DISEO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CON GENERACION DE ENERGA ELECTRICA Y PRODUCCION DE BIO-FERTILIZANTES AUTOR Rosibel Ramy Rios Renteria.rosibel_309@hotmail.com ASESOR Ing. Manuel Ros Rodrguez.soir33@hotmail.com

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO - UNPRG Facultad de Ingeniera Mecnica Elctrica Escuela Profesional de Ingeniera Mecnica Elctrica Av. Juan XXIIIN 391, Lambayeque - Per Telfono: 051- 74 283146

RESUMEN Lafinalidaddelproyectoesplantearundiseoinnovadorparalautilizacindelosresiduosbiolgicosdeltratamientode aguas residuales, para la generacin de energa elctrica a travs del aprovechamiento de los gases obtenidos por el Proceso de Hidrolisis Trmico y la deshidratacin de la materia hidrolizada para la produccinde Bio-Fertilizantes con aplicacin directa a los campos de cultivos. PALABRAS CLAVES: Residual: Lo que resulta de la descomposicin o destruccin de una cosa. Hidrolisis: Descomposicin de un compuesto qumico por la accin del agua.Bio-Fertilizantes: Es un abono orgnico que no est fabricado por medios industriales. ABSTRACT Theprojectaimstobringinnovativedesigntotheuseofbiologicalwastetreatmentofwastewaterforpowergeneration throughtheuseofgasesobtainedbythethermalprocessofhydrolysisanddehydrationofthehydrolyzedmaterialforBio-fertilizer production directly applied to crop fields. KEYWORDS: Residual: Is the decomposition or destruction of a thing. Hydrolysis: Decomposition of a chemical compound by the action of water. Bio-Fertilizer: An organic fertilizer is produced by industrial means. 1.INTRODUCCIN. Graciasaldesarrolloeconmicoyaloscambios demogrficos,segeneranlasexpansionesdezonas urbanas,locualseinterpretacomounaumentodeaguas residuales. Unaalternativadesolucinesaprovecharalmximolos recursosresidualesparagenerarsimultneamenteenerga elctrica(noconvencional),energatrmica,yproducir bio-fertilizantesparaelapoyoalaagriculturaenla sociedad. Elproyectoconsisteenundiseoinnovadorpararealizar el tratamiento de las aguas residuales en una de las plantas delaciudaddeChiclayo,LagunasdeSanJos, realizndoseuntratamientobiolgico,paraluegoaplicar unprocesodehidrlisistrmicayfinalmentellegara obtener biogs, que se utilizara en la produccin de energa elctricayenergatrmica;yparalaproduccindebio-fertilizantes. Por lo cual se realizar un prototipo del diseo de la planta detratamientodeaguasresiduales,tomandocomo referenciasunadelasplantasdetratamientodelaciudad deChiclayo,lacualnosservircomopatrnparala elaboracindeclculosehiptesisyconclusionesalas que contribuirn para la ejecucin del presente trabajo. Esascomocontribuyoconelingenioparalamejor calidaddevidayconservacindelmedioambientedela sociedad. 2.PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO. Unodenuestrosretosactualesyfuturoseselcontrolyla conservacindenuestromedioambiente,elcualest siendoafectadoporlageneracindeenergaelctrica convencionalyelnousomximodelosrecursos residuales que fabrican diariamente la sociedad. Uno delos recursos que no aprovechamos son los slidos producidos en el tratamiento de aguas residuales. Unaalternativadesolucinparaaprovecharasumxima potenciaesterecursoesmanipulndoloatravsdeun procesodehidrolisistrmicoparalageneracinde energa elctrica y la produccin de bio-fertilizantes. Locualconllevaapresentareldiseodeunaplantade tratamiento deaguas residuales con generacin deenerga elctricayproduccin debiofertilizantes,basndoseen unprototipo,teniendocomoreferencialosdatosdela planta de tratamiento de Las lagunas de San Jos, ubicada en la ciudad de Chiclayo, departamento de Lambayeque. 3.PLANTEAMIENTO DE OBJETIVO. El objetivo del proyecto es dar una alternativa de solucinpara mejorarla calidad de vida de los seres vivos y hacer elusomximodelosrecursosresidualesparapoder generarenergasnoconvencionalesyproducirbio-fertilizantes para el apoyo a la agricultura en la sociedad. Esto se llevara a cabo mediante el diseo de un prototipo a escaladelsistemadegeneracindeenergayproduccin debio-fertilizantes,elcualnosservircomopatrnpara realizarclculosdeplantasdetratamientosdeaguas residuales. 3.1.OBJETIVO GENERAL. -Darsolucinaltratamientodelasaguas residuales para generar energa y bio-fertilizantes, mediantelaimplementacindeequiposcomoel biodigestoryluegoaplicarladeshidratacin osmtica mediante equipos electromecnicos.

3.2.OBJETIVO ESPECFICO. -Determinarlageneracindeenergaelctricay trmica con el proceso de hidrlisis y la obtencin de biogs para generar energa elctrica. -Identificar los efectos de los bio-fertilizantes en el campo como abono. 4.PLANTEAMIENTO DE HIPTESIS. 4.1.HIPTESIS GENERAL. Segnelprototipodiseadoparalaplantadetratamiento deaguasresidualesnosdebeproducirprimerobiogsal finalizar el proceso de hidrolisis trmica y de a ver pasado porelbiodigestor,yasdebegenerarsimultneamentela energaelctricaytrmica;yensegundolugarnosdebe producir bio-fertilizantes, al deshidratar la materia de lodos quesalendelbiodigestor,estamateriasedeshidrata aplicandoladeshidratacinosmticaconlatcnica mecnica y elctrica. 4.2.HIPTESIS ESPECFICO. -Se debe producir segn los clculos quepor un 1 kgdesolidosvoltiles,seobtiene1Nm3de biogs,locualproducira2.2kwhe(energa elctrica) y 1.8 kwhe (energa trmica). -Dadolosclculosporcada1kgdelodosque salgan del bio digestor, se obtiene 0.5 Kg de bio-fertilizantes. -Comoresultadodelasexpansiones,hayaumento deaguasresiduales.Alaumentarlasaguas residuales aumentan los slidos residuales quese vanaextraeryporlotantosegenerarenerga elctricanoconvencional,energatrmicaybio-fertilizantes. -Se mejorar la calidad de vida y conservacin del medio ambiente. 5.MARCO TERICO. El proceso de tratamiento de aguas residuales se va a dividir en tres etapas:-Tratamiento Biolgico de Aguas Residuales. -Proceso de Hidrlisis Trmica. -Produccin de Energa Elctrica y Bio-Fertilizantes Tratamiento Biolgico de Aguas Residuales.- Estetratamientoconsisteenunprocesodeseparacin de lodos y aguas. El primer paso se empieza con la filtracin de materias grandes a travs de las rejillas de entrada. Paraluegoprocederconlaeliminacindearena,a travs deun desarenado, despuses llevadaalrea de sedimentacinprimaria(enestafaseseobtienelos primeros lodos). Luego ser enviada a la planta de tratamiento biolgico y finalizar este proceso en la sedimentacin secundaria (enestafaseseobtienenlodosparalosposteriores tratamientos). Los lodos obtenidos de las sedimentaciones se envan a travsdecanalesalbuzndealmacenamientode lodos, y luego estos pasan por un pre deshidratador, los cualessonposteriormenteenviadosparasertratados en la segunda etapa. Fig. 1. Tratamiento Biolgico de Aguas Residuales. Proceso de Hidrlisis Trmica.- Elprocesosebasaenelreciclajedelaenergadelos lodosobtenidosenlaprimeraetapadeltratamiento biolgico de las aguas residuales. Loslodosquesalendelpredeshidratador,son enviadosaunsilo,delcualsalenparaempezarel proceso de hidrlisis trmica. Lahidrlisistrmicaesunprocesoenelquecadenas demolculaslargas,deltipodelacelulosay hemicelulosa,serompenenunmedioacutico obteniendo los componentes originales. Lo cual hace ms fluido la sustancia tratada. El tratando empieza conlapulpadelos lodos a97C, paraluegoserenviadosalreactor,enelcualsern sometidosa170Cyposteriormenteseenvanaun tanqueflash,esaqudondeelvaporexpandido desintegra la materia orgnica, de donde salen para ser conducidosaunintercambiadordecalor,elcualles bajalatemperaturaa40C,parapasarloaundigestor (bio digestor). Eneldigestorlamateriaorgnicasehidrolizapara dirigirserpidamenteaunafuentedeproduccinde biogsylosresiduosquequedaneneldigestorson dirigidos a un deshidratador. Fig. 2. Proceso de Hidrlisis Trmica. Produccin de Energa Elctrica y Bio-Fertilizantes.- Laproduccindeenergasebasaenel aprovechamiento del biogs que sale del digestor. Este recursonossirveparagenerarenergaelctricay trmica simultneamente, lo cual es aprovechable para los procesos de todo el sistema de tratado. Laproduccindebio-fertilizantessegeneragraciasa ladeshidratacindelodossalientesdeldigestor,los cualessedeshidratangraciasalatcnicamecnicay elctrica. Esta tcnica consiste en comprimir los slidos y luego inyectardescargarelctricasparaunmejorsecadode estos y as obtener fertilizantes para la agricultura de la sociedad. Fig. 3. Produccin de Energa Elctrica y Bio-Fertilizantes. 6.VENTAJASYDESVENTAJASDEL PROYECTO. 6.1.VENTAJAS: -Produccin de energa elctrica y trmica. -Elprocesoquesedaeneldigestor,reducey estabiliza la masa del lodo. -Sin emisiones de gases de efecto invernadero. -Reduccinalmnimodelvolumenfinaldelos residuos. -Conversin de la materia orgnica en energa. 6.2.DESVENTAJAS: -Mantenimiento del motor de cogeneracin -Mantenimientodelosequiposdetratamientode aguas residuales 7.PROCEDIMIENTO DE CLCULO. Con los datos recopilados de la Lagunas de San Jos, se procesaronmedianteslossoftwaresdeMATLABR2010a (Simulink), Solid Edge V17 y Autodesk Inventor 2010. Segnelprototipodeldiseo,laproduccindeenerga seria la siguiente: Porcada1kgdesolidosvoltiles,seobtiene1Nm3de biogs(metrocubiconormal-Cy1atm),locual producira 2.2 kwhe (energa elctrica) y 1.8 kwhe (energa trmica). Laobtencindebio-fertilizantesestadadoqueporcada 1kgderesiduosdelodosquesalgandelbiodigestor,se obtiene 0.5Kg de bio-fertilizantes. 8.EXPOSICIN DE RESULTADOS. Graciasaldiseodelareutilizacindelaguasepudo obtenerdatosfavorablesparalageneracindeenerga elctrica limpia (no convencional). Elbiogsqueseobtuvomedianteelprocesodehidrolisis trmicoresultoserrespetuosoconelmedioambientey energticamenteeficienteparatransformalosresiduosen electricidad,caloryproducirbio-fertilizantesparael beneficio del agricultor. Enelprocesadodelosresultadossepudoafirmarde manera general que la composicin del biogs es de cerca del 70% de metano (CH4), y 30% de gas carbnico (CO2), contrazasdegassulfdrico(H2S).Tambinsecitan pequeos porcentajes de N2, H2 y O2. Elobjetivoseconcretgraciasalaestrategiadeldiseo innovadorpresentadoenesteproyectoparamejorarlos sistemasdetratamientodeaguasresidualesenLagunas de San Jos de la ciudad de Chiclayo. Alanalizarlosresultadoyobservarmsdetenidamente pudimosdarnoscuentaqueeltratamientodeaguas residualesnosolopuedegenerarenergatrmicay elctrica a travs de la cogeneracin,sino que tambin se puede generar energa elctrica a travs de una Celda deCombustiblemediantereaccionesqumicas,ytambin graciasalaexpulsindeaguasenlosdeshidratadoresse puedegenerarenergaelctricamedianteunaturbina hidrulica. 9.DISCUSIN DE RESULTADOS. Losresultadosobtenidosenesteproyecto,muestranque despusdehabersimuladoelprototipodeldiseo innovadordelaplantadetratamientodeaguasresiduales se observa la eficiencia del diseo y se analiza el beneficio queestproyectocontribuiralasociedadenprode mejorarlacalidaddevidadelossereshumanosyla conservacin del medio ambiente. Porloanterior,seacepalahiptesisplanteadaenel presenteproyecto,debidoalasgrandesventajasque presenta este, para el bienestar humano. Porotrolado,secompruebaquenosololaimportancia radica en el bienestar y conservacin delmedio ambiente, sino que tambin en el lado econmico. Teniendoencuentaquelapoblacinaumentacadavez ms,yalincrementarsta,aumentalademandadde energa elctrica y a la vez tambin aumenta la cantidad de aguasresiduales,porlocualnosbeneficialainversinde centraleselctricasquetienencomorecursolasaguas residuales. Respecto al prrafo anterior y acorde con los resultados es importantesealarquesepuedeexplotaralmximolas aguasresidualesparapoderobtenerenergaelctrica,el procesodelaexplotacinmximasera,lacapturade energaelctricaatravsdelaceldadecombustible(el cualseejecutamediantereaccionesqumica),el aprovechamientodelasaguasdesalidadelos deshidratadores(elcualseraaprovecharlacadadestas medianteunaturbinahidrulica),ylaproduccindel biogsmedianteelprocesodehidrolisistrmico(estose aprovechamediante un sistema de cogeneracin). 10. CONCLUSIONES. El potencial del presente proyecto es enorme, aunque para que sean competitivas frente a los sistemas convencionales debern enfrentarsea diversos desafos. Elproyectonecesitamayorinvestigacinparaavanzar paramejorarlaeficienciaylaproduccinelctrica,e identificarlosmaterialesdemenorcostoquesepueden utilizar. La instalacin de un sistema de cogeneracin en una planta detratamientodeaguaspermiteusarelbiogspara producircaloryelectricidad.Estetipodeproyectoses viable en casi cualquier lugar del mundo. Por otro lado, la captacin del biogs producto del proceso dehidrolisistrmica,nospermiteevitaremanacionesde gases de efecto invernadero de gran incidencia, tales como elMetanoyelDixidodeCarbonoypromoversu desarrollo como fuente de combustible alternativa. En cuanto a las pilas de combustible, tendr que realizarse unainvestigacinprofundizadaparadesarrollarsey adems pararebajar elcostedesusmaterialesy aumentar su eficiencia energtica. Segnlosexpertosnocreenquelaceldadecombustible puedaserlabasedelafuturaeconomabasadaenel hidrgeno,aunquespodrncontribuirahacerms ecolgico el tratamiento de aguas residuales y a reducir de paso sus costes. Elaguaresidualluegodesutratamientosepuede almacenarenpequeosreservoriosparaproducirenerga hidroelctricaenhoraspico,garantizndoselaventade energaypotenciadurantelahorademayordemandade energa elctrica. En el caso del aprovechamiento hidroelctrico de las aguas residuales,debemosidentificaraestaoportunidadcomo una posibilidad de administrar la demanda, sobre todo si se puede planificar la produccin de energa en horas pico la cualdescongestionalaproduccincentralizada,el despachodecarga,lacongestindelsistema,laposible generacintrmicaenhoraspuntaconlarespectiva produccin de gases de efecto invernadero y los costos que generanenelmercadoelctricolamayordemandade energa en hora pico. Debemossinembargotenerencuentaquecualquierade los procesos anteriores de manera individual o combinada, puedensustentarporsmismoeltratamientototaldelas aguasresiduales.Yaqueporsutiempoderespuestay dinmicadefuncionamientodebensersuplementariosde los tratamientos convencionales. 11. RECOMENDACIONES DEL PROYECTO. Pararealizar(fabricar)unprototipoaescala,senecesita altosrecursosmonetarios,porlocualesbeneficiario realizarlo mediante un software o softwares. Elempleodesoftwareparalasimulacindelproyectoes muysatisfactorio,rentableyventajosoyaqueayudaa predecir rpidamente los cambios que se producen durante el procesamiento del tratado de aguas residuales sin gastar muchos recursos monetarios (econmicamente). Tenermuchocuidadoalmomentoderealizarlatomade datos, para que no haya problemas al realizar los clculos. 12. BIBLIOGRAFA. Ronzano,Jos.TratamientoBiolgicodeAguas Residuales.PrimeraEdicin.EdicionesDazde Santos, S.A. MartnezDelgadillo,SergioAlejandro. TratamientodeAguasResidualesconMatlab. Editorial Revert. AngenentL,KarimK,Productionofbioenergy and biochemicalsfrom industrial and agricultural wastewater. Trends iotechnol. APHA(1998)StandardMethodsforthe ExaminationofWaterandWastewater(1998). 18th ed. APHA, AWWA, WEF. Washington, DC, EEUU. 1170 pp. LETTINGA,G.ycolaboradores.Highrate anaerobicwastewatertreatmentusingtheUASB reactorunderawiderangeoftemperature conditions. Wageningen. HASKONINGycoautores.Anaerobictreatment and Re-use of Domestic Wastewater, Pilot Plant VALCKE,D.&VERSTRAETE,W.Apractical method to estimate the acetoclasticmethanogenic biomass in anaerobic sludge. AISSE,M.M.,ROJAS,R.V.5BARTONE,C. Estudio Preliminar Comparativo entre Lagunas de EstabilizacinyReactorestipoUASB SimplificadosparaelTratamientodeAguas Residuales Domsticas. Lima, OPS/CEPIS. Linografa: -http://www.degremont.com -http://www.hrs-heatexchangers.com/es/hrs-heatexchangers/perfil/default.aspx -http://www.hrs-heatexchangers.com/es/recursos/casos-de-estudio/planta-de-evaporacion-de-aguas-residuales.aspx -http://www.eimcowatertechnologies.com/intakes/ -http://www.diariodeciencias.com.ar/?seccion=noticias&idpost=1215 -http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/119/htm/sec_8.htm -http://www.cadagua.es/index.asp?MP=2&MS=12&MN=2 -http://www.environmental-expert.com -http://www.rabtherm.com/images/stories/Flyer_EN.pdf -http://www.lacasasostenible.com/tratamiento-aguas/tratamiento-aguas-residuales.html -http://www.construsur.net/app/webroot/index.php/nota/index/Actualidad/tratamientode-aguasgrises -http://www.ecologiaverde.com/el-poder-de-las-aguas-residuales-urbanas/ -http://www.cbs.grundfos.com/export/sites/dk.grundfos.cbs/GMX_Mexico/downloads/Do -wnload_Files/Folleto_Aguas_Residuales.pdf -http://www.slideshare.net/paovalenciam1/energa-solar-trmica 13. ANEXOS. Esquema del proceso de tratamiento de agua residuales (Actual) Fig. 4. Esquema Actual de las Lagunas de San Jos. A continuacin semuestran las fotografas de las Lagunas deSanJosdeTratamientodeAguaResiduales (Actuales) de la ciudad de Chiclayo. Fig. 5. Rejillas. Fig. 6. Desarenador. Fig. 7. Laguna Primaria. Fig. 8. Contorno de la Laguna Primaria. Fig. 9. Caseta de Laguna Secundaria. Fig. 10. Lagunas Secundarias. El diagrama del diseo innovador. (Utilizando el Software de MATLAB R2010a) Eldiagramadesarrolladoconelsoftwarenosayudacon los clculos y la simulacin para el diseo de la planta. Fig. 11. Proceso Simulado en Matlab. Fig. 12. Proceso Simulado en Matlab. (UtilizandolosSoftwaresSolidEdgeV17&Autodesk Inventor 2010) Los softwareempleados en el diseo nos ayudaron con el prototipoaescaladelProcesodeTratamientodeAguas Residuales y Produccin de Bio-Fertilizantes. Fig. 13. Produccin de Energa Elctrica y Bio-Fertilizantes. Proceso de Hidrolisis Trmico Fig. 14. Proceso de Hidrolisis Trmico. Generacin de Energa Elctrica y Trmica. Fig. 15. Biodigestor. Produccin de Bio- Fertilizantes Fig. 16. Produccin de Bio-Fertilizantes. Fig. 17. Venta de Bio-Fertilizantes.