de sustrato excepto bajo las condiciones inhibitorias de concentración alta.

k SX LLS m a dt K + S

- - ~~

S

en donde

dS/dT = tasa de crecimiento de microorganismos, mg/L*d

kmsx = tasa máxima de crecimiento especifico gr DQOlg SSV* día

S = concentración de sustrato (en contacto con biomasa) mg/L.

X = concentración de biomasa, mg/L.

Ks = concentración de saturación media, mg/L.

En teoría, tenemos que para condiciones de un proceso anaerobio a T = 35OC, un

DQO = 1000mg/L y pH = 6.5-8.2, las constantes de reacción son:

kmáx = 6.67 días"

K = 164 mg/L.

13.5. Resultados Generales

Flujo volumétrico 1 296 m/h Velocidad al 20% de expansión 23.4 m'/h

I Tiemrso de retención hidráulico 16.69 h I Recirculación

I

11.3

57

‘Tratamiento de Agua Residual l~~dustr ia l

14. DlMESlONES DE EQUIPO Y ACCESOCIOS

Tanques atmosféricos:

Coagulador 4 895 1.56 1.32 I 1 .O4 Contenedor del coaaulante

31 225 3.34 13.00 I 2.23

Tanque de almacén de

172 500 6.63 5.42 78.27 Reactor biolóaico (2) 4 895 1.56 1 .O4 1.32 Tanque de almacén del HCI

sólidos coagulados 4 525 1.51 1 1.20

Tanque de almacén del I NaOH I I 2.44 I 4 4101 Contenedor del biogas

25 O00 5.63 3.75 11.70 Clorador (21 0.23 0.15 4.35E-3 x

Tanque de almacenamiento del cloro 1-32 I 4 895 I Accesorios: Bombas, válvulas y tuberías.

Bombas (5) 1 230 Válvulas Check (3) 2200 1/25 hp

Válvulas de bola (3) 600 Válvulas niveladoras (5)

251 m DI= 5 cm Tubería de línea 1 800

251 m DI= 5 cm Tubería de línea 3 151 m DI= 1 cm Tubería de línea 2

Tubería de línea 4

251 m DI= 5 cm Tubería de línea 6 151 m DI= 1 cm Tubería de línea 5 251 m DI= 5 cm

Tubería de línea 7 301 m DI= 8 cm Tubería de línea 8 251 m DI= 5 cm

Tubería de línea 9

301 m DI= 8 cm Tubería de línea 13 251 m DI= 5 cm Tubería de línea 12 251 m DI= 5 cm Tubería de línea 1 1 251 m DI= 5 cm Tubería de línea 1 O 301 m DI= 8 cm

DI = Diámetro interno

58


15. EVALUACI~N ECON~MICA

15.1 Inversión

Equipo 25 480 Equipo accesorio

424 775

I Total I 450 255

15.2 Producción

[ Materia prima 55 O00 Servicios 150 O00

Vapor Electricidad Agua de enfriamiento

4 técnicos 1 Ingeniero

Mano de obra directa 261 600

Costos indirectos 165 O00 I

Gastos generales I 88 200 I I Total I719 800 1


15.1 Recuperación

En este punto se considera principalmente el costo por extracción, referido en el

APÉNDICE A

Una vez iniciado el funcionamiento de la planta

I 286 159.68 I 2 752 856.1 I 2 383 069.6 I

60


I I . CONCLUSIONES

El reactor que ofrece más ventaja según el estudio realizado es el RLF, ya que

tiene una remoción del 80 al 90% de la materia orgánica, que es mayor a la

presentada por cualquier otra configuración.

El proceso es de tipo anaerobio el cual minimiza inversiones energéticas y

monetarias, debido a que no requiere inyección adicional de oxígeno, además de

proporcionar una fuente de energía con la producción de metano.

El sistema contribuye en gran medida a disminuir el problema planteado en este

trabajo, debemos recordar que el problema de la falta de agua esta muy ligado al

problema económico, y dentro de este contexto la planta de tratamiento se ubica

perfectamente, ya que una de sus principales virtudes es el bajo costo de

implementación y mantenimiento.

Además de la razón anterior las ventajas que ofrece la implementación de la planta

de tratamiento propuesta, son claras, aún cuando se tenga que pagar la inversión

de la PTAR disminuye de manera notable el monto a pagar por la explotación del

subsuelo, con lo cual se reduce de manera satisfactoria el capital empleado en la

producción de refrescos.

111. SUGERENCIAS PARA PROYECTOS FUTUROS.

Una investigación del uso del agua dentro de una planta de proceso, mostrará

áreas donde se pueda lograr ahorros en el uso de agua. Como el agua que pasa a

través de un proceso tiende a terminar en el tratamiento de aguas residuales ó en

el sistema de eliminación, una reducción en el uso del agua en la planta reducirá

también la carga sobre el sistema de aguas residuales y por tanto sus costos de

operación.

61


111. BIBLIOGRAFíA

LOPEZ, Alegría Pedro. Abastecimiento de agua potable, disposición v eliminación

de excretas. Editorial: IPN. 1971.

DAVIS, S.N. Hidroaeoloaía. Editorial: Aries. 1971.

SETLE, Rubens. Introduction to wastewater treatment processes. Editorial

Academic Press, Inc. (LONDON) LTD.

W., SETE Ernesto. Abastecimiento de agua y alcantarillado. Editorial GG Barcelona. 1981.

Custodio, E. Hidroloaía subterránea. Editorial: Omega. Barcelona. 1983.

RAMIREZ, Clemente. Tratamiento de aguas residuales industriales. Editorial:

UAM-Azcapotzalco.

TURK, Turk Wittes. Ecología, contaminación y medio ambiente. Editorial:

Interamericana. 1973.

FAIR. Purificación de aguas, tratamiento v remoción de aguas residuales. Editorial:

Limusa. 1984.

Lev Federal en Materia de Aaua.

Lev de Aquas Naturales v su Reglamento.

Comisión Nacional del Aaua.

INEGI.

62

l’ratamientcl de Agua Residual Industrial

SOANEZ Calvo, Mariano Aguas residuales urbanas. Tratamientos naturales de

baio costo Y aprovechamiento. Colección: lnaeniería Medio ambiente. Ediciones:

Mundi- Prensa. Madrid, España. 1995.

F.J. López Martinez. El principal problema de las plantas de tratamiento de aquas

residuales Y saneamiento II. Agua Potable V.9, N. 11 1 , Diciembre 1994.

Oriqen de alaunos contaminantes químicos en el aaua. Merk de México para Agua

Potable.

A.D. Eaton, L.S. clesceri y A.R. Greanberg. APHA-AWWA-WPCF (1995) Standard

Methods for the Examination of Water and Wastewater. United Books Press, lga

edited U.S.A.

ATKINSON, B., Reactores bioquímicos. Editorial: Reverté. 1986. México.

BALCH, W.E., Fox, G.E., Magrum, L. J., Woese, C.R. y Wolfe, R.S. (1 979)

Methanogens: Reevaluation of a unique group. Microbiological Rev., 43 (2) 260-

296.

BRYANT, M., Wolin, M. y Wolfe, R (1967) Methanobacillus omelianskii, a symbiotic

association of two species of bacteria. Arch. Microbiol. 59: 20-31.

FAN, L-S., Muroyama, K. y Cherm, S-H (1982) hydrodynamic characteristics of

inverse fluidization in liquid-solid and gas-liquid-solid systems. The Chem. Eng. J. 24: 143-1 50.

GONZALÉZ, G., Ramirez, F y Monroe, O. (1992) Development of biofilms in

anaerobic reactor. Biotech. Letters, 14 (2): 149-1 54.

Gorris, L.G.M., Van Deursen, J.M.A., van der Drift, C. y Vogel, G.D. (1989 Bolfilm

development in laboratory methanogenic fluidized bed reactors. Bioeng. 33: 687-

693. 63


Guiot, S, (1992) Bioprocesos Anaerobios para el Tratamiento de Efluentes

industriales. UAM/ORSTOM/IMP, México.

Guyot, J.P., Noyola, A. y Monroy, O. (1 990) Evolution of microbial activities and

population in granular sludge from an UASB reactor. Biotechnol. Lett. 12: 155-1 60.

Heijnen, L.L., Mulder, A., Enger, W, y Hoeks, F. (1989) Review on the application of

anaerobic fluidized bed reactors in wastewater treatment. The Chem. Eng. J. 41:

B37-B50.

Henze, M. y Harremoes, P. (1983) Anaerobic treatment of wastewater in fixed film

reactors-A literature review. Wat. Sci Tech. 15: 1-101.

Holst, T.C., Truc, A. y Pujol, R. (1997) Anaerobic fluidized beds: ten years of

industrial experience. Proc. 8* Int. Conf. Anaerobic Digestion, 2: 142-149.

Jeris, J. S. y McCarty, P.L. (1965) The biochemistry of methane formation using 14C

tracers. JWPCF 37: 178-192.

Kunii, D. y Levenspiel, O. (1991) Fluidization Engineering. Series in Chemical

Engineering. 2a de. Editorial: Butterwortth-Heinemann, USA.

Meraz Rodriguez, Mónica. Inmovilización de bacterias anaerobias en un lecho

fluidizado inverso. Tesis Doctoral, Universidad Autónoma Metropolitana. 1998.

Monroy, O. Modelamiento y control de un sistema de digestión anerobia en dos

etapas. Tesis Doctoral, Fac. de Química, UNAM, 1998.

Monroy, O. Meraz, M., Montoya, L., Famá, G. y Macarie, H. (1997) Anaerobic

digestions en México: State of the technology, limitations and potential for its

development. Proc. 8* Int. Conf. On Anaerobic Digestion, 2: 272-284.

64

Tratamiento d e , 4 w a Residual Industrial

Muroyama, K. y Fan, L. S. (1985) Fundamentals of gas-liquid-solid fluidization.

AICHE J. 31: 1-134.

Nikolov, L. y Karamanev, D. (1987) Experimental Study of the inverse fluidized bed

biofilm reactor. The Canadian J. Chem. Eng. 65: 214-217.

Noyola. A., Capdeville, B y Roques, H. (1988) Anaerobic treatment of domestic

sewage with a rotating-stationary fixed-film reactor. Wat. Res. 22 (12):

Ramírez Clementina. Tratamiento De Aguas Residuales Industriales. Universidad

Autónoma Metropolitana. Unidad Azcapotzalco. México, 1992

Ruíz Martinez, R.S. y López lsunza F. Modelamiento de un reactor de lecho

fluidizado con tubos horizontales. Avances en Ingeniería Química. Cinética,

Catálisis e Ingeniería Química. México.

Ruiz Martinez, R.S. et al.,Hidrodinámica de un bioreactor de lecho fluidizado

líquido-sólido. Avances en Ingeniería Química. Cinética, Catálisis e Ingeniería

Química. México.

Tratamiento Anaerobio. IV Seminario-Taller Latinoamericano Sobre Tratamiento

Anaerobio De Aguas Residuales. Red Colombiana De Biotecnología Ambiental.

Universidad Industrial De Santander. 1996. Colombia.

65

IV. APÉNDICE A

A.1. Determinación de parámetros fisicoquímicos.

A.l .I .Sólidos totales, fijos y volátiles.

Se determinarán sólidos totales (ST), fijos (SF) y volátiles (SV) según los métodos

estándar de muestre0 (1988). Estos últimos se expresan como sólidos volátiles

inmovilizados (SVI) y se relacionan con los ST que se expresan como sólidos

totales inmovilizados (STI) para determinar de esta forma la fracción de material

orgánico de la biopelícula (SVI/STI).

A.1.2. pH

Se toma una muestra de 25 ml de efluente con pipeta volumétrica y se colocan en

un vaso de precipitados y se someten a agitación. Se mide el pH de la muestra con

la ayuda de un potenciómetro y se registra.

A.1.3.Demanda Química de Oxígeno.

Se toman 5 ml de muestra y se colocan en un vaso de teflón, adicionando los siguientes compuestos y soluciones en el orden que a continuación se presenta:

I .- O. 1 gr de HgS04.

2.- 0.5 ml de una solución Ag2SOdH2S04 0.25 N

3.- 5ml de K2Cr407/H20 0.25 N.

4. - 7 ml Ag2S04/H2S04 0.25 N.

66

Tratamiento de A m a Residua! Industri&

Se introducen en un horno de microondas por 10 minutos al 45 YO de operación.

Posteriormente se aforan con 50 ml de agua desionizada. Se titula con Fe(NH4)S04

0.25, usando ferroín como indicador.

DQO (mglL) = ( a - b ) 8 0 0 0 * ~ . F

m

en donde:

a: volumen de sulfato ferroso amoniacal para el testigo

b: volumen de sulfato ferroso amoniacal para la muestra

c: normalidad del sulfato ferroso amoniacal

m: volumen de muestra

t: volumen de sulfato ferroso amoniacal para la normalización.

F = factor de dilución (m1 aforados / ml muestra)

A.1.4. Demanda Bioquímica de Oxígeno

Se determina el porcentaje de dilución de acuerdo al siguiente criterio: de 0.1 a

1.0% para desechos industriales concentrados, 1 a 5% de agua de desecho no

tratada, de 5 a 30% para efluentes de tratamiento biológico y 25 a 100% para

aguas de río contaminadas y para efluentes de tratamiento terciario.

Para prepara las diluciones en botellas de DBO, agregar el volumen de muestra

deseado y aforar con agua de dilución, Tapar las botellas herméticamente y no

permitir burbujas de aire en su interior, e incubar por cinco días a una T = 20°C.

Preparación de agua de dilución: Adicionar por cada litro de agua, 1 ml de cada

una de las siguientes soluciones: Amortiguadora de fosfatos, MgS04, CaC12 y

FeC13.

Blanco de agua de dilución: Usar un blanco de agua de dilución como una medida

de la calidad del agua de dilución no inoculada y limpieza de los frascos de 67

Tratamiento de A w a Kesidual Industrial

incubación. Junto con cada grupo de muestras incubar una botella de agua de

dilución sin inocular. Determinar el oxígeno disuelto inicial y el oxígeno disuelto

final. El oxígeno consumido no debe ser mayor de 0.2 mg/l y preferentemente no

más de 0.1 mgll.

Determinación de oxígeno disuelto. Usar un oxímetro para determinar el oxígeno

disuelto inicial y final tanto de las muestras, como del testigo y el blanco.

La determinación de DB05 es mediante la siguiente expresión matemática:

en donde:

ODi = Oxígeno disuelto de la muestra diluida, después de la preparación (mg/l)

ODf = Oxígeno disuelto de la muestra diluida, después de 5 días de incubación a

20°C (mg/l).

V = Fracción decimal volumétrica de muestra usada ( YO )

A.1.4. Tiempo de retención hidráulico (TRH)

Es el tiempo necesario para el recambio del volumen total del reactor.

en donde

V = volumen (L)

Q = caudal del influente (L/día)

68


A.l S . Cuantificación de biogas

De acuerdo al funcionamiento del sistema, se puede cuantificar el biogas de

manera experimental, al obstruir la salida del gas, provocando un incremento en la

presión dentro del reactor, implicando un desplazamiento del nivel de líquido.

Consideraciones:

Gas ideal

P constante = 590 mmHg

T constante = 300 O K

ni9 4

v = h

Estado 1:

PIVI= RnlTI

Estado 2:

P2V2= Rn2T2

Estado 2 - Estado 1 :

Combinando la ecuación (1) y (3) tenemos:

Tomando de referencia:

nl = O

hi = O

Entonces:

69


donde:

n2 = cantidad de moles acumulados

L = distancia desplazada

Para determinar la tasa de producción de biogas (N) en un intervalo de tiempo (1):

70


v. APENDICE B

B.l Diámetro para líneas con líquido:

ds = 0.619( t)'l Re = 50.60.639( :$]

64 Re

f = ~~ para flujo laminar Rec2000

37530 16

B = ( -iF)

M,,,, =0.0216* f *p*Q2 Jd'

en donde:

ds = diámetro interno superficial (in)

di = diámetro interno (in)

D = diámetro normal (in)

Q = flujo volumétrico (GPM) 71

Tratamiento de Agua Residual lndustrial

v = velocidad recomendada del fluido (Ws)

p = densidad del fluido (Ib/ft3)

p = viscosidad el fluido (cp)

E = factor de rugosidad (ft)

APl0o = caída de presión (psi)

6.2 Calculo del área del reactor

En donde

Areactor = (m2)

= velocidad mínima de fluidización (m/h)

Q = flujo volumétrico (m3/h)

B.3 Calculo de la razón de recirculación

v2''' = a velocidad de fluidización al 20 % de expansión (m/h)

= área de reactor (m2)

7 2

Tratamiento de Anua Residual Industrial

6.4 Calculo del volumen del reactor

H+l

en donde:

Q = Flujo volumétrico (m3/Concentración de A que entra al reactor (mg/l)

V = Volumen del reactor (m3/h)

R = Tasa de recirculación

-rA = tasa de reacción

B.5 Calculo de las dimensiones de tanques atmosféricos

V = A * h

A = x ?

D = 2 r

Usando la relación:

h = 1.5 D

73


VI. APÉNDICE c

De acuerdo a la Ley Federal de Derechos en materia de agua:

TITULO I I De los derechos por el uso o aprovechamiento de bienes del dominio

público

CAPITULO Vlll AGUA

ARTíCULO 223 Por la explotación, uso o aprovechamiento de aguas nacionales a

que se refiere este Capítulo, se pagará el derecho sobre agua, de conformidad con

la zona de disponibilidad de agua en que se efectúe su extracción y de acuerdo con

las siguientes cuotas: ...

A.- Por las aguas provenientes de fuentes superficiales o extraídas del subsuelo, a

excepción de las del mar, por cada metro cúbico: ... ..

El DF se encuentra dentro de la zona 1, esta es una zona de baja disponibilidad de

agua, en la cual se pagan:

$ 9.6 por metro cúbico.

Calculo del monto a pagar

M = e * p

Donde

M: monto a pagar ($/año)

e: cantidad de agua extraída (m3/año)

p: pago por cada metro cúbico extraído ($)

74

148.206.53.84148.206.53.84/tesiuami/UAM1135.pdf · alimentarias y de la cerveza constituye un...

Documents

Transcript of 148.206.53.84148.206.53.84/tesiuami/UAM1135.pdf · alimentarias y de la cerveza constituye un...