universidad nacional agraria de la selva...vista panorámica de una laguna anaerobia ..... 85 35....
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UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA
FACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL
INFORME DE LA PRÁCTICA PRE PROFESIONAL
EJECUTOR : DE LA CRUZ ALVAREZ, José David
ASESOR : Ing. M.Sc. PAREDES SALAZAR, José Luis
LUGAR DE EJECUCIÓN : Sector Pampa Hermosa. Yurimaguas
INSTITUCIÓN : PALMAS DEL SHANUSI
DURACIÓN : 14 de Febrero al 14 de Mayo
TINGO MARIA – PERÚ
2018
REDUCCIÓN DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) DE
AGUAS RESIDUALES PRESENTES EN LA LAGUNA DE
ALMACENAMIENTO DE LA PLANTA BIOGÁS – UNIDAD SHANUSI
2
INDICE
I. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1
1.1. Objetivo general .................................................................................... 3
1.2. Objetivos específicos ............................................................................ 3
II. REVISION DE LITERATURA ...................................................................... 4
2.1. El cultivo de Palma en el Perú .............................................................. 4
2.2. Tratamiento de Agua Residual en la Industria Palmera ........................ 5
2.3. Medición de la concentración de contaminantes en aguas residuales
residuales ............................................................................................ 6
2.3.1. Demanda Química de Oxígeno ............................................... 6
2.4. Lagunas de Oxidación como tratamiento de Aguas Residuales
Industriales .......................................................................................... 7
2.5. Tipos de Lagunas de Oxidación ............................................................ 8
2.5.1. Lagunas aerobias .................................................................... 8
2.5.2. Lagunas anaerobias ................................................................ 9
2.5.3. Lagunas facultativas. ............................................................ 11
2.5.4. Lagunas de maduración. ....................................................... 13
2.6. Procesos ecológicos de las lagunas anaerobias ................................ 13
2.7. Ecología de las lagunas facultativas ................................................... 14
2.8. Factores fisicoquímicos que influyen a las lagunas ............................ 15
2.8.1. pH ......................................................................................... 15
2.8.2. Oxígeno Disuelto (OD) .......................................................... 16
2.8.3. Área superficial ..................................................................... 16
3
2.8.4. Tiempo de retención ............................................................. 17
2.8.5. DBO5 y sólidos suspendidos ................................................. 18
2.9. Sistema de aireación........................................................................... 18
2.9.1. Efecto de la geometría del tanque y la intensidad de mezcla
…………….mezcla .................................................................................... 18
2.10. Tipos de Sistema de aireación .......................................................... 19
2.10.1. Aireación difusa ................................................................... 19
2.11. Partes de un Sistema de Aireación ................................................... 20
2.11.1. Compresores ....................................................................... 20
2.11.2. Conductores de aire ............................................................ 20
2.11.3. Difusores ............................................................................. 20
2.12. Ventajas y desventajas de los Difusores porosos ............................. 22
2.13. Descripción del proceso de extracción de Industrias del Shanusi ..... 23
2.13.1. Recepción de Racimo de Fruto Fresco (RFF) ..................... 23
2.13.2. Esterilización ....................................................................... 23
2.13.3. Desfrutado ........................................................................... 24
2.13.4. Digestión ............................................................................. 24
2.13.5. Prensado ............................................................................. 25
2.13.6. Clarificación ......................................................................... 26
2.13.7. Palmistería .......................................................................... 26
2.13.8. Instalación Complementaria al Tanques de recuperación de
………………aceite o florentinos .............................................................. 27
2.14. Diseño del Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales (STAR) de
Industrias del Shanusi ....................................................................... 27
2.14.1. Generación de Efluentes Líquidos ...................................... 28
2.14.2. Parámetros de Diseño del Sistema de Tratamiento de Aguas
………………Residuales de Industria del Shanusi S.A. ............................ 28
4
2.15. Reúso de Agua Tratada para Riego (Fertirriego) .............................. 29
2.16. Monitoreo Ambiental del Sistema de Tratamiento de Aguas
Residuales de Industrias del Shanusi ............................................... 30
III. MATERIALES Y MÉTODOS ..................................................................... 32
3.1. Lugar de ejecución .............................................................................. 32
3.1.1. Ubicación Política del área de estudio .................................. 32
3.1.2. Ubicación Geográfica ............................................................ 32
3.1.3. Aspectos Ambientales ........................................................... 33
3.2. Materiales y equipos ........................................................................... 35
3.2.1. Materiales .............................................................................. 35
3.2.2. Equipos ................................................................................. 35
3.2.3. Software ................................................................................ 35
3.3. Metodología ........................................................................................ 36
3.3.1. Fase Inducción y pre-campo ................................................. 36
3.3.2. Identificación del Sistema de Tratamiento de Aguas
……………..Residuales ............................................................................ 36
3.3.3. Puntos de muestreo y Ubicación de Ensayo ......................... 37
3.3.4. Fase de Campo ..................................................................... 39
3.3.5. Fase de Gabinete .................................................................. 39
3.3.6. Consideración del Sistema de Aireación ............................... 40
3.3.7. Construcción e Instalación a escala de laboratorio de los
……………..reactores de aireación, Reactor N°1 (R1) y Reactor N°2
///////////////////(R2) ........................................................................................ 40
3.3.8. Determinación de la Reducción de la Demanda Química de
…………….Oxígeno por inyección de aire comprimido mediante difusores
…………….en los Reactores R1 y R2 ...................................................... 41
5
3.3.9. Comparación analítica de los Sistemas de Aireación de
……………..burbuja fina y burbuja gruesa mediante porcentaje eficiencia
……………..de remoción .......................................................................... 42
3.3.10. Evaluación de parámetros de Demanda Química de Oxígeno
………………y Potencial de Hidrógeno (pH) en los puntos de muestreo P1,
………………P2 y P3. ............................................................................... 42
3.3.11. Comparación de resultados de DQO y pH de los efluentes
………………del STAR con los Valores Indicativos de Efluentes para el
………………procesamiento de Aceite Vegetal de la Corporación
//////////////////////Financiera Internacional (IFC) ............................................. 44
IV. RESULTADOS .......................................................................................... 45
4.1. Construcción e instalación a escala de laboratorio de los reactores de
aireación, Reactor N°1 (R1) y Reactor N°2 (R2) ............................... 45
4.1.1. Cálculo del caudal y Presión absoluta para el Ensayo de
……………..Aireación ............................................................................... 45
4.1.2. Diseño de los Reactores R1 y R2 ......................................... 46
4.2. Determinación de la Reducción de la Demanda Química de Oxígeno
en los Reactores R1 y R2 ................................................................. 47
4.2.1. Valores de Demanda Química de Oxígeno para el Reactor R1
…………….de burbuja fina ....................................................................... 47
4.2.2. Valores de Demanda Química de Oxígeno para el Reactor R2
…………….de burbuja gruesa .................................................................. 49
4.3. Comparación analítica de los Sistemas de Aireación en los Reactores
R1 de burbuja fina y R2 de burbuja gruesa ....................................... 51
4.3.1. Porcentaje de Eficiencia de Remoción en los Reactores R1 y
……………..R2 ......................................................................................... 51
6
4.3.2. Comparación del mejor resultado obtenido en los Reactores
…………….de Aireación con datos antecedentes del año 2007 en la
…………….Sistema de Tratamiento de Agua Residual de Industria del
…………….Shanusi S.A. .......................................................................... 55
4.4. Evaluación de los parámetros de Demanda Química de Oxígeno y
Potencial de Hidrógeno en los tres puntos de muestreo P1, P2 y
P3….. ................................................................................................ 56
4.4.1. Promedio de los parámetros fisicoquímicos del Efluente
……………..tratado en el Sistema Tratamiento de Agua Residual de
……………..IDSH///////////// ......................................................................... 58
4.5. Comparación de los valores obtenidos de los efluentes con los Valores
Indicativos de Efluentes de la Guía sobre Medio Ambiente, Salud y
Seguridad para la Producción y el procesamiento de Aceite Vegetal
de la Corporación Financiera Internacional (IFC). ............................. 61
V. DISCUSIÓN ............................................................................................... 64
VI. CONCLUSIÓN ........................................................................................... 66
VII. RECOMENDACIONES.............................................................................. 67
VIII. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ..................................................................... 68
IX. ANEXOS .................................................................................................... 72
1
ÍNDICE DE FIGURAS Figura Página 1. Balance general del tratamiento anaerobio (Izquierda) y tratamiento
aerobio (Derecha) ................................................................................... 7
2. Etapas de la digestión anaerobia .......................................................... 10
3. Diagrama de Flujo del proceso Industrial .............................................. 27
4. Imagen Satelital de la Industria del Shanusi S.A. .................................. 32
5. Diagrama de Flujo del Sistema de Tratamiento de Agua Residual –
Industrias del Shanusi ........................................................................... 37
6. Imagen Satelital de los puntos de muestreo .......................................... 39
7. Metodología para análisis de DQO en IDSH ......................................... 43
8. Esquema de los Reactores R1 y R2 ..................................................... 47
9. Variación de la DQO en el Reactor de burbuja fina R1 ......................... 48
10. Variación de los valores de DQO en el Reactor R2 de burbuja
gruesa…………. .................................................................................... 50
11. Incremento de los valores del porcentaje de eficiencia de remoción diaria
del Reactor R1 ..................................................................................... 52
12. Incremento de los valores de porcentaje de eficiencia de remoción diaria
en el Reactor R2 ................................................................................... 55
13. Datos de Demanda Química de Oxígeno del año 2017 del efluente
Tratado en el Sistema de Tratamiento Agua Residual comparado con el
menor valor obtenido en los Ensayos de Aireación. .............................. 56
14. Variación de los valores de la Demanda Química de Oxígeno del
efluente en los puntos P1, P2 P3 durante el periodo Febrero – Abril de
evaluación. ............................................................................................ 57
15. Variación de los Valores de Potencial de Hidrógeno de los efluentes en
los puntos P1, P2 y P3 durante el periodo Febrero – Abril de evaluación.
.............................................................................................................. 58
16. Valores de Demanda Química de Oxígeno promedio para los tres puntos
de muestreo. ......................................................................................... 60
2
17. Valores de Potencial de Hidrógeno promedio para los tres puntos de
muestreo ............................................................................................... 61
18. Valores obtenidos de pH del efluente en el STAR durante el muestreo en
el punto P3 comparados con los Valores Indicativos de descarga de la
IFC......................................................................................................... 62
19. Valores obtenidos de la DQO del efluente en el STAR durante el
muestreo en el punto P3 comparados con los Valores Indicativos de
descarga de la IFC ................................................................................ 63
20. Construcción del Sistema de Aireación ................................................. 78
21. Recolección de Agua Residual de la Laguna de Almacenamiento ....... 78
22. Instalación del Reactor de Aireación R1 ................................................ 79
23. Instalación del Reactor de Aireación R2 ................................................ 79
24. Toma de muestras del Ensayo de Aireación ......................................... 80
25. Toma de muestra Salida de Extractora punto P1 .................................. 80
26. Toma de muestra Salida del Decanter punto P2 ................................... 81
27. Toma de muestra Fertirriego punto P3 .................................................. 81
28. Muestras colectadas en los tres puntos y el Ensayo de Aireación ........ 82
29. Dilución de las muestras para análisis de DQO .................................... 82
30. Muestras colocadas en los test de cubetas de DQO ............................. 83
31. Cubetas de test de DQO colocadas en el digestor ................................ 83
32. Lectura de DQO en las muestras mediante espectrofotómetro ............. 84
33. Análisis de pH en las muestras colectadas ........................................... 85
34. Vista panorámica de una Laguna Anaerobia ......................................... 85
35. Vista panorámica de la Laguna Facultativa 1 ........................................ 86
36. Vista panorámica de la Laguna de Almacenamiento ............................ 86
37. Centrífuga o Decanter para Tratamiento Fisicoquímico ........................ 87
3
ÍNDICE DE CUADROS Cuadro Página 1. Descripción de los dispositivos de aireación con difusores más comunes
(METCALF & EDDY, 1996) ................................................................... 22
2. Parámetros de diseño de las lagunas de oxidación en IDSH ................ 29
3. Monitoreo Semestral en el Sistema de Tratamiento de Agua Residual de
Industrias del Shanusi S.A. ................................................................... 31
4. Ubicación de puntos de muestreo ......................................................... 38
5. Disoluciones para Puntos de Muestreo ................................................. 43
6. Valores Indicativos de efluentes para el procesamiento de aceite vegetal
.............................................................................................................. 44
7. Cálculo de DBO5 entrante al Sistema de lagunas de oxidación ........... 45
8. Cálculo del caudal de aire requerido en el Sistema de aireación .......... 46
9. Cálculo de la presión requerida en el Sistema de aireación .................. 46
10. Resultados de la Demanda Química de Oxígeno para el Reactor de
burbuja fina (R1) .................................................................................... 49
11. Resultados de Demanda Química de Oxígeno para el Reactor de
burbuja gruesa (R2)............................................................................... 51
12. Porcentaje de eficiencia de remoción diaria de DQO para el Reactor de
burbuja gruesa (R1)............................................................................... 53
13. Porcentaje de eficiencia de remoción diaria de DQO para el Reactor de
burbuja gruesa (R2)............................................................................... 54
14. Valores promedios de los efluentes de los tres Puntos evaluados dentro
del Sistema de Tratamiento de Agua Residual de IDSH ....................... 59
15. Valores de los efluentes de IDSH comparado con los Valores Indicativos
de Efluentes para el procesamiento de Aceite Vegetal de la IFC. ......... 62
16. Ficha de control de DQO y pH de efluentes en los tres puntos P1, P2 y
P3 .......................................................................................................... 73
17. Valores promedio de Potencial de hidrógeno y Demanda Química de
Oxígeno en el punto P1 en el periodo de evaluación Febrero – Mayo. . 74
4
18. Valores promedio de Potencial de hidrógeno y Demanda Química de
Oxígeno en el punto P2 en el periodo de evaluación Febrero – Mayo... 74
19. Valores promedio de Potencial de hidrógeno y Demanda Química de
Oxígeno en el punto P3 Febrero – Mayo. .............................................. 75
20. Parámetros del efluente vs Valores Indicativos de descarga de la IFC….
.............................................................................................................. 75
21. Valores promedio de Demanda Química de Oxígeno y Potencial de
Hidrógeno en los tres puntos de evaluación P1, P2 y P3. ..................... 75
22. Valores promedio de Demanda Química de Oxígeno por puntos de
muestreo y meses de evaluación. ......................................................... 76
23. Valores promedio de Potencial de Hidrógeno por puntos de muestreo y
meses de evaluación ............................................................................. 76
24. Datos de Demanda Química de Oxígeno del año 2017 en el STAR de
IDSH ...................................................................................................... 77
1
I. INTRODUCCIÓN
Toda área destinada a la actividad agroindustrial en sus procesos
genera impactos ambientales dentro de la misma, debido a la demanda de
recursos hídricos, edáficos, atmosféricos, etc. La actividad agrícola de cultivo
de Palma Aceitera en el Perú cuenta con un área sembrada aproximadamente
de 77 mil hectáreas en el 2014 (MINAGRI 2016).
Dada la exitosa experiencia de Palmas del Espino en la zona sur de
la Región San Martín y la demanda potencial de aceites naturales y
biocombustibles, en agosto de 2005 el Grupo Palmas (perteneciente al Grupo
Romero) inició las investigaciones para el desarrollo de nuevos proyectos de
inversión en el cultivo e industrialización de la palma aceitera. Así, nace el
proyecto “Palmas del Shanusi” e “Industrias del Shanusi”, con una inversión
inicial de US$ 29 millones, bajo las normativas legales del “Proceso de
Adjudicación de Tierras para el desarrollo de Proyectos Agroindustriales al
amparo del Decreto Legislativo Nº 653 (Art. 48º y 49º) – Ley de Promoción de
las Inversiones en el Sector Agrario (Publicada el 01 de Agosto de 1991),
proceso legal que se inició el 24 de noviembre del 2005, las cuales trajeron
consigo la Adjudicación de 7,029.35 hectáreas mediante la Resolución
Ministerial Nro. 0684-2006-AG (26/06/2006).
El proyecto de Industrias del Shanusi S.A. (IDSH), se encuentra
ubicado en el distrito de Yurimaguas, provincia Alto Amazonas, región Loreto.
Específicamente, en un área perteneciente al Fundo “Palmas de Shanusi”,
propiedad de Agroindustrias de Shanusi S.A. La cual ha arrendado el terreno a
Industrias del Shanusi S.A (IDSH, 2011).
Unidad Shanusi la conforma la Empresa Palmas de Shanusi S.A. e
Industrias del Shanusi. Palmas del Shanusi S.A. está dedicada al cultivo de
Palma aceitera y cacao. Cuenta con un área sembrada de 11 300 hectáreas de
palma aceitera y 1 000 hectáreas de cacao. Cuyas actividades y procesos
dentro del manejo de este cultivo incluyen la selección de semilla, instalación y
2
manejo de vivero, preparación de terreno, siembra, mantenimiento y cosecha.
Por otra parte Industrias del Shanusi se encarga de la extracción de aceite
crudo de Palma, así como también el manejo de las Aguas Residuales
Industriales de este proceso.
Industrias del Shanusi cuenta con un Sistema de Tratamiento de
Aguas Residuales (STAR), que incluye un Sistema de Lagunas de Oxidación y
un Sistema de Producción y Quema de Biogás; ambos conforman la Planta de
Biogás. La Política Ambiental de Industrias del Shanusi S.A., establece un
trabajo constante en la conservación del ambiente, ya que tiene la finalidad de
establecer los sistemas y medidas adecuadas que permitan disponer
adecuadamente las aguas residuales industriales.
El Sistema de Aireación es el proceso mediante el cual el agua es
puesta en contacto con el aire con el fin de transferir oxígeno al agua para
aumentar el Oxígeno Disuelto (OD) y reducir la carga orgánica mediante
oxigenación. Este tratamiento secundario puede ser utilizado en casos donde la
materia orgánica que queda disuelta y en suspensión así como el resto de las
partículas sólidas que no se han eliminado en los tratamientos anteriores. Lo
que persigue este tipo de tratamiento en aguas residuales es la transformación
de la materia orgánica por procesos oxidativos (NIETO, 2012).
La presente Práctica Pre Profesional es para determinar la
Reducción de Demanda Química de Oxígeno (DQO), aplicando un Sistema de
Aireación en la Laguna de Almacenamiento de Agua Tratada (Fertirriego), se
describe el desarrollo de las actividades y procesos de la Planta de Biogás de
Industrias del Shanusi S.A.
3
1.1. Objetivo general
- Reducir la Demanda Química de Oxígeno en la Laguna de
Almacenamiento de agua Tratada de la planta Biogás – Unidad
Shanusi.
1.2. Objetivos específicos
- Construir e instalar a escala de laboratorio los Reactores de Aireación
(Reactor N°1 y Reactor N°2).
- Determinar la reducción de la Demanda Química de Oxígeno (DQO)
por inyección de aire comprimido mediante difusores de aire de burbuja
fina y burbuja gruesa.
- Comparar analíticamente los Sistemas de Aireación de burbuja fina y
burbuja gruesa mediante resultados de porcentaje de eficiencia de
remoción de Demanda Química de Oxígeno.
- Evaluar los parámetros de Demanda Química de Oxígeno (DQO) y
Potencial de Hidrógeno (pH) en tres (03) puntos de muestreo (Salida
de Extractora, Salida del Decanter y en el Fertirriego).
- Comparar los valores obtenidos de Demanda Química de Oxígeno y
Potencial de Hidrógeno de los efluentes del Sistema de Tratamiento de
Agua Residual con los Valores Indicativos de Efluentes de la Guía
sobre Medio Ambiente, Salud y Seguridad para la Producción y el
procesamiento de Aceite Vegetal de la Corporación Financiera
Internacional (IFC).
4
II. REVISION DE LITERATURA
2.1. El cultivo de Palma en el Perú
La palma aceitera es uno de los productos alternativos que DEVIDA
impulsa, como sustituto de la hoja de coca en la Amazonía peruana. También,
es un elemento ecológico de primer orden, pues facilita la reforestación
ordenada de áreas devastadas por el narcotráfico, la tala ilegal y la
recuperación de pastizales abandonados.
La palma aceitera es un cultivo en expansión, tanto en el mundo
como en el Perú. El año 2001 se publicó el plan nacional de palma aceitera
2000- 2010 y se presentó la situación del cultivo a julio del 2000 como línea de
base. El total acumulado de hectáreas sembradas al año 2000 era 14,667. De
acuerdo con estimados de la oficina de estudios económicos y estadísticos del
Ministerio de Agricultura - MINAG, para el 2008 ya existían 35.379 hectáreas
de palma, y este número alcanzó las 44.396 hectáreas para el 2010 y
actualmente se estima que existen 50,000 hectáreas de palma en el Perú
(DGCA, 2012).
Es importante mencionar que el mercado de aceites y grasas
comestibles en el Perú produjo en 1999 alrededor de 239,334 toneladas. Esta
producción ha ido en aumento en la última década creciendo a una tasa
promedio de 3 % al año. En este sector, se distinguen dos grandes categorías
de productos: los aceites, que pueden ser de origen vegetal o compuesto, y las
grasas, entre las que se distinguen las mantecas y las margarinas.
La hectárea de palma produce 25 a 30 toneladas de racimos de
frutos frescos (RFF) y requiere de una inversión de dos mil quinientos a tres mil
dólares. La recuperación del monto se inicia al tercer año y para el quinto la
inversión está prácticamente recuperada. La palma aceitera permite obtener
dos subproductos atractivos en los mercados: el aceite puro de palma y el
palmiste. Del primer producto se tiene desde 16 a 24% de extracción por
hectárea y 3.5% en el caso del palmiste, insumo especial que sirve para la
5
elaboración de aceites especiales utilizados por la industria cosmética (DGCA,
2012).
2.2. Tratamiento de Agua Residual en la Industria Palmera
La contaminación del agua se produce por el vertimiento en ella de
un elemento o compuesto, orgánico o inorgánico, que disuelto, disperso o
suspendido, alcance una concentración que exceda la tolerancia para un uso
determinado. Las corrientes, lagos, bahías y demás masas de agua tienen
capacidad de dilución y auto purificación de los contaminantes. Sin embargo,
debido al aumento creciente de la población, y de las actividades industriales y
agropecuarias, las cargas contaminantes vertidas a las fuentes cada vez
exceden más estas capacidades, con el consecuente deterioro paulatino de
este recurso, igualmente cada vez más necesitado para la actividad humana e
industrial Orozco (2013) citado por SARMIENTO (2017).
2.2.1. Proceso de Transformación del Agua Residual del
procesamiento de Aceite de Palma
Los efluentes de las plantas extractoras de aceite de palma,
generan contaminación, principalmente por la gran cantidad de materia
orgánica, sólidos y aceites que poseen. Debido a que la extracción del aceite
sé hace mediante procesos físicos y mecánicos ya que por diferencias de
densidades se separan los sólidos, el agua y el aceite, no se generan
elementos tóxicos ni metales pesados en sus aguas residuales, y el tratamiento
se orienta principalmente a estabilizar la materia orgánica presente. Para la
estabilización de estos efluentes, expertos en el sector palmero recomiendan
principalmente sistemas de tratamientos de tipo biológico anaeróbicos, dado
que el uso de sistemas aeróbicos con inyección de oxígeno sería demasiado
costoso. Así mismo, la adición de químicos para floculación y sedimentación
además de costosa es muy ineficiente (CENIPALMA, 1996).
Los tratamientos biológicos, son los responsables de la depuración
de la materia orgánica biodegradable, presente en las aguas residuales.
Básicamente es el desarrollo de microorganismos utilizando la materia orgánica
como fuente de alimento, y de esta manera, reducir eficientemente la carga
6
orgánica de la misma. Todos estos procesos se realizan a través de las
reacciones bioquímicas, que se dan en condiciones controladas y se clasifican
en dos grupos: Reacciones aerobias (Se produce en presencia de oxígeno) y
reacciones anaerobias (En ausencia de oxígeno disuelto), (EDDY, 1972).
2.3. Medición de la concentración de contaminantes en aguas residuales
Los contaminantes en las aguas residuales son normalmente una
mezcla completa de compuestos orgánicos e inorgánicos. Los métodos
analíticos para contaminantes orgánicos pueden clasificarse en dos grupos
Ramalho (1983) citado por ALVIZ (2012):
- Grupo 1: Métodos cuyo parámetro es el oxígeno. Demanda química de
Oxígeno y Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5)
- Grupo 2: Métodos cuyo parámetro es el Carbono: Carbono orgánico total
(COT)
2.3.1. Demanda Química de Oxígeno
La demanda química de oxígeno es un parámetro analítico de
polución que mide el material orgánico contenido en una muestra líquida
mediante oxidación química. La determinación de DQO es una medida de la
cantidad de oxígeno consumido por la porción de materia orgánica existente en
la muestra y oxidable por un agente químico oxidante fuerte. Específicamente,
representa el contenido orgánico total de la muestra, oxidable por dicromato en
solución ácida. Todos los compuestos orgánicos, con unas pocas excepciones,
pueden ser oxidados a CO2 y agua mediante la acción de agentes oxidantes
fuertes, en condiciones ácidas (ROMERO, 2009).
La digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de
destrucción de la materia orgánica, como no hay presencia de un oxidante en
el proceso, la capacidad de transferencia de electrones de la materia orgánica
permanece intacta en el metano producido. En vista de que no hay oxidación,
se tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO
de la materia orgánica digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es
convertida en lodo (3% - 10%). En las reacciones bioquímicas que ocurren en
la digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía es liberada,
7
mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química
en el metano producido (RODRIGUEZ, 2015).
En el campo del tratamiento de las aguas residuales, la
contaminación orgánica es evaluada a través de la DQO, la cual mide
básicamente la concentración de materia orgánica. La forma de apreciar lo que
ocurre con la materia orgánica en el tratamiento anaerobio de aguas
residuales, es comparando su balance de DQO con el del tratamiento aerobio
(ver Figura 1).
Figura 1. Balance general del tratamiento anaerobio (Izquierda) y tratamiento
aerobio (Derecha)
Fuente: RODRIGUEZ, 2015
2.4. Lagunas de Oxidación como tratamiento de Aguas Residuales
Industriales
En la implantación de esta tecnología se han definido como
objetivos fundamentales, remover de las aguas residuales la materia orgánica
que ocasiona la contaminación en la fuente receptora y eliminar los
microorganismos potencialmente patógenos que representan un grave peligro
para la salud. Aunque en muchas ocasiones se presenta un tercer objetivo y es
8
utilizar su efluente con otras finalidades, como agricultura o piscicultura (MOPT,
1991).
La laguna de oxidación es aparentemente un método simple de
tratamiento de las aguas residuales pero los mecanismos de purificación
involucrados son complejos. Estos involucran procesos de sedimentación,
digestión, oxidación, síntesis, fotosíntesis, respiración endógena, intercambio
de gases, aireación, evaporación, corrientes térmicas y filtración, Rolim (2000)
citado por CORREA (2008).
2.5. Tipos de Lagunas de Oxidación
Dado que la presencia de oxígeno disuelto en las lagunas de
estabilización determina qué tipos de mecanismos van a ser responsables de la
depuración, las lagunas de estabilización suelen clasificarse en: Aerobias,
anaerobias, facultativas, Maduración y Profundas (METCALF 1996).
Otra clasificación utilizada en lagunas de estabilización considera la
forma en que se produce la alimentación y descarga del agua residual en la
instalación teniendo así: Lagunas continuas, semicontinuas o de descarga
controlada y laguna de retención total (MIDDLEBROOKS, 1982).
2.5.1. Lagunas aerobias
Reciben aguas residuales que han sido sometidos a un tratamiento
y que contienen relativamente pocos sólidos en suspensión. En ellas se
produce la degradación de la materia orgánica mediante la actividad de
bacterias aerobias que consumen oxigeno producido fotosintéticamente por las
algas y diseñadas para una máxima producción de algas. Son lagunas poco
profundas de 1 a 1.5m de profundidad y suelen tener tiempo de residencia
elevada, 20-30 días (GOMEZ, 1999).
Las lagunas aerobias se pueden clasificar, según el método de
aireación sea natural o mecánico, en aerobias y aireadas.
- Lagunas aerobias: la aireación es natural, siendo el oxígeno
suministrado por intercambio a través de la interface aire-agua
y fundamentalmente por la actividad fotosintética de las algas.
9 - Lagunas aireadas: en ellas la cantidad de oxígeno suministrada
por medios naturales es insuficiente para llevar a cabo la
oxidación de la materia orgánica, necesitándose un suministro
adicional de oxígeno por medios mecánicos.
2.5.2. Lagunas anaerobias
El tratamiento se lleva a cabo por la acción de bacterias anaerobias.
Como consecuencia de la elevada carga orgánica y el corto periodo de
retención del agua residual, el contenido de oxígeno disuelto se mantiene muy
bajo o nulo durante el proceso. El objetivo perseguido es retener la mayor parte
posible de los sólidos en suspensión, que pasan a incorporarse a la capa de
fangos acumulados en el fondo y eliminar parte de la carga orgánica (DÍAZ et
al., 2002).
La estabilización es estas lagunas tiene lugar mediante las etapas
siguientes:
- Hidrólisis: los compuestos orgánicos complejos e insolubles en
otros compuestos más sencillos y solubles en agua.
- Formación de ácidos: los compuestos orgánicos sencillos
generados en la etapa anterior son utilizados por las bacterias
generadoras de ácidos. Produciéndose su conversión en ácidos
orgánicos volátiles.
- Formación de metano: una vez que se han formado los ácidos
orgánicos, una nueva categoría de bacterias actúa y los utiliza
para convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono.
La digestión anaerobia de la materia orgánica involucra tres
grandes grupos tróficos y cuatro pasos de transformación (ver Figura 2):
- Hidrólisis: Grupo I: bacterias hidrolíticas
- Acidogénesis: Grupo I: bacterias fermentativas
- Acetogénesis: Grupo II: bacterias acetogénicas
- Metanogénesis: Grupo III: bacterias metanogénicas
El proceso se inicia con la hidrólisis de polisacáridos, proteínas y
lípidos por la acción de enzimas extracelulares producidas por las bacterias del
Grupo I. Los productos de esta reacción son moléculas de bajo peso molecular
10
como los azúcares, los aminoácidos, los ácidos grasos y los alcoholes, los
cuales son transportados a través de la membrana celular; posteriormente son
fermentados a ácidos grasos con bajo número de carbonos como los ácidos
acético, fórmico, propiónico y butírico, así compuestos reducidos como el
etanol, además de H2 y CO2. Los productos de fermentación son convertidos a
acetato, hidrógeno y dióxido de carbono por la acción de las bacterias del
Grupo II, las cuales son conocidas como “bacterias acetogénicas productoras
de hidrógeno”. Finalmente, las bacterias del Grupo III o metanogénicas
convierten el acetato a metano y CO2, o reducen el CO2 a metano (ver Figura
2). Estas Transformaciones involucran dos grupos metanogénicos que son los
encargados de llevar a cabo las transformaciones mencionadas anteriormente:
acetotróficas e hidrogenotróficas. En menor proporción, compuestos como el
metanol, las metilaminas y el ácido fórmico pueden también ser usados como
sustratos del grupo metanogénico (DÍAZ, 2002).
Figura 2. Etapas de la digestión anaerobia
Fuente: RODRIGUEZ, 2015
11 Las lagunas anaerobias suelen tener profundidad entre 2 y 5 m, el
parámetro más utilizado para el diseño de lagunas anaerobias es la carga
volumétrica que por su alto valor lleva a que sean habituales tiempos de
retención con valores comprendidos entre 2-5 días (DIAZ et al., 2002).
El sistema de lagunas de oxidación se divide generalmente en dos
etapas diferentes. La primera etapa se lleva a cabo en los estanques
anaeróbicos que están diseñados principalmente para la reducción de la
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) y la eliminación de los sólidos
orgánicos e inorgánicos, grasas y aceites Pescod (1996) citado por ALVIZ
(2012). En estos estanques la degradación de la materia orgánica es lenta,
dando lugar a molestias por malos olores debido a la formación de sulfuro de
hidrógeno (FEING, 1991). En la etapa final del proceso anaeróbico se dan las
fases acidogénicas y metanogénicas que producen la liberación de metano,
hidrógeno y dióxido de carbono. Suematsu (1999) citado por SARMIENTO
(2017).
2.5.3. Lagunas facultativas.
Las lagunas facultativas son más grandes en la zona, relativamente
poco profundas y predominantemente caracterizadas por los procesos de
oxidación en los procesos de la superficie y anaeróbicas en profundidad.
Durante la etapa secundaria en las lagunas facultativas mayor parte de la
materia orgánica restante se elimina a través de un mutualismo coordinado de
algas-bacterias. Las algas suministran el oxígeno (por fotosíntesis) para las
bacterias (aeróbico o facultativo) para oxidar los compuestos orgánicos en las
aguas residuales, y las bacterias proporcionan por la degradación de los
residuos orgánicos, nutrientes y CO2 para las algas para ser fijadas en el nuevo
material celular. El resultado de este proceso biológico es convertir el contenido
orgánico del efluente a formas más estables Feing, (1991) citado por
SARMIENTO (2017).
.
Son aquellas que poseen una zona aerobia y una anaerobia, siendo
respectivamente en superficie y fondo. La finalidad de estas lagunas es la
estabilización de la materia orgánica en un medio oxigenado proporcionando
12
principalmente por las algas presentes, Chao (2000) citado por CORREA
(2008).
En este tipo de lagunas se puede encontrar cualquier tipo de
microorganismos, desde anaerobios estrictos, en el fango del fondo, hasta
aerobios estrictos en la zona inmediatamente adyacente a la superficie.
Además de las bacterias y protozoarios, en las lagunas facultativas es esencial
la presencia de algas, que son los principales suministradoras de oxígeno
disuelto (CNA, 2007).
El objetivo de las lagunas facultativas es obtener un efluente de la
mayor calidad posible, en el que se haya alcanzado un elevada estabilización
de la materia orgánica, y una reducción en el contenido en nutrientes y
bacterias coliformes. La profundidad de las lagunas facultativas suele estar
comprendida entre 1 y 2 m para facilitar así un ambiente oxigenado en la mayor
parte del perfil vertical, Rolim (2000) citado por CORREA (2008).
Las bacterias y algas actúan en forma simbiótica, con el resultado
global de la degradación de la materia orgánica. Las bacterias utilizan el
oxígeno suministrado por las algas para metabolizar en forma aeróbica los
compuestos orgánicos. En este proceso se liberan nutrientes solubles (nitratos,
fosfatos) y dióxido de carbono en grandes cantidades, estos son utilizados por
las algas en su crecimiento. De esta forma, la actividad de ambas es
mutuamente beneficiosa, Chao (2004) citado por GOMEZ (1999).
En una laguna facultativa existen tres zonas:
- Una zona superficial en la que existen bacterias aerobias y algas
en una relación simbiótica, como se ha descrito anteriormente.
- Una zona inferior anaerobia en la que se descomponen
activamente los sólidos acumulados por acción de las bacterias
anaerobias.
- Una zona intermedia, que es parcialmente aerobia y anaerobia,
en la que la descomposición de los residuos orgánicos la llevan
a cabo las bacterias facultativas. Los sólidos de gran tamaño se
sedimentan para formar una capa de fango anaerobio. Los
materiales orgánicos sólidos y coloidales se oxidan por la acción
13
de las bacterias aerobias y facultativas empleando el oxígeno
generado por las algas presentes cerca de la superficie. El
dióxido de carbono, que se produce en el proceso de oxidación
orgánica, sirve como fuente de carbono por las algas. La
descomposición anaerobia de los sólidos de la capa de fango
implica la producción de compuestos orgánicos disueltos y de
gases tales como el CO2, H2S y el CH4, que o bien se oxidan por
las bacterias aerobias, o se liberan a la atmósfera.
2.5.4. Lagunas de maduración.
Este tipo de laguna tiene como objetivo fundamental la eliminación
de bacterias patógenas. Además de su efecto desinfectante, las lagunas de
maduración cumplen otros objetivos, como son la nitrificación del nitrógeno
amoniacal, cierta eliminación de nutrientes, clarificación del efluente y
consecución de un efluente bien oxigenado (METCALF, 1986).
Las lagunas de maduración se construyen generalmente con
tiempo de retención de 3 a 10 días cada una, mínimo 5 días cuando se usa una
sola y profundidades de 1 a 1.5 metros. En la práctica el número de lagunas de
maduración lo determina el tiempo de retención necesario para proveer una
remoción requerida de coliformes fecales, Rolim (2000) citado por CORREA
(2008).
Las lagunas de maduración suelen constituir la última etapa del
tratamiento, por medio de una laguna facultativa primaria o secundaria o de
una planta de tratamiento convencional, debido a la eliminación de agentes
patógenos, si se reutiliza el agua depurada (SALDAÑA, 2014).
2.6. Procesos ecológicos de las lagunas anaerobias
La laguna anaerobia es un biorreactor que combina la
sedimentación de sólidos y su acumulación en el fondo, con la flotación de
materiales del agua residual en la superficie y con biomasa activa suspendida
en el agua residual o adherida a los lodos sedimentados y a la nata flotante.
Una laguna anaerobia puede considerarse como un proceso anaerobio de tasa
baja, en el cual la materia orgánica es estabilizada mediante su transformación
14
en dióxido de carbono y metano. Usualmente son abiertas a la atmósfera, pero
podrían cubrirse para recoger el metano producido y para controlar la emisión
de olores (DIAZ et al., 2002).
Aunque existe una transferencia atmosférica de oxígeno en la capa
superior, la laguna anaerobia recibe cargas orgánicas altas que hacen que su
contenido sea anaerobio y que no exista crecimiento algal que produzca
oxígeno, es decir, una laguna puede ser mantenida en condiciones
anaeróbicas por la aplicación de una carga de DBO5 que exceda la producción
de oxígeno por actividad fotosintética. La fotosíntesis puede reducirse,
disminuyendo el área superficial e incrementando la altura. Las lagunas
anaerobias pueden tornarse turbias debido a la presencia de sulfuros metálicos
reducidos. Esta restricción en la penetración de la luz hace que el crecimiento
de algas sea reducido (DIAZ etal., 2002).
El mayor problema que presentan las lagunas anaerobias es el olor,
dependiendo esta variable del pH que allí se presenta. Las lagunas anaerobias
son utilizadas normalmente como primera fase en el tratamiento de aguas
residuales industriales con alta carga orgánica y alta temperatura. Cuando se
usan el porcentaje de reducción en la carga del desecho es más importante
que la calidad del efluente, siendo necesario dar un tratamiento adicional antes
de descargar el desecho, generalmente se dispone a trabajar en serie con
lagunas facultativas y de maduración, Yánez (1982) citado por CORREA
(2008).
2.7. Ecología de las lagunas facultativas
Las bacterias y las algas son los dos componentes biológicos
principales de las lagunas facultativas y su interacción constituye el efecto
ecológico más importante sobre el proceso de autopurificación. Estas
constituyen un sistema de tratamiento bioquímico de crecimiento suspendido,
sin recirculación de sólidos sedimentados. El crecimiento algal representa el
suministro adecuado de oxígeno fotosintético para la actividad aerobia bacterial
y, por otra, la necesidad de removerlas del efluente para impedir que aumenten
su concentración de sólidos suspendidos y de materia orgánica biodegradable
(CNA, 2007).
15 En las lagunas facultativas la porción inferior es anaerobia y la
porción superior es aerobia. La porción aerobia recibe oxígeno de la actividad
fotosintética algal y de la re-aireación superficial existente a través de la interfaz
aire-líquido. Las variaciones de la cantidad de luz incidente producen cambios
considerables en las condiciones de una laguna facultativa, Yanez (1982)
citado por GOMEZ (1999).
Cuando existe suficiente cantidad de energía solar y de nutrientes,
junto con condiciones ambientales como temperatura, normalmente se
desarrollan crecimientos de algas en la superficie de la laguna. Las algas
utilizan los subproductos de la oxidación bacteriana tales como: gas carbónico,
fosfatos y amoníaco; al hacerlo producen oxígeno. Este oxígeno producido
(normalmente en la capa de agua cercana a la superficie) puede ser accesible
a todas las bacterias de la laguna si se tiene una mezcla adecuada (ver
mecanismos de auto-purificación en Figura 4). La parte suspendida forma
depósitos de lodos en el fondo que se descomponen por mecanismos
anaerobios, Cuervo (1990) citado por CORREA (2008).
A diferencia de lo que ocurre con las lagunas anaerobias, el objetivo
perseguido en las lagunas facultativas es obtener un efluente de la mayor
calidad posible, en el que se haya alcanzado una elevada estabilización de la
materia orgánica, y una reducción en el contenido de nutrientes y bacterias
coliformes (MOPT, 1991).
2.8. Factores fisicoquímicos que influyen a las lagunas
2.8.1. Potencial de Hidrógeno (pH)
La actividad fotosintética demanda un consumo grande de CO2 por
las algas. Además, el uso factible de carbono, a partir del ión bicarbonato y la
producción de ión OH - hace que se obtengan períodos de pH altos en las
lagunas facultativas o aeróbicas. Durante las últimas horas diurnas se pueden
observar valores de pH superiores a 9. El desarrollo de un pH demasiado alto
hace que la actividad bacterial disminuya, se reduce la producción de CO2 y se
limita el proceso simbiótico (JIMENEZ, 2000).
16 En países de clima tropical, las lagunas anaeróbicas con tiempo de
retención de 1 a 5 días y profundidades superiores de 2.5 - 3 metros, tienen
funcionamiento satisfactorio, con pH óptimo variando de 7 a 7.2, con
predominio de la fase metánogenica sobre la fase ácida de formación de ácidos
volátiles (JIMENEZ, 2000).
2.8.2. Oxígeno Disuelto (OD)
Las concentraciones de oxígeno disuelto (OD) en la laguna, son el
reflejo de la intensa actividad fotosintética. Dependiendo de cada estanque, en
una laguna facultativa la capa oxigenada superficial presenta una variación
diurna de OD y puede que el oxígeno disminuya notablemente durante la
noche; pero también puede ocurrir que se observe concentraciones de
sobresaturación de OD durante el día, hasta valores determinados, en algunos
estudios, de 36 mg/L (GARCIA et al., 1995).
Además de las variaciones diarias en el contenido en oxígeno
disuelto, éste presenta también variaciones importantes en profundidad. La
profundidad a la que se anula el oxígeno disuelto se llama oxipausa, y su
posición depende de la actividad fotosintética, el consumo de oxígeno por las
bacterias, la temperatura y el grado de mezcla inducido por el viento
(MOPT,1991).
2.8.3. Área superficial
El área superficial de una laguna de estabilización está determinada
en función de la carga orgánica, usualmente expresada en términos de DBO5,
aplicada por día, principalmente para las lagunas facultativas. En climas
cálidos, cargas orgánicas variando de 150 a 400 Kg. DBO5 /ha*día, han sido
usadas con éxito para las lagunas facultativas. Las cargas más bajas se
aplican a temperaturas del aire en torno a 20ºC y las más altas temperaturas
próximas a 30ºC. Las cargas superficiales que exceden de 200 a 250 Kg.
DBO5/ha*día, han sido objeto de problemas ocasionales de malos olores, en
cuanto que las cargas que excedan 400 Kg. DBO5/ha*día, probablemente
llevan a la anaerobiosis, esto es, ausencia de oxígeno disuelto y/o a una caída
17
brusca en la eficiencia total del sistema, OPS (1999) citado por CORREA
(2008).
Aunque las lagunas anaerobias son dimensionadas en función de
las tasas volumétricas y de la relación que existe entre el tiempo de detención,
temperatura y eficiencia de remoción, la tasa de aplicación por unidad de
superficie puede ser considerada de gran importancia, debido a que puede dar
una buena indicación para que la laguna permanezca totalmente anaerobia.
Este valor debe estar por encima de un mínimo de unos 1000 Kg DBO5/ha*día,
Cuervo (1990) citado por CORREA (2008).
2.8.4. Tiempo de retención
La actividad biológica en las lagunas está influenciada por las
características de circulación del agua. Cuando se proyecta una laguna, se
calcula el tiempo necesario para alcanzar un determinado grado de depuración
(GOMEZ, 1999).
Desde el punto de vista de la depuración lo que importa es
realmente todo el material que entra en la laguna permanece en ella durante
ese tiempo, o si hay diferencias importantes entre el tiempo que una parte u
otra del fluido permanece en la laguna. Cuando esto ocurre, la fracción que
atraviesa rápidamente el estanque alcanza un grado menor de estabilización
que la que permanece embalsada durante más tiempo. Estas diferencias en el
tiempo real de residencia provocan siempre la disminución de la eficacia de la
depuración (MOPT, 1991).
La circulación del agua a través de la laguna viene afectada por la
forma y tamaño de ésta, la situación de entradas y salidas, velocidad y
dirección de los vientos dominantes y la aparición de las diferencias de
densidad dentro del estanque. Las anomalías de flujo más frecuentes se
manifiestan en la aparición de zonas muertas, es decir, partes de la laguna en
las que el agua permanece estancada durante largos períodos de tiempo. La
distribución de las aguas residuales en una laguna debe ser lo más uniforme
posible, para que se pueda utilizar todo el volumen de la laguna proyectada
para el tratamiento, obteniéndose con eso el tiempo de retención ideal, Rolim
(2000) citado por CORREA (2008).
18
2.8.5. DBO5 y sólidos suspendidos
La producción de efluentes, con DBO5 alta, en muchas lagunas de
oxidación, es el resultado de crecimiento de biomasa suspendida en la laguna y
no al escape de DBO5 del afluente a través de ella; como lo confirman los
ensayos de DBO5 sobre efluentes filtrados y no filtrados. Esto realza la
capacidad de las lagunas para tratar aguas residuales, pero también enfatiza la
necesidad de separar apropiadamente la biomasa algal y bacterial del efluente,
si se desean efluentes de alta calidad en términos de DBO5 y sólidos
suspendidos totales (DIAZ et al., 2002).
La reducción de sólidos en suspensión en el tratamiento anaerobio
es del orden del 70%. Estos sólidos se acumulan en el fondo de las lagunas y
dan lugar a la formación de una capa de fangos. A medida que aumenta el
tiempo de almacenamiento de los fangos en las lagunas, su contenido en
materia orgánica disminuye debido a la degradación anaerobia a la que están
sometidos (MOPT, 1991).
2.9. Sistema de aireación
Es un sistema en el cual el oxígeno puede suministrarse mediante
burbujas de aire o de oxígeno puro introducidas en el agua, por medio de
varios dispositivos de aireación, para crear interfaces de gas – líquido
adicionales que ayudan al tratamiento de agua Al – Ahmady (2012) citado por
RONDAL (2018). Las burbujas de aire o de oxígeno se liberan a profundidad
produciendo una burbuja libre que viaja desde el fondo del tanque hacia la
superficie del agua. A medida que la pluma de aire avanza arrastra agua,
causando la circulación vertical y la extensión lateral de la misma Kutty (2012)
citado por RONDAL (2018).
2.9.1. Efecto de la geometría del tanque y la intensidad de mezcla
La eficiencia de transferencia de oxígeno depende de varios
factores, entre ellos la geometría del tanque, que es utilizado para contener el
agua mientras se mezcla con el gas. La aireación se realiza en tanques de
forma cilíndrica, tipo de agua residual Wason (2012) citado por RONDAL
19
(2018). También se utilizan formas cuadradas o rectangulares de manera
limitada y con objetivos especiales. El proceso de aireación en tanques
cuadrados es efectivo con duraciones cortas, presentando altos coeficientes de
transferencia de oxígeno Rao (2007) citado por RONDAL (2018), ha
demostrado que el proceso de aireación en tanques cuadrados es efectivo con
duraciones cortas, presentando altos coeficientes de transferencia de oxígeno.
Mientras que, desde el punto de vista del requerimiento de potencia, los
tanques de aireación circular presentan mayor eficiencia energética, por lo cual
se presentan como una de las mejores opciones económicas Nadayil (2015)
citado por RONDAL (2018).
2.10. Tipos de Sistema de aireación
Los sistemas de aireación se dividen en dos categorías principales:
aireación mecánica y aireación difusa. Dentro de las dos categorías existen
diferentes diseños y características de operación Uadc (2015) citado por
RONDAL (2018). Cada categoría de aireador tiene ventajas y desventajas
como también factores que influyen en la selección del aireador como son:
consumo de energía, simplicidad de operación, tiempo de vida, costo del
equipo, requerimiento de mantenimiento, compatibilidad con equipos y tanques
existentes, condiciones meteorológicas, requerimiento y disponibilidad de
espacio físico, experiencia de operación Jenkins (2014) citado por RONDAL
(2018).
El uso de los difusores de aire permite la homogenización del
oxígeno, lo cual a su vez permite que se disuelva el oxígeno de una manera
más eficiente. Este dos aspecto particular diferencian a los difusores de los
aireadores mecánicos y las turbinas, transformándolo en la mejor opción a la
hora de optimizar un proceso de aireación Clynn (1999) citado por ALVIZ
(2012).
2.10.1. Aireación difusa
En este tipo de sistemas, el aire es proporcionado desde el fondo
del tanque de aireación en forma de burbujas de aire. Dependiendo del tamaño
de burbuja, el sistema se clasifica en sistema difusor de aire de burbuja fina o
20
burbuja gruesa Alkhalidi (2016) citado por RONDAL (2018). La difusión de
burbuja fina es una forma de aireación donde el aire es introducido en el agua
residual, en forma de pequeñas burbujas aportando con oxígeno al líquido, por
medio de dispositivos de aireación Mendez (2014) citado por RONDAL (2018).
2.11. Partes de un Sistema de Aireación
Un sistema de aireación difuso está formado por difusores y
equipos de conducción de aire. Los difusores están distribuidos en gran parte
de la masa total de agua residual presente en el reactor de lodos activados, y
los conductores de aire están conformados por los compresores y demás
equipos auxiliares por los que circula el aire Burton (1999) citado por ALVIZ
(2012).
2.11.1. Compresores
Son los conductores de aire. Los compresores deben diseñarse con
capacidad suficiente para trabajar con diversos caudales de aire, dentro de un
intervalo determinado de presión y bajo las condiciones ambientales de un
determinado proceso (ALVIZ, 2012).
2.11.2. Conductores de aire
Los conductores de aire están formados por tuberías, válvulas,
medidores y piezas especiales necesarias para el transporte del aire
comprimido desde el compresor hasta los difusores. Debido a que las
presiones con las que trabajan los compresores en un sistema de lodos
activados son considerablemente bajas, se pueden emplear tuberías ligeras
para la conducción del aire hacia el agua residual presente en el reactor de
lodos activados (ALVIZ, 2012).
2.11.3. Difusores
Uno de los sistemas de difusión de aire, empleados en el
tratamiento de lodos activados son los difusores porosos, que permiten la
homogenización de los lodos en el agua. Los difusores porosos son los
elementos finales que permiten la liberación del aire al reactor de lodos por
medio de burbujas, las cuales pueden ser: finas o gruesas. Las burbujas finas
21
permiten una mayor transferencia de oxígeno que las gruesas, pero requieren
de mayor cuidado, puesto que el montaje de estos difusores requiere de un
filtro ubicado antes del compresor, para evitar incrustaciones y posterior
taponamiento por parte de las impurezas presentes en el aire (KISTER et al.,
2008).
Los difusores se han clasificado en dos tipologías, los difusores de
burbujas finas y los difusores de burbuja gruesa, a partir del hecho que las
burbujas resultan más eficaces en la transferencia de oxígeno. Sin embargo, la
definición de los términos y de los límites entre lo que son burbujas finas y
gruesas no han sido claros, por lo que actualmente se prefiere clasificar los
sistemas de aIración con difusores en función de las características físicas de
los equipos (METCALF & EDDDY, 1996). Se ha definido tres categorías de
difusores:
- Difusores porosos o de poros finos
- Difusores no porosos
- Otros sistemas de difusión
Las diferentes tipologías de dispositivos de difusión de aire se
describen en el Cuadro 1.
22
Cuadro 1. Descripción de los dispositivos de aireación con difusores más
comunes (METCALF & EDDY, 1996)
Tipo o Sistema Eficiencia de transferencia
Descripción
Placa Alta Placas cerámicas cuadradas instaladas sobre soportes fijo o en la solera del tanque
Domo Alta
Difusores cerámicos con forma de domo instalados sobre las conducciones de distribución ubicadas cerca del fondo del tanque
Disco Alta
Discos de cerámica rígidos o flexibles de membrana porosa instalados en las conducciones de distribución ubicadas cerca de la solera del tanque
Tubo Moderada a alta
Difusor en forma de tubo de medio cerámico rígido o de plástico flexible o de goma sintética instalados en las tuberías de distribución
Fuente: Romero (2002) citado por ALVIZ (2012)
2.12. Ventajas y desventajas de los Difusores porosos
Algunas ventajas y desventajas de estos difusores se listan a
continuación (EPA, 1999)
Ventajas:
- Exhiben eficiencias de transferencia de oxigeno altas
- Exhiben eficiencias de aireación altas ( flujo másico de oxígeno
transferido entre unidad de potencia)
- Pueden satisfacer demandas de oxígeno altas
- Se adaptan fácilmente a tanques existentes cuando se desea
hacer un aumento de capacidad de la planta
- Presentan emisiones de compuestos orgánicos volátiles más
bajas que los difusores no porosos y que los dispositivos de
aireación mecánica.
23 - Desventajas:
- Son susceptibles al ensuciamiento químico o biológico, lo cual
puede mitigar la eficiencia de transferencia y generar pérdidas
de presión altas
- Pueden ser susceptibles al ataque químico (especialmente las
membranas)
2.13. Descripción del proceso de extracción de Industrias del Shanusi
El proceso de producción consiste en la extracción del aceite de
Palma. Las etapas comprendidas en el siguiente proceso se detallan a
continuación:
2.13.1. Recepción de Racimo de Fruto Fresco (RFF)
Una vez cosechados los RFF de Palma, estos son llevados de
preferencia el mismo día a la Planta de Procesamiento, con la finalidad de
evitar que aumente el contenido de ácidos grasos libres (AGL). Se tendrá
cuidado con el manejo de los RFF hasta que son colocados en la Planta de
Procesamiento, puesto que es determinante en la calidad del aceite. Mediante
la tolva de recepción se cumple el propósito de liberar la capacidad de carga de
los camiones que transportan los racimos, y hacer la función de almacén
temporal de los mismos, en espera de ser procesados en la planta.
Luego, se realiza el llenado de cestas mediante la operación de
compuertas hidráulicas que tienen la longitud de una cesta, para descargar la
tolva y llenar las cestas que se colocan junto a la compuerta. En promedio, una
cesta contiene 2.5 ton (IDSH, 2011).
2.13.2. Esterilización
La esterilización de los racimos de fruto fresco – RFF, tiene como
consigna dos objetivos principales: la inactivación de la lipasa o enzima
responsable de la acidificación del aceite, y la aceleración del proceso de
ablandamiento del pedúnculo de unión de los frutos con su soporte natural
(raquis). Estos dos propósitos se consiguen exponiendo los racimos a la
presión de vapor.
24 Esta etapa se realizará en equipos llamados esterilizadores o
autoclaves, diseñados a una presión de trabajo de 3 bar en los cuales los
racimos serán expuestos a una curva presión – tiempo que permite el
desprendimiento de los frutos. Cabe destacar que en esta etapa la temperatura
y el tiempo de tratamiento son los elementos de mayor importancia. (IDSH,
2011).
2.13.3. Desfrutado
Consiste en separar los frutos del raquis. El desfrutador es un
tambor a manera de jaula que gira sobre un eje central y golpea
repetitivamente los barrotes longitudinales del mismo, acción que produce el
desprendimiento de los frutos. Los racimos vacíos son recolectados para
aplicarlos luego en el campo, como abono orgánico. La carga del fruto se
realiza mediante un sistema de transportadores de faja que se encarga de
verter los racimos sobre la tolva de recepción del desfrutador. Los frutos
ubicados en la tolva son transportados al desfrutador a una velocidad máxima
de 30 TM/hr (capacidad del desfrutador), el cual gira a una velocidad de 28 rpm
logrando desprender la mayor parte de los frutos en la primera mitad del tramo
total.
Los frutos desprendidos del escobajo son luego lavados para retirar
los lodos, que son arrastrados con el racimo al momento de cosecharlo, para
obtener un aceite más limpio y reducir la abrasión en las piezas metálicas de
las maquinarias producida por la tierra (IDSH, 2011).
2.13.4. Digestión
Es una operación en la cual los frutos sueltos se transportan a unos
cilindros verticales provistos de agitación a baja revolución (digestores),
facilitando el desprendimiento de la pulpa y nueces, así como el rompimiento
de las membranas celulares para liberar los componentes grasos.
Los frutos lavados serán conducidos a los digestores mediante un
elevador de cangilones y un transportador de helicoidal, el cual alimenta a cada
digestor por la parte superior de los mismos.
25 Cada digestor puede procesar, cada hora, los frutos obtenidos a
partir de 10 ton de RFF y tienen un volumen de 3500 litros. Posee un eje
central el cual posee paletas (tipo cuchillas) que al momento del girar a 28rpm
va cortando la pulpa del fruto con el propósito de obtener mayor área de
contacto previo al prensado; en simultáneo durante el malaxado se adiciona
vapor directo a 3bar de presión, para ablandar los frutos previamente al
prensado. La adición de vapor se hace en función a la temperatura del proceso,
esta operación debe llevarse a cabo dentro del rango de 85º C a 95º C (IDSH,
2011).
2.13.5. Prensado
Es la propia operación de extracción en la cual se separa el aceite
de la torta (fibra y nueces de los frutos). Este es un proceso mecánico
desarrollado por prensas, aparatos de trabajo continuo capaces de someter la
masa digerida a presión, dentro de una camisa perforada, a través de los
cuales sale el aceite.
El prensado del fruto también debe llevarse a cabo dentro del rango
de 85º C a 95º C, esto se consigue adicionando agua caliente a la prensa con
el propósito de mantener la temperatura y ayudar a arrastrar el aceite contenido
en la masa sólida (torta). Como producto de la prensa se obtendrá aceite crudo
de palma, y como subproducto la torta (fibra + nueces). El aceite crudo será
luego limpiado de impurezas en los siguientes equipos de la línea de extracción
de aceite crudo de palma (decantador estático, zaranda, clarificación), mientras
que la torta será separada en fibra, cáscara de nuez y almendras en la línea de
Palmistería.
A la salida de la prensa el aceite crudo reposa en un decantador
estático, donde se acumulan lodos en la parte inferior del mismo, y por rebose
el aceite crudo es conducido a la zaranda vibradora, donde se retiran algunos
sólidos que no fueron extraídos durante el prensado del fruto, el aceite filtrado
por la zaranda es recibido en un tanque desde el cual se bombea al siguiente
proceso, que es el de clarificación (IDSH, 2011).
26
2.13.6. Clarificación
El aceite que es extraído por las prensas contiene impurezas (agua,
arena, pedazos de nuez, etc.), por lo que se realizará una purificación mediante
la aplicación del principio físico de decantación estática en tanques metálicos
(sección de clarificación). Finalmente, con el uso de máquinas centrífugas y
equipos de secamiento al vacío, el aceite de palma queda listo para pasar a los
tanques de almacenamiento de la planta.
Los lodos obtenidos durante las decantaciones son luego tratados
en decantadores dinámicos (Tricanter`s) los cuales además de separar el
aceite de dichos lodos separan el agua residual del proceso. El aceite
recuperado en los Tricanter es devuelto al decantador primario, el lodo es
eliminado en cestas para ser conducido a la plantación como abono y el agua
es conducida a la poza de recuperación de aceite.
La poza de recuperación de aceite recibe el agua separada en la
etapa de clarificación y también los condensados generados en el esterilizado.
Cuenta con dos compartimentos, uno de los cuales reciben el agua y posee un
embudo que sirve para filtrar el aceite acumulado en la superficie, dándole
pasó hacia el segundo compartimiento, desde el cual una bomba impulsa el
aceite recuperado hacia el decantador estático. El agua que se acumula en el
primer compartimiento es luego evacuada hacia el sistema de tratamiento de
efluentes.
Finalmente, la cantidad de aceite crudo de palma obtenido en la
planta extractora es medido mediante medidores de masa ubicados en la línea
de bombeo de aceite hacia el tanque stock (IDSH, 2011).
2.13.7. Palmistería
En esta sección se pretende recuperar las almendras del fruto. Lo
que ocasionara al final la obtención de; a) Aceite de Palmiste o Almendra, el
cual es de características y composición química diferentes al aceite, el cual
tiene diversos usos (jabonería principalmente). b) La torta de palmiste, se
emplea por lo general para alimentación animal. La fibra pasa a las calderas,
donde se quema como combustible (IDSH, 2011).
27
2.13.8. Instalación Complementaria al Tanques de recuperación de
aceite o florentinos
Son estructuras que por su diseño hidráulico permiten que los
aceites (menos densos que el agua) se ubiquen en la parte superior del tanque,
lo que facilita su recuperación por medio de rebose. El aceite recuperado se
lleva a un tanque de bombeo para ser retornado al proceso. En estas
estructuras también se presenta sedimentación de sólidos pesados, por lo cual
es necesaria la evacuación de lodos periódicamente. Su diseño está
estandarizado y hace parte del montaje del proceso productivo (IDSH, 2011).
Figura 3 Diagrama de Flujo del proceso Industrial
Fuente: IDSH, 2015
2.14. Diseño del Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales (STAR) de
Industrias del Shanusi
El sistema proyectado para el tratamiento del agua residual
originada en las diferentes etapas del proceso de extracción de aceite, se
diseñó con la finalidad de remover el mayor porcentaje de la carga orgánica y
sólidos suspendidos. El sistema de tratamiento que se implementado estará
conformado por una torre de enfriamiento, un sistema de laguna digestores
28
anaeróbicos, un sedimentador de alta tasa y una laguna facultativa con arreglo
hidráulico que aproxima su comportamiento al flujo pistón. Una vez estabilizado
el sistema se espera obtener una eficiencia igual o mayor al 95% en remoción
de DQO, DBO5, grasas y sólidos suspendidos, que son los parámetros
contaminantes más importantes que caracterizan los vertimientos de este tipo
de plantas extractores de aceite de palma africana (IDSH, 2011).
2.14.1. Generación de Efluentes Líquidos
Como efluentes de una planta extractora de aceite se consideran
las aguas resultantes, en orden de volumen, de los siguientes procesos:
- Aguas lodosas de la centrifuga.
- Aguas de condensados de esterilización.
- Aguas de palmistería.
- Aguas de purgas.
2.14.2. Parámetros de Diseño del Sistema de Tratamiento de Aguas
Residuales de Industria del Shanusi S.A.
Los problemas asociados con este tipo de residuos son: su elevada
temperatura, Bajo pH, alta carga de sólidos suspendidos y sólidos suspendidos
volátiles, grasas y aceites residuales, alta carga orgánica medida como
Demanda Química de Oxígeno. Por ser una planta con procesos de producción
iguales a los implementados en plantas extractoras en Colombia, Centro y
Perú, se tomaron las características promedias de estos vertimientos que se
consideran fundamentales para el diseño (ver Cuadro 3).
29
Cuadro 2. Parámetros de diseño de las lagunas de oxidación en IDSH
Parámetro Unidad Sistema de Lagunas de
Oxidación
Carga de DBO5 mg/L 32000
DQO mg/L 55000
SS mg/L 36000
SSV mg/L 30000
Potencial de hidrogeno unidades 4.5
Grasas y aceites mg/L 5000
Sulfatos mg/L 250
Caudal en planta m3/d 1320
Temperatura °C 71 Ratio
Caudal a STAR T-RFF/h m3/día
2.72 600
Fuente: IDSH, 2011
El caudal de diseño el caudal que corresponde al procesamiento de
60 toneladas durante 22 horas de producción, con una contribución de 1m3 de
agua residual por TRFFP (tonelada de racimos de fruto fresco procesado), por
lo tanto, el caudal medio de aguas residuales que se generará será del orden
de 1320 m3/d. Sin embargo, el caudal real es 20 m3/h
2.15. Reúso de Agua Tratada para Riego (Fertirriego)
El agua tratada es utilizada para Fertirriego de Palma Aceitera. La
finalidad de usar el agua tratada, es usarla como fuente de agua para el riego
de los cultivos de palma. Así mismo, en menor proporción aprovechar
(fertirriego) los nutrientes o materia orgánica que contiene el efluente tratado
(generado en la extracción de aceite de palma). .
Sobre el volumen necesario del efluente tratado para el reuso en
riego, se aclara que este solo comprende el volumen necesario para el riego de
un área de cultivo de palmas de 30 Ha, la cual se encuentra lejana a cuerpos
de agua.
30 Este Sistema usa solo una tecnología de riego por aspersión.
Siendo éste un sistema que proporciona un amplio patrón de riego con
cobertura total, mediante simulación de lluvias. Además, permite regar o
fertirrigar de acuerdo a los requerimiento del cultivo y a la estructura del
sistema de raíces. El fertirriego se realiza con una frecuencia semanal. En
épocas de lluvias la frecuencia es menor (IDSH, 2011).
2.16. Monitoreo Ambiental del Sistema de Tratamiento de Aguas
Residuales de Industrias del Shanusi
Para el Sistema de Tratamiento de Efluentes Industriales se
establecieron dos puntos de monitoreo. Uno antes del ingreso a la planta y otro
a la salida. Esto permite apreciar la calidad del agua del efluente tratado, que
es usado finalmente en el Fertirriego. Estos análisis de los puntos de
monitoreos establecidos se realizan con una frecuencia de monitoreo semestral
(IDSH, 2011). El Cuadro 4 muestra el resultado del primer Monitoreo Ambiental
realizado en Abril de 2018; que comparados con los Valores Indicativos para
Efluentes para el Procesamiento de Aceite Vegetal de la Corporación
Financiera Internacional (IFC), excede al parámetro de Demanda Química de
Oxígeno (DQO) pero cumple para el Parámetro de Potencial de Hidrógeno
(pH).
31
Cuadro 3. Monitoreo Semestral en el Sistema de Tratamiento de Agua Residual de Industrias del Shanusi S.A.
Identificación de muestra
AR-1:
Efluentes
antes del
ingreso a
planta
AR-2:
Efluentes
salida de
planta
Fecha de muestreo 6/04/2018 6/04/2018
Hora de muestreo 12:30:00 12:50:00
Categoría
Agua
Residual
Agua
Residual
Subcategoría
Agua
Residual
Doméstica
Agua
Residual
Doméstica
Parámetro Unidad LD LC Resultado Resultado
Análisis de campo
Potencial de Hidrógeno pH - - 4.89 4.51
Oxígeno Disuelto mg/L - - 0.7 0.5
Análisis fisicoquímico
Demanda Química de
Oxígeno mg/L 1.8 4.5 69227.7 566.9
Demanda Bioquímica de
Oxígeno mg/L 1.0 2.6 21900 300
Aceites y grasas mg/L 0.2 0.4 596.1 3.5
Fuente: IDSH, 2018
1
III. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. Lugar de ejecución
3.1.1. Ubicación Política del área de estudio
Departamento : Loreto
Provincia : Alto Amazonas
Distrito : Yurimaguas
Figura 4. Imagen Satelital de la Industria del Shanusi S.A.
3.1.2. Ubicación Geográfica
El área del Proyecto Industrial tiene una extensión total de 25 ha.
Se encuentra ubicada a una latitud 05º54’ N, longitud de 76º04’ S y a 187
msnm de altitud. Sus límites:
33 - Norte: Áreas catastradas y/o tituladas, próximas a las
localidades de Cotayacu y Puerto Perú (Valle del río Shanusi)
- Este: Áreas catastradas y/o tituladas, próximas a la localidad
de Bella V.
- Sur: Límite de la región San Martín
Oeste: Áreas catastradas y/o tituladas, próximas a la carretera
Tarapoto – Yurimaguas
3.1.3. Aspectos Ambientales
1. Clima
Desde el punto de vista climático, la zona corresponde a la
categoría de clima cálido húmedo, el cual se caracteriza por presentar
precipitaciones promedias anuales de 2,000 mm, y temperaturas medias de
25°C. Para analizar mejor estos parámetros, se ha tomado en consideración la
Estación Meteorológica de Yurimaguas, y las Estaciones Pluviométricas del
Caynarachi y Shanusi, por ser las más cercanas a la zona del Proyecto. Así se
tiene que la precipitación promedio anual es de 2,100 mm, mientras que las
Estaciones de Caynarachi y Shanusi, muestran una precipitación promedio
anual de 2,500 mm y 2,400 mm respectivamente, siendo el periodo más
lluvioso, entre octubre y abril.
La temperatura media mensual se caracteriza por la uniformidad de
sus valores, la cual presenta una mínima variación, entre 26.8ºC y 27.9ºC. Sin
embargo, se considerará como valor la temperatura media de 27.2°C, según lo
registrado en la Estación de Yurimaguas. La humedad relativa presenta una
variación que oscila entre el 73% y 80%, con un valor medio de 77%,
notándose un ligero descenso entre Agosto y Setiembre (IDSH 2011).
2. Hidrología
Desde el punto de vista hidrográfico, el área del proyecto se
encuentra ubicada en la vertiente del Amazonas, dentro de la cuenca del río
Huallaga (afluente del Ucayali); comprometiendo a su afluente el río Shanusi.
Los recursos hídricos próximos al área del proyecto. Con respecto a datos
generales de la Quebrada Zancudo, se señala que se ubica en el departamento
de Loreto, provincia de Alto Amazonas, a 4°7’21’’ S y una longitud de
34
76°13’6’’W. La Quebrada Zancudo es un afluente del Rio Shanusi. Se origina
aproximadamente a 2.8 Km del área del proyecto. Esta quebrada se une con la
Quebrada Limón formado la Quebradada Ushapayacu. La cual finalmente se
une con la Quebrada. Yanayacu, para su posterior desembocadura en el Rio
Shanusi.
Quebrada Limón descargas sus aguas a la Quebrada. Ushpayacu.
El caudal que discurre por este cuerpo hídrico es bajo, solo de manera
estacionaria (meses de mayor precipitación) (IDSH 2011).
3. Accesibilidad
El principal acceso a Industrias del Shanusi, es a través del tramo
vial Tarapoto – Yurimaguas (aproximadamente Km. 60) integrante del Corredor
Vial Amazonas Norte – IIRSA Norte - (Paita-Piura-Olmos-Corral Quemado-
Rioja-Tarapoto-Yurimaguas). Así mismo, se dispone de dos (02) aeropuertos
cercanos y comerciales, uno en la ciudad de Tarapoto y el otro en Yurimaguas,
ambos ubicados a puntos equidistantes de la Plantación (60 Km.
aproximadamente).
4. Extensión
La Agroindustria Palmas del Shanusi, tiene una extensión total de
12,300Has hectáreas, el mismo que se desarrollará en concordancia con lo
establecido en el Decreto Ley Nº 653 – “Ley de Promoción de Inversión en el
Sector Agrario”, donde se indica que para proyectos de tipo agroindustrial se
pueden adjudicar hasta diez mil (10,000) hectáreas y de la R.M. Nº155-2001-
AG, que aprueba el Plan Nacional de Promoción de la Palma Aceitera.
El área destinada para la implementación de las actividades de
Industrias del Shanusi S.A es de 25 Ha. La Planta de procesamiento
(Extracción de aceite de Palma) y el Sistema de Tratamiento de Aguas
Residuales Industriales, están comprendidos dentro de esa área (IDSH 2011).
35
3.2. Materiales y equipos
3.2.1. Materiales
- Libreta de campo
- Lapiceros
- Frasco de plástico 50ml
- Marcador indeleble
- Manguera para extensión de Compresor de aire 8x10
- Baldes de 10 litros
- Adhesivo Soldimix
- Jeringa 11G
- Clavo
- Guantes quirúrgicos
- Mascarilla desechable
- Material de laboratorio (piseta, pipeta, fiolas, gradilla)
- Agua destilada
- Viales de digestión de DQO
3.2.2. Equipos
- GPS (Garmin 60 csx)
- Equipo de protección personal (3M)
- Cámara digital Lumix
- Calculadora
- Reactor Digestor
- Espectrofotómetro
- Compresor de aire
3.2.3. Software
- Programa ArcMap 10.2
- Programa Microsoft Office Word
- Programa Microsoft Office Power Point
- Programa Microsoft Office Excel
36
3.3. Metodología
3.3.1. Fase Inducción y pre-campo
La inducción se realizó las primeras semanas. Consistió en la visita
de la Planta de Procesamiento para reconocimiento de la Instalación Industrial
y el Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales, donde se identificó las
operaciones unitarias y los equipos utilizados en el proceso. Al momento de
realizar el monitoreo es imprescindible el uso de Equipos de Protección
personal, así como también tener preparado el material de trabajo, formatos y
equipos previamente calibrados.
3.3.2. Identificación del Sistema de Tratamiento de Aguas
Residuales
El Tratamiento de Aguas residuales generadas en las diferentes
etapas del proceso de extracción de aceite, se diseñó con la finalidad de
remover el mayor porcentaje de carga orgánica y sólidos suspendidos. El
Sistema de Tratamiento implementado está conformado por una torre de
enfriamiento, un sistema de lagunas digestores anaeróbicos, un sedimentador
de alta tasa y una laguna facultativa con arreglo hidráulico que aproxima su
comportamiento al flujo pistón (ver Figura 5). El agua tratada tiene como fin ser
reusada para irrigación a una parcela de 30 ha de Cultivo de Palma (IDSH,
2011).
37
Figura 5. Diagrama de Flujo del Sistema de Tratamiento de Agua Residual –
Industrias del Shanusi
Fuente: IDSH, 2015
3.3.3. Puntos de muestreo y Ubicación de Ensayo
Se tuvo en cuenta los tres (03) puntos de muestreo establecidos por
Industrias del Shanusi en el Sistema de Tratamiento de Agua Residual, de
donde se extrajo muestras para el posterior análisis fisicoquímico (ver Cuadro
4).
- Punto P1: En este punto se ubica la caja de registro de entrada
del efluente a la laguna anaerobia, el efluente que proviene de
la torre de enfriamiento y se distribuye a las 04 lagunas
anaerobias, que tienen una dimensión de 50 metros de largo,
20 metros de ancho y 5 metros de profundidad. El proceso
38
anaerobio es realizado por microorganismos cuyo metabolismo
se realiza en ausencia de oxígeno. En este proceso la
temperatura de operación debe estar entre 15 a 35°C, el pH de
operación entre 6.5 a 7.5. Las lagunas se diseñaron para tratar
las aguas residuales del proceso de extracción de 30 Ton
RFFP (tonelada de racimos de fruto fresco procesado en una
hora). La eficiencia esperada en las lagunas anaerobias del
90% en remoción de carga orgánica medida como DQO, se
tiene que el tiempo de retención hidráulico es de 19.0 días,
para lo cual se obtiene que el volumen total de agua residual
almacenada es de 25.080 m3.
- Punto P2: En este punto de muestreo se encuentra la caja de
distribución de efluente que ha sido sometido a un tratamiento
físico químico por una máquina centrífuga mediante adición de
Sulfato férrico (40-80% de dilución) como coagulante y
polímero anicónico (0.1 % de dilución) como floculante para
remover sólidos suspendidos totales.
- Punto P3: En este sitio se encuentra la caja de registro de
entrada del efluente a la laguna de Almacenamiento (Laguna
de Fertirriego o Facultativa 2). En este proceso se remueve la
carga orgánica que se pasó desde la fase primaria, en esta
etapa del tratamiento recombina la actividad anaeróbica con la
aeróbica. La temperatura de operación debe estar entre 15 a
35°C, el pH de operación entre 6.5 a 8.
Cuadro 4. Ubicación de puntos de muestreo
Puntos Descripción Coordenadas
Este Norte
P1 Salida de extractora 371383.7 9322839.3 P2 Salida del Decanter 371399.2 9322928.1
P3 Fertirriego 371433 9322946.3 Fuente: Elaboración propia
39
Figura 6. Imagen Satelital de los puntos de muestreo
3.3.4. Fase de Campo
En el desarrollo de la práctica, se registró los parámetros
fisicoquímicos de calidad de agua ex-situ tales como la Demanda Química de
Oxígeno (DQO) y Potencial de Hidrógeno (pH). Para ello, se colectó las
muestras de los tres puntos de muestreo (P1, P2 Y P3) en botellas de plástico
de 500 ml, y en frascos plásticos de 50ml para el Ensayo de Aireación.
La frecuencia de muestreo fue una vez por día para los tres puntos
de muestreo, para el ensayo se muestreó una vez por día durante quince (15)
días de forma independiente para cada reactor (15 días para el reactor N°1 y
15 días para el reactor N°2). Las muestras fueron llevadas al laboratorio de
Calidad de Industria del Shanusi para su posterior análisis. El procedimiento del
análisis de Demanda Química de Oxígeno corresponde a DIN ISO 15705 y es
análogo a EPA 410.4. (EPA, 1993).
3.3.5. Fase de Gabinete
Durante esta etapa se realizó el procesamiento y evaluación de los
resultados en las muestras obtenidas de los tres puntos de monitoreo (P1, P2 y
40
P3) del Sistema de Lagunas y del Ensayo de Aireación. Los cuales fueron
emitidos por el laboratorio de Calidad. Los resultados fueron comparados con
Valores Indicativos para Efluentes para el Procesamiento de Aceite Vegetal de
la Corporación Financiera Internacional (IFC). Finalmente se elaboró gráficos
correspondientes a cada parámetro (DQO y pH) para su posterior análisis.
3.3.6. Consideración del Sistema de Aireación
- Presión hidrostática y absoluta
El aire que se debe suministrar por medio de un proceso de
compresión para que pueda salir a través de los poros de los difusores; esto
solo es posible, si la presión del aire comprimido es superior a la presión
absoluta que se ejerce sobre los difusores, la cual es resultado de la presión
hidrostática del agua y la presión atmosférica. Por tanto, se procedió a calcular
esta presión.
�ℎ2� = ��ℎ (1)
Donde:
�ℎ2� : Presión hidrostática
� : Densidad
� : Gravedad
ℎ : Altura
� = ��� + �ℎ2� (2)
Donde:
� : Presión absoluta
��� : Presión atmosférica
�ℎ2� : Presión hidrostática
3.3.7. Construcción e Instalación a escala de laboratorio de los
reactores de aireación, Reactor N°1 (R1) y Reactor N°2 (R2)
Se colectó un total 16 litros de agua residual de la Laguna de
Almacenamiento de Agua Tratada para cada reactor del Ensayo de Aireación
(8 litros para el Reactor N°1 y 8 litros para el Reactor N°2).
41 Los reactores se armaron en dos (02) baldes plásticos de 17 litros
de capacidad, con dimensiones de 25 cm de alto y 30 cm de diámetro. En la
base interna de los baldes, se ubicaron cuatro (04) puntos equidistantes para
fijar con adhesivo las mangueras conductoras, éstas son de material Plástico
PVC reforzado con fibra de alta presión. Se fijó las mangueras a los baldes,
contorneando el círculo interno del mismo. Ya fijada las mangueras en la zona
circular del balde, se realizó 18 agujeros a lo largo de cada manguera. Agujeros
de 2mm de diámetro con la ayuda de una jeringa para la manguera del Reactor
N°1 de burbuja fina. De igual manera, con la ayuda de un clavo se realizó
agujeros de 5mm de diámetro para el Reactor N°2 de burbuja gruesa.
Después se trasladó los reactores al área de Tratamiento de agua.
En la primera etapa se instaló el reactor (R1) llenándolo con 8 litros de agua
tratada de la Laguna de Almacenamiento, para luego conectarlo a la manguera
conductora y éste al compresor de aire, donde fue sometido a aireación por 15
días. De igual modo, finalizado los 15 días del primer ensayo (R1) se instaló el
segundo reactor (R2) para 15 de aireación y evaluación.
Para la toma de muestras se recolectarán 20ml diarios de agua de
cada reactor (R1 y R2) en frascos plásticos con tapa de 50ml de capacidad,
para su posterior análisis en el Laboratorio de Calidad de IDSH.
3.3.8. Determinación de la Reducción de la Demanda Química de
Oxígeno por inyección de aire comprimido mediante
difusores en los Reactores R1 y R2
Se aplicó en los Reactores R1 y R2. Las muestras colectadas
diariamente fueron sometidas a análisis del parámetro de Demanda Química
de Oxígeno siguiendo la metodología del laboratorio de Calidad de Industrias
del Shanusi S.A. (ver Cuadro 5 y Figura 7), mediante el procesamiento de
datos se realizó gráficas para determinar el comportamiento de la DQO frente a
cada sistema de aireación.
42
3.3.9. Comparación analítica de los Sistemas de Aireación de
burbuja fina y burbuja gruesa mediante porcentaje eficiencia
de remoción
Se calculó el porcentaje de eficiencia de remoción de la
concentración de la Demanda Química de Oxígeno para los Reactores R1 y
R2. Mediante estos datos obtenidos se realizaron gráficas para observar su
comportamiento, realizar una comparación y así determinar qué ensayo obtuvo
mejores resultados. Para el cálculo del porcentaje de remoción se utilizó la
siguiente fórmula (PARRA, 2006):
� = ����
�� ∗ 100 (3)
Donde:
E: eficiencia de remoción del sistema (%)
S: Carga contaminante de salida [mg DQO/l]
S0: Carga contaminante de entrada [mg DQO/l]
3.3.10. Evaluación de parámetros de Demanda Química de Oxígeno y
Potencial de Hidrógeno (pH) en los puntos de muestreo P1,
P2 y P3.
En los tres puntos de muestreo (P1, P2 y P3) se colectaron 100ml
de muestra de agua residual para cada punto. Se analizaron dos parámetros;
Demanda Química de Oxígeno (DQO) y Potencial de hidrógeno (pH). Para el
cuál se tuvo en cuenta los siguientes procedimientos:
- Demanda Química de Oxígeno
El análisis de DQO se realizó mediante reactivos de cubetas de
DQO para fotómetro Colorímetro portátil Spectroquant® MOVE 100 y se utilizó
la siguiente metodología descrita por el laboratorio de Calidad de IDSH:
La obtención del Valor de DQO será mediante el siguiente cálculo:
���� = ���� ∗ �� (4)
Donde:
���� : DQO valor final
���� : DQO valor del espectrofotómetro
�� : Factor de dilución
43
Cuadro 5. Disoluciones para Puntos de Muestreo
Puntos muestreo Muestra (ml) Agua destilada
(ml)
Factor de
disolución (f)
Salida Extractora 1 99 100
Agua Decanter 10 40 5
Agua Fertiriego 10 40 5
Fuente: Laboratorio de Calidad IDSH, 2011.
Figura 7 Metodología para análisis de DQO en IDSH
Fuente: IDSH, 2011
- Potencial de hidrógeno (pH)
Se calibró el equipo antes de realizar el monitoreo, antes de obtener
la muestra se enjuagó tres veces el dispositivo con el agua residual a
muestrear, luego se introdujo la sonda en el agua residual, manteniendo una
agitación constante con movimientos circulares hasta que estabilice un valor
Medir 2 ml de cada muestra diluida y agregarla al tubo con reactivo vial de
digestión, incluyendo la muestra en blanco (2 ml. de agua destilada)
Realizar disoluciones a las muestras. (De acuerdo al cuadro 6 líneas abajo)
Colocarla en un reactor digestor a 150°C, por 2 horas.
Enfriar y realizar la lectura en el espectrofotómetro a 600 nm, primero
leer la muestra patrón (blanco), luego las muestras en orden creciente.
Al resultado que arroje el espectrofotómetro, multiplicar
por el factor de disolución.
44
determinado, y así registrar el valor del pH, se determinó usando el multímetro
portátil de pH/ORP/EC sension+ MM150 adecuadamente calibrado, se registró
el valor del pH para cada punto de monitoreo, luego de la medición del pH-
metro será enjuagado con agua destilada y secado, esto se realizó
diariamente. Según el método 4500-H+ B (APHA-AWWA-WPCF, 1992).
3.3.11. Comparación de resultados de DQO y pH de los efluentes del
STAR con los Valores Indicativos de Efluentes para el
procesamiento de Aceite Vegetal de la Corporación
Financiera Internacional (IFC)
Se empleó los Valores Indicativos de Efluentes de la Guía sobre
Medio Ambiente, Salud y Seguridad para la Producción y el procesamiento de
Aceite Vegetal de la Corporación Financiera Internacional (IFC), que depende
del Grupo del Banco Mundial la cual es una norma internacional recomendada
para la industria en cuestión. Para ello se procesaron y compararon los datos
del muestreo del punto de Fertirriego (P3) con los Valores indicativos de IFC.
Cuadro 6. Valores Indicativos de efluentes para el procesamiento de aceite
vegetal
Valores indicativos de efluentes para el procesamiento de aceite vegetal
Contaminantes Unidades Valor Indicativo Potencial de hidrógeno pH 6 - 9
DBO5 mg/l 50 DQO mg/l 250
Nitrógeno total mg/l 10 Fósforo total mg/l 2
Aceite y grasa mg/l 10 Total, de sólidos en suspensión mg/l 50
Temperatura *C <3b
Bacterias coliformes totales NMPa/100ml 400 Fuente : Corporación Financiera Internacional (IFC). 2015
*NMP a : Número más probable
b : Al borde de una zona de mezcla establecida que toma en cuenta la calidad del agua ambiente,
el uso del agua receptora.
45
IV. RESULTADOS
4.1. Construcción e instalación a escala de laboratorio de los reactores
de aireación, Reactor N°1 (R1) y Reactor N°2 (R2)
4.1.1. Cálculo del caudal y Presión absoluta para el Ensayo de
Aireación
El Cuadro 7 muestra el caudal la cantidad de DBO5 que se alimenta
diariamente al sistema de tratamiento, basándonos en los parámetros de DBO5
en la salida del decanter con un valor de 300 mg/L (ver Cuadro 4) y el caudal
suministrado a las lagunas (caudal de agua 1 m3 /día. según las condiciones
de diseño, (ver Cuadro 3). Obteniéndose un valor de 180 Kg/día.
Cuadro 7. Cálculo de DBO5 entrante al Sistema de lagunas de oxidación
DBO5 (mg/L) Salida del Decanter
DBO5 (Kg/m3)
Caudal de entrada a la
laguna (m3/d)
DBO5 (Kg/día)
300 0.3 600 180 Fuente: Elaboración propia
Con base a la cantidad de DBO5 máxima presente en el agua
residual, en el Cuadro 8 se calculó la cantidad de aire requerida, teniendo en
cuenta la cantidad de aire necesaria para la reducción de 1 Kg de DBO5
calculada experimentalmente Cuesta (2005) citado por ALVIZ (2012). El
sistema requiere un caudal de aire de 19.5 m3/min para poder reducir una
carga de DBO5 DE 180kg/día.
46
Cuadro 8. Cálculo del caudal de aire requerido en el Sistema de aireación
DBO5 (Kg/día) Cantidad de aire para reducir 1kg de DBO5
(m3)
Caudal de Aire requerido en el sistema (m3/min)
180 154 19.25 Fuente: Elaboración propia
El aire se debe suministrar por medio de un proceso de compresión
para que pueda salir a través de los poros de los difusores; esto solo es
posible, si la presión del aire comprimido es superior a la presión absoluta que
se ejerce sobre los difusores, la cual es resultado de la presión hidrostática del
agua y la presión atmosférica. Para este caso se tomó 20 cm de altura que los
8 litros de agua formaron al contenerse en los reactores. Por tanto, en el
Cuadro 9 se muestra según cálculo que la presión requerida debe ser mayor a
15.4, por lo que se utilizó 17psi de presión.
Cuadro 9. Cálculo de la presión requerida en el Sistema de aireación
Presión hidrostática
bajo 20 cm de profundidad de
agua (psi)
Presión atmosférica
(psi)
Presión Absoluta (psi)
Presión requerida
en el Sistema
(psi)
Presión utilizada
(psi)
0.34 14.7 15.04 > 15.4 17
Fuente: Elaboración propia
4.1.2. Diseño de los Reactores R1 y R2
La Figura 8 muestra el esquema del diseño a escala de laboratorio
para los reactores R1 (burbuja fina) y R2 (burbuja gruesa). Se armaron en dos
(02) baldes plásticos de 17 litros de capacidad, con dimensiones de 25 cm de
alto y 30 cm de diámetro. Cada reactor se conectó a la manguera conductora y
47
éste al compresor de aire, donde fue sometido a aireación por 15 días. De igual
modo, finalizado los 15 días del primer ensayo (R1) se instaló el segundo
reactor (R2) para 15 de aireación y evaluación.
Figura 8. Esquema de los Reactores R1 y R2
4.2. Determinación de la Reducción de la Demanda Química de Oxígeno
en los Reactores R1 y R2
4.2.1. Valores de Demanda Química de Oxígeno para el Reactor R1
de burbuja fina
El Cuadro 10 muestra los resultados obtenidos del Ensayo en el
Reactor de burbuja fina (R1). El valor inicial de Demanda Química de Oxígeno
del ensayo fue de 2 055 mg de O2/l. Se puede observar el descenso de los
valores diarios de DQO en el agua residual a medida que aumentan los días de
aireación en el reactor de burbuja fina. Obteniéndose así el valor de 665 mg de
O2/l de DQO al día 15, día final de evaluación.
48 En la Figura 9 muestra un descenso en los valores de DQO en los
primeros días de evaluación, ya que la disponibilidad de materia orgánica es
mayor, por lo tanto la existe mayor sustrato de alimento para la actividad
microbiológica que conlleva a la reducción de la carga orgánica.
Figura 9. Variación de la DQO en el Reactor de burbuja fina R1
Fuente: Elaboración propia
0200400600800
100012001400160018002000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Dem
and
a Q
uím
ica
de
Oxí
gen
o
Días de Evaluación para R1
DQO (mg/L)
49
Cuadro 10. Resultados de la Demanda Química de Oxígeno para el Reactor de
burbuja fina (R1)
Burbuja fina
DQO inicial = 2055 ppm
Fecha DQO (mg de O2/l)
16/03/2018 1800
17/03/2018 1780
18/03/2018 1743
19/03/2018 1495
20/03/2018 1220
21/03/2018 1040
22/03/2018 1025
23/03/2018 970
24/03/2018 905
25/03/2018 890
26/03/2018 880
27/03/2018 855
28/03/2018 745
29/03/2018 680
30/03/2018 665
Fuente: Elaboración propia
4.2.2. Valores de Demanda Química de Oxígeno para el Reactor R2
de burbuja gruesa
El Cuadro 11 muestra los resultados obtenidos del Ensayo en el
Reactor de burbuja gruesa (R2). El valor inicial de Demanda Química de
Oxígeno del ensayo fue de 2580 mg de O2/l. Se puede observar un descenso
no muy pronunciado de los valores diarios de DQO durante los días de
evaluación de aireación en el reactor de burbuja gruesa. Obteniéndose así el
valor de 1250 mg/L de DQO al día 15, día final de evaluación.
50 En la Figura 10 se puede apreciar un descenso leve hasta el día 4 y
5. A partir del día 5 hasta el día 11 se tiene un descenso pronunciado en los
valores de DQO. Este descenso se suaviza a partir del día 11, ya que la
disponibilidad de materia orgánica es menor, por lo tanto existe menor sustrato
de alimento para la actividad microbiológica y la oxidación química.
Figura 10. Variación de los valores de DQO en el Reactor R2 de burbuja
gruesa
Fuente: Elaboración propia
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Dem
and
a Q
uím
ica
de
Oxí
gen
o
Días de Evaluacion para R2
DQO (ppm)
51
Cuadro 11. Resultados de Demanda Química de Oxígeno para el Reactor de
burbuja gruesa (R2)
Burbuja gruesa
DQO inicial = 2580 ppm
FECHA DQO (mg de O2/l)
05/04/2018 2430
06/04/2018 2385
07/04/2018 2305
08/04/2018 2295
09/04/2018 2175
10/04/2018 1915
11/04/2018 1870
12/04/2018 1785
13/04/2018 1690
14/04/2018 1550
15/04/2018 1460
16/04/2018 1435
17/04/2018 1375
18/04/2018 1305
19/04/2018 1250
Fuente: Elaboración propia
4.3. Comparación analítica de los Sistemas de Aireación en los
Reactores R1 de burbuja fina y R2 de burbuja gruesa
4.3.1. Porcentaje de Eficiencia de Remoción en los Reactores R1 y
R2
En el Cuadro 12 se puede observar los datos de porcentajes de
remoción diarios; para el reactor R1 se observa que al finalizar el ensayo tiene
un porcentaje de remoción de 67.6%. Asimismo, en la Figura en 11 podemos
52
observar el incremento de remoción durante los días de evaluación. El
incremento acelerado tiene lugar en el lapso del día 3 y 6 de la evaluación
acercándose al 50% de remoción.
Figura 11. Incremento de los valores del porcentaje de eficiencia de remoción
diaria del Reactor R1
Fuente: Elaboración propia
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415
Po
rcen
taje
de
Rem
oci
ón
Días de Evaluación
Porcentaje deRemoción diaria (%)
53
Cuadro 12. Porcentaje de eficiencia de remoción diaria de DQO para el Reactor
de burbuja gruesa (R1)
Burbuja fina - Reactor N° 1
Día Porcentaje de Remoción diaria (%)
1 12.4 2 13.4 3 15.2 4 27.3 5 40.6 6 49.4 7 50.1 8 52.8 9 56.0
10 56.7 11 57.2 12 58.4 13 63.7 14 66.9 15 67.6
En el Cuadro 13 se puede observar los porcentajes de remoción
diarios, para el reactor R2 se observa que al finalizar el ensayo tiene un
porcentaje de remoción de 51.6%. Asimismo, en la Figura en 12 podemos
observar el incremento de remoción durante los días de evaluación. En el día 2
al 3 se existe un incremento lento y constante que luego vuelve a
incrementarse en el día 5.
54
Cuadro 13. Porcentaje de eficiencia de remoción diaria de DQO para el Reactor
de burbuja gruesa (R2)
Burbuja Gruesa - Reactor N°2
Día Porcentaje de Remoción diaria (%)
1 5.8
2 7.6
3 10.7
4 11.0
5 15.7
6 25.8
7 27.5
8 30.8
9 34.5
10 39.9
11 43.4
12 44.4
13 46.7
14 49.4
15 51.6
Fuente: Elaboración propia
55
Figura 12. Incremento de los valores de porcentaje de eficiencia de remoción
diaria en el Reactor R2
Fuente: Elaboración propia
En los Cuadros 12 y 13 se puede observar los valores de
porcentaje de eficiencia de remoción de DQO alcanzados para cada Reactor al
día 15, día final de evaluación. El Reactor R1 obtuvo un valor de 67.6% y el
Reactor R2 un valor 51.6% respecto a la eficiencia de remoción. Demostrando
así, mayor capacidad de remoción de la DQO el Sistema de Aireación de
burbuja fina del Reactor R1.
4.3.2. Comparación del mejor resultado obtenido en los Reactores
de Aireación con datos antecedentes del año 2007 en la
Sistema de Tratamiento de Agua Residual de Industria del
Shanusi S.A.
En la Figura 13 se puede observar un análisis comparativo con
datos de la Demanda Química de Oxígeno del Efluente tratado en el STAR de
IDSH, en el cual podemos verificar que el mejor resultado de DQO removido en
los Ensayos de Aireación que corresponde al Reactor R1 de burbuja fina cuyo
valor es de 665 mg de O2/l. Éste valor está por debajo de los datos obtenidos
de DQO del año 2017 en el Sistema de Tratamiento por Lagunas de Oxidación,
el cual comprueba la eficiencia del ensayo de aireación.
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415
Po
rcen
taje
de
Rem
oci
ón
Días de evaluación
Porcentaje deRemoción diaria (%)
56
Figura 13. Datos de Demanda Química de Oxígeno del año 2017 del efluente
Tratado en el Sistema de Tratamiento Agua Residual comparado con
el menor valor obtenido en los Ensayos de Aireación.
Fuente: Elaboración propia
4.4. Evaluación de los parámetros de Demanda Química de Oxígeno y
Potencial de Hidrógeno en los tres puntos de muestreo P1, P2 y P3
Los puntos de monitoreo dentro del sistema de lagunas de
oxidación fueron:
- Punto 1: Salida de Extractora
- Punto 2: Salida de Decanter
- Punto 3: Laguna de Almacenamiento (Fertirriego)
En la Figura 14 los valores más bajos de Demanda Química de
Oxígeno se obtienen en el Punto 2 debido a que en este punto el agua residual
sale del Proceso del Tratamiento Fisicoquímico en una Centrífuga (Decanter)
donde se remueve gran parte de la carga orgánica. El punto P3 presenta
valores ligeramente por encima del punto P2 debido a que en esta Laguna de
Almacenamiento de Agua Tratada (Fertirriego) presenta disminución de su
capacidad útil por los sólidos sedimentados a los largo de los años, esto
ocasiona contaminación del agua tratada evidenciados en los valores de DQO
obtenidos. La DQO va disminuyendo conforme el efluente pasa de una laguna
a otra dentro del STAR, hasta llegar al punto P2 dónde pasa por el Tratamiento
fisicoquímico, dónde se obtuvo un valor de 1 200 mg de O2/l en promedio. En
0
500
1000
1500
2000
2500
Dem
and
a Q
uím
ica
de
Oxí
gen
o (
mg
/L)
Series1
Series2
STAR
2007
ENSAYO
R1
57
los meses de Febrero – Marzo hubo poca cosecha de Racimo de Fruto Fresco
(RFF), por lo tanto, bajó la producción y el contenido orgánico del efluente fue
menor, esto se puede verificar en los valores de Febrero – Marzo del gráfico
para el punto P1.
Figura 14. Variación de los valores de la Demanda Química de Oxígeno del
efluente en los puntos P1, P2 P3 durante el periodo Febrero – Abril de
evaluación.
Fuente: Elaboración propia
En la Figura 15 los valores más bajos de pH se obtienen en el punto
P1, los cuales fueron variando en el transcurso de las semanas, el pH va
aumentando y estabilizando a neutro conforme el efluente pasa de una laguna
a otra dentro de la PTAR, hasta llegar al punto 3 donde se obtuvo los valores
más altos de pH, con un valor de 7.4 en promedio.
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
Febrero Marzo Abril
Dem
and
a Q
uím
ica
de
Oxí
gen
o (
mg
/L)
P1
P2
P3
58
Figura 15. Variación de los Valores de Potencial de Hidrógeno de los efluentes
en los puntos P1, P2 y P3 durante el periodo Febrero – Abril de
evaluación.
Fuente: Elaboración propia
4.4.1. Promedio de los parámetros fisicoquímicos del Efluente
tratado en el Sistema Tratamiento de Agua Residual de IDSH
En el Cuadro 14 se observa los valores promedio de los parámetros
fisicoquímicos de calidad de las aguas residuales que son tratados en el
Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales de IDSH, donde se puede
observar que el menor valor promedio de 1 285.3 mg de O2/l de DQO se
obtuvo en el punto 2. Asimismo se puede observar el mayor valor promedio de
pH, que corresponde al punto P3. El comportamiento de los parámetros en los
tres puntos de monitoreo sobre el paso de las Lagunas de Oxidación y el
Tratamiento Fisicoquímico es descendente para la DQO y ascendente para el
pH evidenciando una eficiencia de remoción esperada descrita en el diseño del
STAR y una estabilización del efluente.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Febrero Marzo Abril
Po
ten
cial
de
Hid
róg
eno
Meses de evaluación
P1
P2
P3
59
Cuadro 14. Valores promedios de los efluentes de los tres Puntos evaluados
dentro del Sistema de Tratamiento de Agua Residual de IDSH
Parámetro Unidad Valores de la laguna
P1 P2 P3
Demanda Química de Oxígeno mg/L 69186 1285.3 1779.45
Potencial de Hidrógeno pH 4.77 6.8 6.98
Fuente: Elaboración propia
En la Figura 16 los valores promedio de DQO que se obtuvieron
van en descenso dentro del Sistema de Lagunas de Oxidación, se puede
observar un descenso muy pronunciado del punto P1 al punto P2. El efluente
que ingresa en el Punto 1 tiene un valor de DQO de 68 186 mg de O2/l, los
cuales presentan mayor concentración de materia orgánica. En el transcurso
por el STAR la carga orgánica del agua residual disminuye, obteniéndose así
bajos valores de DQO en la laguna de Almacenamiento de Agua Tratada
(Fertirriego). En el punto P3 el valor de la DQO es ligeramente mayor que en el
punto P2, esto se debe a la saturación de sedimento y la disminución de la
capacidad útil de la Laguna de Almacenamiento de Agua Tratada.
60
Figura 16. Valores de Demanda Química de Oxígeno promedio para los tres
puntos de muestreo.
Fuente: Elaboración propia
En la Figura 17 los valores promedio de pH que se obtuvieron van
en aumento dentro del STAR. El efluente que ingresa en el punto P1 es un pH
ácido de 4.7 los cuales presentan mayor cantidad de iones hidrogeno,
conforme transcurre por el sistema los iones hidróxido aumentan lo que hace
que se obtengan pH altos en las fases siguientes, en el punto P3 el pH es
neutro, con un valor promedio de 6.9.
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
P1 P2 P3
Dem
and
a Q
uím
ica
de
Oxí
gen
o (
mg
/L)
Puntos de Muestreo
61
Figura 17. Valores de Potencial de Hidrógeno promedio para los tres puntos de
muestreo
Fuente: Elaboración propia
4.5. Comparación de los valores obtenidos de los efluentes con los
Valores Indicativos de Efluentes de la Guía sobre Medio Ambiente,
Salud y Seguridad para la Producción y el procesamiento de Aceite
Vegetal de la Corporación Financiera Internacional (IFC).
El análisis comparativo se realizó considerando los Valores
Indicativos de Efluentes de la “Guía sobre Medio Ambiente, Salud y Seguridad
para la Producción y el Procesamiento de Aceite Vegetal” una norma
internacional recomendada para la industria en cuestión, en el Cuadro 15 se
muestra los valores de los parámetros fisicoquímicos del punto P3 del efluente
del STAR evaluados en los meses de Febrero – Mayo, que posteriormente son
utilizados para Fertirriego en 30 ha de Palma.
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
P1 P2 P3
Po
ten
cial
de
Hid
róg
eno
Puntos de Muestreo
Ph
62
Cuadro 15. Valores de los efluentes de IDSH comparado con los Valores
Indicativos de Efluentes para el procesamiento de Aceite Vegetal de
la IFC.
Parámetro Unidad
Efluente del Sistema de Tratamiento de Agua Residual
Valores Indicativos de efluentes para
el procesamiento
de Aceite Vegetal
Febrero Marzo Abril Mayo
Demanda Química
de Oxígeno
mg/L 1044 2055 2386 1633 250
Potencial de
Hidrógeno pH 7.6 8.1 6.5 6.7 6 - 9
Fuente: Elaboración propia
La Figura 18 muestra que los valores obtenidos de pH en los
efluentes del STAR, cumplen con los Valores Indicativos de descarga de
efluentes para el procesamiento de Aceite Vegetal de la IFC, ya que no
sobrepasan el rango establecido.
Figura 18. Valores obtenidos de pH del efluente en el STAR durante el
muestreo en el punto P3 comparados con los Valores Indicativos de
descarga de la IFC
Fuente: Elaboración propia
0123456789
Febrero Marzo Abril Mayo
pH
Meses de Evaluación
Límite de descarga
Potencial de Hidrógeno
63
En la Figura 19 muestra los valores obtenidos de DQO del efluente
en el STAR durante el proceso de muestreo del punto P3. Estos valores no
cumplen con lo establecido en los Valores Indicativos de descarga de efluentes
para el procesamiento de Aceite Vegetal de la IFC, ya que sobrepasan el
rango establecido.
Figura 19. Valores obtenidos de la DQO del efluente en el STAR durante el
muestreo en el punto P3 comparados con los Valores Indicativos de
descarga de la IFC
Fuente: Elaboración propia
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Febrero Marzo Abril Mayo
Dem
and
aa Q
uím
ica
de
Oxí
gen
o
Meses de Evaluación
Demanda Química deOxígeno (mg/L)
Límite de descarga
64
V. DISCUSIÓN
Según KISTER (2008), Las burbujas finas permiten una mayor
transferencia de oxígeno que las gruesas, pero requieren de mayor cuidado,
puesto que el montaje de estos difusores requiere de un filtro ubicado antes del
compresor, para evitar incrustaciones y posterior taponamiento por parte de las
impurezas presentes en el aire. En las figuras 9 y 10 y en los Cuadros 10 y 11
del ensayo de aireación, se puede verificar que el Sistema de Aireación por
burbuja fina tuvo mayor porcentaje de eficiencia de remoción de carga orgánica
que el reactor con Sistema de Aireación de burbuja gruesa. El sistema de
burbuja fina es muy delicado ya que los poros tienden a taponearse, por lo
tanto pierden su eficiencia conforme se prolongue su operación.
Según WASON (2012) La eficiencia de transferencia de oxígeno
depende de varios factores, entre ellos la geometría del tanque, que es
utilizado para contener el agua mientras se mezcla con el gas. La aireación se
realiza en tanques de forma cilíndrica, tipo de agua residual. También se
utilizan formas cuadradas o rectangulares de manera limitada y con objetivos
especiales. En el ensayo se optó por un reactor circular, así se pudo demostrar
su eficiencia en que tuvo mayor eficiencia en cuanto a la ausencia de esquinas
que provocan puntos vacíos y disminuyen la eficiencia.
Según datos de IDSH (2017) el porcentaje de remoción se
mantiene mayor a 90% con datos de DQO promedio de 1 500 mg de O2/l. En la
Figura 13 se puede constatar que el menor valor obtenido en el ensayo de
aireación supera a los datos obtenidos de DQO en el año 2017 del efluente
tratado en el STAR de IDSH.
La actividad fotosintética demanda un consumo grande de CO2 por
las algas. Además el uso factible de carbono, a partir del ión bicarbonato y la
producción de ión OH- hace que se obtengan períodos de pH altos en las
lagunas facultativas (CORREA, 2008). En las figuras 15 y 17 se determina que
65
se necesita un pH entre 7 a 7.4 para tener una actividad fotosintética óptima, lo
cual se cumple en el punto P3 del STAR de IDSH.
Según EDDY (1972) Los tratamientos biológicos, son los
responsables de la depuración de la materia orgánica biodegradable, presente
en las aguas residuales. Básicamente es el desarrollo de microorganismos
utilizando la materia orgánica como fuente de alimento, y de esta manera,
reducir eficientemente la carga orgánica de la misma. Todos estos procesos se
realizan a través de las reacciones bioquímicas, que se dan en condiciones
controladas y se clasifican en dos grupos: Reacciones aerobias (Se produce en
presencia de oxígeno) y reacciones anaerobias (En ausencia de oxígeno
disuelto), (EDDY, 1972). En las Figuras 14 y 16 se puede observar cómo se
reduce la carga orgánica conforme el efluente transcurre por el Sistema de
lagunas gracias a la acción de microorganismos anaerobios y aerobios de las
lagunas. En las Figuras 9 y 10 se puede comprobar el proceso de la reducción
de carga orgánica por reacciones aerobias mediante inyección de aire.
Ya que en el Perú no existe normativa ambiental relacionada a los
efluentes de industrias de extracción de aceite de palma africana, los
resultados obtenidos de DQO y pH de la STAR de IDSH se compara con una
normativa internacional, en este caso se utilizó el descrito por la Corporación
financiera internacional (IFC, 2015), que emplea Valores de Efluentes de la
“Guía sobre Medio Ambiente, Salud y Seguridad para la Producción y el
Procesamiento de Aceite Vegetal”. La Figura 18 muestra el valor de pH
obtenido en el P3 que cumple con los valores establecidos Indicativos de
descarga de efluentes de la IFC, mientras que el valor de DQO en el punto P3
no cumple con el rango establecido mostrado en la Figura 19.
66
VI. CONCLUSIÓN
1. Se construyó e instaló a escala de laboratorio los Reactores de Aireación
Reactor N°1 de burbuja fina y Reactor N°2 de burbuja gruesa en dos
baldes plásticos de 17 litros de capacidad, con dimensiones de 25 cm de
alto y 30 cm de diámetro, unidas a una manguera conductora de aire de
PVC reforzado y éste unida al compresor de aire a una presión de 17 psi.
2. Se determinó la reducción de la Demanda Química de Oxígeno (DQO) por
inyección de aire comprimido mediante difusores de aire de burbuja fina y
burbuja gruesa. Los valores al día 15, día final de evaluación fueron 665
mg de O2/l para el Reactor R1 de burbuja fina y 1 250 mg de O2/l para el
Reactor R2 de burbuja gruesa.
3. Se comparó analíticamente los valores obtenidos de los Sistemas de
Aireación de burbuja fina y burbuja gruesa mediante resultados de
porcentaje de eficiencia de remoción de DQO. Los valores de porcentaje de
eficiencia de remoción al día 15, día final de evaluación fueron 67.6% para
el Reactor R1 de burbuja fina y 51.6% para el Reactor R2 de burbuja
gruesa.
4. Se evaluó los parámetros de la Demanda Química de Oxígeno y Potencial
de hidrógeno en tres (03) puntos de muestreo, Salida de Extractora, Salida
de Decanter y Fertirriego. Donde se verificó la mayor reducción de la carga
orgánica en el punto P2 y estabilización de los iones disueltos del efluente
en el punto P3; factores importantes para una eficiencia de operación y
destino final del efluente como reúso en el proyecto Fertirriego.
5. Los valores de DQO evaluados en el P3, punto final del tratamiento del
STAR de IDSH sobrepasan los Valores Indicativos de descarga de
efluentes para el procesamiento de Aceite Vegetal de la IFC, mientras que
para el pH presentan valores aceptables.
67
VII. RECOMENDACIONES
1. En futuras aplicaciones se recomienda tener en cuenta más variables de
diseño del difusor de aire para observar cambios en la transferencia de
gas – líquido.
2. Se sugiere el análisis de la concentración de oxígeno en el tanque de
aireación, con profundidades mayores que las propuestas en esta
práctica. Como también se puede variar en las dimensiones y geometría
del mismo para observar su influencia directa en las variables de
estudio.
3. Se aconseja la recolección de datos con un oxímetro a diferentes
profundidades para poder apreciar el comportamiento de las
concentraciones. Se aconseja también realizar el análisis del tamaño de
burbuja y tiempo de residencia de esta en agua
4. Considerar cerrar la entrada de efluente a la Laguna de Almacenamiento
y bombear directamente desde el rebose el efluente tratado en el
Decanter. Luego trasvasar el efluente desde la Laguna de
Almacenamiento (Fertirriego) hasta el Tratamiento fisicoquímico para
remover lo sólidos totales presentes en el agua Tratada de la Laguna de
Fertirriego que se encuentra cada vez con menos capacidad útil. De este
modo vaciar la Laguna del Fertirriego para su posterior mantenimiento y
Limpieza.
5. Tomar en cuenta el mejoramiento en el Sistema de Tratamiento de Agua
Residual por Lagunas de Oxidación para el sector de procesamiento de
Aceite de Palma; implementando un tratamiento adicional antes de su
reúso para riego, de esta manera se podrán alcanzar los Valores
Indicativos de Efluentes de la IFC y ECA para agua (categoría 4),
logrando disminuir los impactos ambientales con respecto a la calidad
del agua.
68
VIII. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
ALVIZ, A., CUETO, D. 2012. Diseño de un Sistema de Aireación para una
Planta de Lodos Activados en Zofranca Mamonal – Colombia. Tesis en
Ingeniería Química. Cartagena – Colombia. Universidad de Cartagena.
101 p.
APHA, AWWA, WPCF. 1992. Métodos Normalizados Para El Análisis De
Aguas Potables y Residuales. 17 ed. .Madrid, España. Ediciones Díaz
de Santos, S.A. 1830 p.
CENIPALMA. 2011. Estudio de los efluentes líquidos de las plantas de
beneficio, orientado al cumplimiento de normas ambientales
nacionales.[Enlínea]:Fedepalma,(http://web.fedepalma.org/sites//files/Fe
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72
IX. ANEXOS
73
Anexos A1. Ficha de control de Demanda Química de Oxígeno y Potencial de Hidrógeno
Cuadro 16. Ficha de control de DQO y pH de efluentes en los tres puntos P1, P2 y P3
74
Anexo A2. Registro de parámetros fisicoquímicos
Cuadro 17. Valores promedio de Potencial de hidrógeno y Demanda Química
de Oxígeno en el punto P1 en el periodo de evaluación Febrero –
Mayo.
Mes Valores de los parámetros evaluados en el Punto 1
DQO (mg de O2/l) pH
Febrero 50088.25 5
Marzo 65630.9 5
Abril 74200 4.8
Mayo 86825 4.3
Cuadro 18. Valores promedio de Potencial de hidrógeno y Demanda Química
de Oxígeno en el punto P2 en el periodo de evaluación Febrero –
Mayo.
Mes Valores de los parámetros evaluados en el Punto 2
DQO(mg O2/L) pH
Febrero 1640.7 6.84
Marzo 1091.4 6.5
Abril 1123.8 7.1
Mayo - -
75
Cuadro 19. Valores promedio de Potencial de hidrógeno y Demanda Química
de Oxígeno en el punto P3 Febrero – Mayo.
Mes Valores de los parámetros evaluados en el Punto 3
DQO (mg/L) Ph
Febrero 1044.38 7.63
Marzo 2054.95 8.12
Abril 2386 6.5
Mayo 1632.5 6.7
Cuadro 20. Parámetros del efluente vs Valores Indicativos de descarga de la
IFC.
Parámetro Unidad
Efluente del Sistema de Tratamiento de Agua Residual
Valores Indicativos de efluentes para
el procesamiento
de aceite vegetal
Febrero Marzo Abril Mayo
Demanda Química
de Oxígeno
mg/l 1044 2055 2386 1633 250
Potencial de
Hidrógeno pH 7.6 8.1 6.5 6.7 6.90
Cuadro 21. Valores promedio de Demanda Química de Oxígeno y Potencial de
Hidrógeno en los tres puntos de evaluación P1, P2 y P3.
Parámetro Unidad Valores de la laguna
P1 P2 P3
Demanda Química
de Oxígeno mg/l 69186 1285 1779
Potencial de
Hidrógeno pH 4.77 6.8 6.98
76
Cuadro 22. Valores promedio de Demanda Química de Oxígeno por puntos de
muestreo y meses de evaluación.
Demanda Química de Oxigeno (mg O2/l)
Punto de Muestreo Febrero Marzo Abril P1 50088 65631 74200 P2 1640.7 1091 1123
P3 1044 2054 2386
Cuadro 23. Valores promedio de Potencial de Hidrógeno por puntos de
muestreo y meses de evaluación
Potencial de hidrogeno (pH)
Punto de Muestreo Febrero Marzo Abril
P1
5 5 4.8
P2 6.8 6.5 7.1
P3 7.6 8.12 6.5
77
Cuadro 24. Datos de Demanda Química de Oxígeno del año 2017 en el STAR de IDSH
Parámetro Demanda Química de Oxígeno (mg O2/l)
Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
Salida de Extractora 92170.8 95477.5 57843 59004.8 70236 75638 71272 91682 102796 97457.2
Fertirriego 1950 1671.5 1373 1487.5 799.06 1278 1601 1745 1852 1450.1
78
ANEXO 1B. Galería de imágenes
Figura 20. Construcción del Sistema de Aireación
Figura 21. Recolección de Agua Residual de la Laguna de Almacenamiento
79
Figura 22. Instalación del Reactor de Aireación R1
Figura 23. Instalación del Reactor de Aireación R2
80
Figura 24. Toma de muestras del Ensayo de Aireación
Figura 25. Toma de muestra Salida de Extractora punto P1
81
Figura 26. Toma de muestra Salida del Decanter punto P2
Figura 27. Toma de muestra Fertirriego punto P3
82
Figura 28. Muestras colectadas en los tres puntos y el Ensayo de Aireación
Figura 29. Dilución de las muestras para análisis de DQO
83
Figura 30. Muestras colocadas en los test de cubetas de DQO
Figura 31. Cubetas de test de DQO colocadas en el digestor
84
Figura 32. Lectura de DQO en las muestras mediante espectrofotómetro
85
Figura 33. Análisis de pH en las muestras colectadas
Figura 34.Vista panorámica de una Laguna Anaerobia
86
Figura 35. Vista panorámica de la Laguna Facultativa 1
Figura 36. Vista panorámica de la Laguna de Almacenamiento
87
Figura 37. Centrífuga o Decanter para Tratamiento Fisicoquímico
88
ANEXO 1C. Planos