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Universidad Nacional de Trujillo
Facultad Ingeniería Química
Escuela Académico Profesional Ingeniería Química
“Producción de Biogas mediante la digestión
anaeróbica de los lodos flotantes de oxidación de aguas residuales de la ciudad de Chepén”
Tesis Para optar el Título de Ingeniero Químico
Autor : Br. Rossana Judith Corcio Burgos Asesor : Ing. Luis Moncada Albitres
TRUJILLO - PERÚ 2006
Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación
Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/
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PRESENTACIÓN
SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO:
De conformidad con los dispositivos legales y vigentes de Grados y Títulos de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de la Libertad –
Trujillo, queda a vuestra consideración y elevado criterio el presente trabajo de
tesis titulado:
“Producción de Biogás mediante la digestión anaerobia de los
lodos flotantes de la laguna de oxidación de aguas residuales de
la ciudad de Chepén”
Con la finalidad de obtener el Título profesional de Ingeniero Químico.
Presento a ustedes señores miembros del jurado el presente trabajo de
investigación, esperando que sirva como un pequeño aporte a la producción de
alimentos en nuestro país, y específicamente en la provincia de Pacasmayo.
Trujillo, Diciembre del 2006
Br. Rossana Corcio Burgos
Producción de Biogás ii
Br. Rossana Corcio Burgos
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JURADO DICTAMINADOR
Ing. René Ramírez Ruiz
MSc. Luis Moncada Albitres
MSc. Manuel Vera Herrera
Producción de Biogás iii
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DEDICATORIA
A mis Queridos padres:
Víctor y Claudina:
Con inmenso amor y eterna gratitud, por
haberme guiado en el camino de la
superación, porque con sus ejemplos de
perseverancia y optimismo sembraron en
mí la seguridad de vencer las dificultades
de la Vida.
Gracias papis por depositar en mí su
confianza y experiencia, por su paciencia,
cariño y comprensión y hacer realidad
uno de mis grandes sueños:
Ser Profesional.
A mis hermanos:
Erika, Patricia, Janette, Christian
Por su apoyo constante, aprendí de cada
uno de ellos a valorar el verdadero
significado del esfuerzo y lucha.
Rossana.
Producción de Biogás iv
Br. Rossana Corcio Burgos
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A mis hermosos sobrinos:
Diego, Denisse, Valentino.
Que están siempre a mi lado, me hacen
recordar cada día la belleza de ser niños
por su inocencia e ingenuidad.
A un ser muy especial:
Fiorella
Aunque no está presente físicamente sé
que me acompaña espiritualmente en
todo momento. Es la fuerza motivadora
que impulsa mi superación especial, sé
que desde el infinito hace brillar su luz
para iluminar mi vida y guiar mis pasos
día a día.
Gracias mi niña por estar siempre
conmigo
Rossana.
Br. Rossana Corcio Burgos
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AGRADECIMIENTO
Con Gratitud a nuestro Padre Celestial.
Por su ayuda constante, por estar
conmigo en todo momento cuando perdía
las esperanzas.
Por iluminar mi pensamiento al
inculcarme el amor y respeto por los
demás.
Gracias por brindarme amor y fuerza
durante toda mi etapa de formación
profesional y a sobreponerme ante todo
obstáculo en mi vida y cumplir mi reto de
ser una Gran profesional.
Siempre te llevaré en mi corazón y en mi
vida, nunca me dejes de guiar y bendecir.
Te necesito por siempre y para siempre.
A mi asesor:
Ing. Luis Moncada Albitres
Con profundo agradecimiento por su
dedicación, experiencia y acertado
asesoramiento en la elaboración del
presente trabajo de investigación.
Rossana.
Producción de Biogás v
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CONTENIDO
Carátula .................................................................................................... ............i
Presentación..........................................................................................................ii
Jurado examinador...............................................................................................iii
Dedicatoria...........................................................................................................iv
Agradecimiento.....................................................................................................v
Contenido.............................................................................................................vi
Lista de tablas........................................................................................ .............vii
Lista de figuras....................................................................................................viii
Lista de gráficos...................................................................................................viii
Resumen...............................................................................................................ix
Abstract.................................................................................................................x
I. INTRODUCCION .......................................................................................1
1.1 Fundamentos de la tecnología de producción de biogás............................4
1.2 Etapas del proceso anaerobio...................................................................13
1.3 Factores que determinan la eficiencia de la digestión anaerobia .............17
1.4 Utilización del biogás.................................................................................24
1.5 Empresa de servicios de agua potable y alcantarillado de la libertad
sociedad anonima SEDALIB S.A..............................................................26
II. MATERIAL Y MÉTODOS ........................................................................41
2.1 Materiales..................................................................................................41
2.2 Métodos.....................................................................................................44
III. RESULTADOS .........................................................................................48
IV. DISCUSION DE RESULTADOS ..............................................................59
V. CONCLUSIONES......................................................................................61
VI. RECOMENDACIONES.............................................................................62
VII. REFERENCIA BIBLIOGRAFICAS...........................................................63
Producción de Biogás v
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LISTA DE TABLAS
Tabla Nº 1. Composición bioquímica del biogás..................................................6
Tabla Nº2. Digestión anaeróbica - representación esquemática.....................9
Tabla Nº3. Microorganismos en la fermentación anaerobia.............................9
Tabla Nº 4. Principales bacterias formadoras de metano y sustrato sobre
los que actúan. ..................................................................................17
Tabla Nº 5. Población, cobertura y conexiones de alcantarillado. ......................30
Tabla Nº 6. Población y caudales de diseño. .....................................................31
Tabla Nº 7. Variación de los caudales de ingreso a la PTAR Chepén
según diseño. ...................................................................................32
Tabla Nº8. Variación de la 080 y la carga orgánica a la PTAR Chepén según
diseño. ............................................................................................33
Tabla Nº 9. Variación de la eficiencia de la PTAR Chepén desde el inicio
hasta el horizonte del proyecto, según diseño................................35
Tabla Nº10. Volúmenes de las aguas residuales tratadas en la PTAR Chepén
desde el inicio de operaciones.....................................................37
Tabla Nº11. Variación de la DB0 de las aguas residuales crudos que ingresan
a la PTAR Chepén desde el inicio de operaciones.........................38
Tabla Nº12. Variación del consumo de energia eléctrica en la
PTAR Chepén desde el inicio de operaciones................................39
Tabla Nº13. Costo de energía facturada en la PTAR Chepén...........................40
Tabla Nº 14. Caracterización de los Iodos flotantes de la laguna facultativa de
la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Chepen..........49
Tabla Nº 15. Caracterización de/ todo digerido de la laguna facultativa de la
Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Chepen. ……...........50
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Tabla Nº 16. Datos experimentales medidos en el biorreactor...........................51
Tabla Nº17. Biogás producido en función a la carga orgánica
removida en el bíoreactor................................................................52
Tabla Nº18. Remoción de la carga orgánica y bacteria1 en el bíoreactor. .........53
LISTA DE FIGURAS
Figura Nº 1. Etapas de la digestión anaerobia......................................................5
Figura Nº2. Solamente se indican las rutas principales (según Stafford
(1980) Sixt (1979), Mosey (1982) y otros) ......................................10
Figura Nº3. Reacciones producidas por las bacterias metanogénicas................10
Figura Nº 4. Etapas de/ proceso anaeróbíco ................................................13
LISTA DE GRAFICOS
Gráfico Nº1 Reducción de la DBO en función del tiempo en la
digestión de los lodos.....................................................................54
Gráfico Nº2 Reducción de los sólidos volátiles en función del tiempo................55
Gráfico Nº3 Variación de los Sólidos Volátiles Totales
en función del tiempo.................................................................56
Gráfico Nº4 Gráfico comparativo entre el biogás producido y
su contenido de metano............................................................57
Gráfico Nº5 Variación de la presión con la producción del
biogás con el tiempo..................................................................58
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RESUMEN
El presente trabajo explica que mediante la digestión anaerobia de los
Iodos flotantes de la laguna de oxidación de aguas residuales de la ciudad de
Chepen es posible producir biogás, utilizando para ello un birreactor en
donde se acondicionan los factores ambientales que permitan el desarrollo y
actividad de los microorganismos.
La producción de biogás es posible gracias a la elevada
concentración de materia orgánica biodegradable con que cuentan los Iodos
flotantes reflejada en su contenido orgánico que son digeridas por un
conjunto de bacterias como las metanogénicas entre las principales.
Para conseguir establecer las condiciones anaeróbias, se diseñó y
construyó un birreactor de 3 litros de capacidad en el cual se colocó 1.5 Kgr
de lodo flotante para que se inicie el proceso de digestión. Este birreactor
estuvo herméticamente cerrado, equipado con un dispositivo de medición de
presión y un sistema para la recolección y almacenamiento del biogás.
A los 45 días de digestión se logró producir 12.08 litros de biogás que
se encontraba comprimido en el birreactor a una presión de 7.2 bares. Así
mismo, se extrajeron muestras para determinar la concentración de metano.
La concentración promedio fue de 84.01 % de metano en el biogás
producido.
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ABSTRACT
PRODUCTION OF BIOGAS THROUGH ANAEROBIC DIGESTION OF FLOATING MUDS OF RESIDUAL WATER LAGOONS OF OXIDATIÓN OF THE CHEPEN CITY - PERU YEARS 2005
Br. Rossana Corcio Burgos
The actual work explain that through the anaerobic digestion of floating
muds of residual water lagoons of oxidation of the Chepen city is possible to
produce biogas, using for that a bioreactor where are fitted out the ambiental
factors which permit the development and activity of microorganisms.
The productions of biogas is possible thanks to the elevated
concentration of biogradable organics matter the floating muds count with,
reflected in their organic content that: are digested by a group of bacteria as the
methanogenics amony the principals.
To get establish the anaerobias conditions, it was designed and
constructed a bioreactor of 3 liters of capacity in which was set 1.5 Kilograms of
floating mud to begin the process of digestion. This bioreactor was hermetically
closed, equipped with a device of pression measurement and a system for
gathering and storaging of biogas at 45 days of digestion it was achieved to
produce 12.08 liters of biogas that was compressed in the bioreactor to a
pression of 7.2 bars. Just as samples were extracted to determinate the
concentration of methane. The average concentration was 84.01% methane
(CH4) in produced biogas.
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Producción de Biogás
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1
INTRODUCCION
Sin lugar a dudas, los problemas globales de contaminación ambiental
han pasado ha ocupar hoy, uno de los temas de mayor actualidad debido a la
importancia que tiene para la continuidad de la vida en la tierra y la perpetuidad
de la especie humana.
La humanidad se ve ahora forzada a investigar las consecuencias
ambientales de sus acciones de desarrollo a escala local, nacional o global. En
el corto período de tiempo desde la revolución industrial, el aspecto de este
planeta ha sido cambiado en muchos aspectos, y en algunos de ellos de manera
tristemente irreversible. Al cambio se le llamó progreso, pero ahora la
generación que es beneficiaria del progreso anterior, también es heredera de los
errores del pasado. Las ganancias del pasado se podrán retener y se podrá
alcanzar un progreso en el futuro, no basado en las fuerzas limitadas de la
economía o la ingeniería, sino en el desarrollo sostenible. Aunque un poco sobre
utilizado, el concepto de desarrollo sostenible se define como la capacidad de
satisfacer las necesidades del presente, sin comprometer la capacidad de las
generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades. Esto último exige
un uso equilibrado de los recursos. La evolución de la era del desarrollo
sostenible va a requerir cambios radicales para muchas disciplinas profesionales
tal como se conocen ahora, pero muy especialmente para la ingeniería. La
ingeniería hoy día requiere una apreciación ecológica y dar respuesta a un
público bien educado en conservación ambiental (Metcalf 1995).
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La sociedad moderna en su constante y acelerado desarrollo
tecnológico necesita de fuentes de energía y de estas mas del 90% son
provenientes de los llamados combustibles fósiles, que tienen su origen en la
descomposición de materias vegetales y su energía está contenida en enlaces
químicos producidos por la energía solar fijada por las plantas hace millones de
años mediante la fotosíntesis (Zaric, 1981).
Pero el uso de combustibles fósiles para producir energía sobre todo
energía eléctrica, trae como consecuencia el vertimiento de sustancias tóxicas al
aire, a los cuerpos de agua y a los suelos, dañando la naturaleza a corto,
mediano o largo plazo (Zaric, 198l).
Sin embargo, ya desde el siglo pasado se conocía en la India y China el
uso de procesos fermentativos, o procesos de digestión anaerobia para producir
biogás y tratar ecológicamente los residuales orgánicos de forma artesanal
(Turzo et al., 1984).
El biogás representa una fuente de energía, cuyo componente principal
es el metano. Se desarrolla en un proceso natural que tiene lugar en todos los
ámbitos donde se descompone la materia orgánica, también llamada biomasa,
en un entorno húmedo y anóxico (sin presencia de oxígeno) a través de la
actividad bacteriológica (Hernández, 1998).
Generalmente se puede utilizar todo tipo de materia orgánica o
biológica para la generación de biogás, siempre y cuando éstas pudieran ser
reducidas por microorganismos (Hernández, 1998).
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La historia de la digestión y sus precursores se inicia en la década de
los cincuenta del siglo XIX, con el desarrollo del primer tanque diseñado para
separar y retener sólidos. La primera instalación utilizada para tratar sólidos
sedimentados del agua residual llevaba el nombre de “Eliminador automático de
Mouras" y su inventor fue Luis H. Mouras de Vesoul, Francia, hacia 1860, tras
haber observado que si se mantenían lo sólidos en un depósito cerrado se
convertían en líquido (Hernández, 1998).
En Inglaterra, el primero en tener conocimiento de que se producía un
gas combustible, que contiene metano cuando se licuan los sólidos del agua
residual, fue Donald Cameron, quien construyó el primer tanque séptico en la
cuidad de Execter, en 1895, del que recogió y utilizó el gas para el alumbrado de
los alrededores de la planta. En 1904 se instaló en Hampton, el primer tanque de
doble acción al incorporar la sedimentación y tratamiento del fango. Se conocía
con el nombre de tanque hidrolítico de Travis y funciono hasta 1936 (Hernández,
1998).
Un beneficio que implica esta tecnología es la sustitución de la leña por
el biogás, por lo que previene en gran medida la destrucción de los bosques. Se
ha calculado que un metro cúbico de biogás utilizado para cocinar, evita la
deforestación de 0.335 hectáreas de bosques con un promedio de 10 años de
vida de los árboles (Evaluatión of Ecology Benefits, 1989)
El biogás es un gas combustible que se puede obtener a partir de la
biomasa, tal como son los desechos de humanos y de animales, residuos
agrícolas, aceite de palma y plantas acuáticas. Este gas puede ser utilizado, por
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ejemplo, como combustible para motores que mueven una bomba de agua, en
alumbrado y en la cocción de alimentos (Silva, 2002).
1.1 FUNDAMENTOS DE LA TECNOLOGÍA DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
El mecanismo predominante para la conversión de la biomasa en biogás
es la conversión bioquímica o digestión de biomasa orgánica que debe
entenderse como un proceso natural que involucra varios procesos bacterianos
y enzimáticos simultáneamente (Silva, 2002).
El objetivo primordial del proceso de digestión es reducir la materia
putrescible a condiciones más estables. En el proceso de reducción, parte de los
sólidos volátiles desaparecen y el contenido total de materia orgánica resulta de
este modo inferior en el rango digerido. Así mismo, por el procedimiento de
recircular el sobrenadante, se consigue una reducción del volumen de lodo. Por
otra parte, a través del proceso de digestión se logra la eliminación de gran parte
de gérmenes patógenos, al someterlos a condiciones ambientales muy
diferentes a las del agua residual. El proceso de digestión mejora también, en
general, las características del fango desde el punto de vista de su facilidad
(Hernández, 1998).
El método más común de producción de biogás es la digestión
anaeróbica en un tanque cerrado llamado 'biodigestor'. La biomasa se mezcla en
el digestor con agua para formar una suspensión, en la cual la digestión
anaeróbica se realiza en dos pasos (Silva, 2002).
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En el primer paso, llamado licuefacción, la materia orgánica es
descompuesta por hidrólisis enzimática y fermentada para producir
principalmente ácidos y alcoholes. Seguidamente, en la etapa de gasificación,
las bacterias metanogénicas rompen los ácidos y los alcoholes, para producir
metano y dióxido de carbono, nitrógeno y ácido sulfhídrico.
El diagrama de la figura 1 indica las diversas etapas de la digestión
anaerobia. (Silva, 2002).
Figura Nº 1. Etapas de la digestión anaerobia
1 Hidrólisis
2 Acidogénesis
3 Acetogénesis
5 6 Metanogénesis
El biogás obtenido en esta transformación lo constituye una mezcla de
gases combustibles y su composición depende del tipo de material orgánico
utilizado para su producción y de las condiciones de operación de los reactores
donde ocurre la transformación (Silva, 2002).
El biogás contiene aproximadamente un 60-70% de metano y 30-40%
de dióxido de carbono; la pequeña cantidad de ácido sulfhídrico da al gas un olor
de huevos podridos. El valor calorífico del biogás es 20 - 30 MJ de energía
Carbohidratos, lipidos, proteínas
Acidos orgánicos volátiles
Azúcares, aminoacidos Acidos grasos
Acetato H2, CO2
CH4, CO2
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calórica por m3 de gas. La tabla 1 resume la composición química del biogás
(Silva, 2002).
Tabla 1. Composición bioquímica del biogás.
COMPONENTE FORMULA QUIMICA % VOLUMEN
Metano CH4 60-70
Gas Carbónico C02 30-40
Hidrógeno H2 1.0
Nitrógeno N2 0.5
Monóxido de Carbono CO 0.1
Oxígeno O2 0.1
Acido Sulfhídrico H2S 0.1
La digestión anaerobia de los Iodos ha sido universalmente aceptada
como el método más adecuado para obtener un producto final aséptico. La
descomposición de la metería orgánica por las bacterias se realiza en ausencia
de aire. El oxigeno necesario para su desarrollo lo obtiene del propio alimento
(Hernández, 1998).
Al menos cuatro grupos tróficos diferentes de bacterias han sido
aislados en digestores anaeróbios, pudiendo ser diferenciados sobre la base de
los sustratos fermentados y los productos finales formados (Marchain, 1992)
Estos cuatro grupos metabólicos son:
1. Las bacterias Hidrolíticas y fermentativas, las cuales convierten una
variedad de compuestos orgánicos tales como polisacáridos, lípidos y proteínas
en otros productos como el ácido acético, Hidrógeno, Dióxido de Carbono,
compuestos monocarbonados, ácidos grasos orgánicos y otros compuestos
policarbonados.
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2. Las bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno, las cuales
incluyen obligatoriamente a las dos especies facultativas que pueden convertir
los productos del primer grupo, los ácidos orgánicos de más de dos átomos de
carbono, por ejemplo el butírico y el propiónico y los alcoholes polícarbonados
tales como el etanol y el propanol transformándolos en hidrógeno y acetato.
3. Las bacterias homoacetogénicas las cuales pueden convertir un
espectro amplio de compuesto multi o monocarbonados en ácido acético.
4. Las bacterias metanogénicas, las cuales transforman el H2, C02,
compuestos monocarbonados, por ejemplo el metanol, CO y la metilamina en
acetato o pueden formar metano de la descarboxilación del acetato.
La ecuación estequiométrica de Boswei es aplicable a la fermentación
de la materia orgánica (Silva, 2002).
Cn HaOb + (n - a/4 - b/2) H20 = (n/2 - a/8 + b/4) C02 + (n/2 + a/8 - 4) CH4
De modo que la degradación de la materia orgánica para producir
metano depende de la interacción de varios grupos de diferentes bacterias. Una
operación estable del digestor requiere que estos grupos de bacterias se
encuentren en equilibrio dinámico y armónico. Los cambios en las condiciones
ambientales pueden afectar este equilibrio y resultar en un aumento de
microorganismos intermediarios que pueden inhibir todo el proceso. Este tiene
una importancia extrema para comprender hacia que direcciones se mueven los
procesos microbiológicos y bioquímicos y poder dirigir el sistema de digestión
para producir biogás. (Marchain, 1992).
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La digestión es un proceso anaerobio, en el que los materiales de
descomposición pasan por vados procesos: licuefacción, gasificación y
mineralización, obteniéndose un producto final inerte con liberación de gases
(Hernández, 1998)
La licuefacción se produce por enzimas extracelulares que hidrolizan
los carbohidratos complejos a simples azúcares, las proteínas a péptidos y los
aminoácidos o grasas a glicerol y ácidos, siendo el producto final de la
licuefacción ácidos orgánicos volátiles (Hernández, 1998).
Durante la gasificación, estos productos se convierten en gases, cuyos
principales componentes son el metano, y el dióxido de carbono. Finalmente la
materia orgánica soluble es también descompuesta (Hernández, 1998)
En el tratamiento de los Iodos procedentes de la depuración de las
aguas residuales urbanas, los procesos anaerobios presentan ventajas
insospechadas. Así, la obtención del gas combustible y las características
fertilizantes de la suspensión efluente representan ventajas en particular
importancia (Hernández, 1998)
Cuando el proceso se desarrolla en un digestor único, el proceso recibe
el nombre de convencional. En éste la tasa de producción de biogás se centra
en un valor próximo a los 900 litros/Kg de sólidos volátiles reducidos, producción
que se alcanza con el tiempo de retención de los fangos de aproximadamente
25 días, en condiciones mesofílicas, con una temperatura en el sistema entre los
33 - 370C (Hernández, 1998)
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Tabla Nº2: Digestión anaeróbica - representación esquemática
Fermentación Acida
Lodos frescos + Microorganismos ==> C02, H20 + Acidos Orgánicos
”A” Substrato complejo Principalmente Productos de Productos celulares y Carbohidratos formadores de ácidos degradación otros de degradación Grasas (saprofilicos facultativos) intermedia intermedia Proteínas
Fermentación Alcalina
Lodos frescos + Microorganismos ==> CH4 + C02 + Otros productos finales “B” Substrato Principalmente Productos de Productos celulares y complejo formadores de ácidos degradación otros de degradación Carbohidratos (saprofilicos facultativos) intermedia intermedia Grasas Proteínas
Tabla Nº3: Microorganismos en la fermentación anaerobia.
Principales grupos de microorganismos anaerobios
Bacterias productoras de ácido
Bacterias formadas de ácido
(ácidos butírico y propionico)
Bacterias acetogénicas
(ácido acético e Hidrógeno)
Bacterias productoras de metano
Bacterias metano acetoclásticas
(acetofilicas)
Bacterías del metano
(hidrogenofílicas)
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Figura Nº2. Solamente se indican las rutas principales (según Stafford
(1980) Sixt (1979), Mosey (1982) y otros)
Figura Nº3. Reacciones producidas por las bacterias metanogénicas
LIPIDOS PROTEINAS CARBOHIDRATOS
AMINOACIDOS
KETOACIDOS
ACIDO PIRUVICO
ACIDO LACTICO
ACIDO FORMICO
ACIDOS GRASOS DE
CADENA LARGA
ACIDO PROPIONICO
ACIDO ACETICO
ALDEHIDOS
ALCOHOL ACIDO
BUTIRICO
ETANOL ACIDO ACETICO ACIDO FORMICO METANOL
HIDROGENO CO2
METANO
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En la práctica, un digestor o unidad fermentadora es un complejo
ecosistema en el que interactúan numerosos microorganismos que van
efectuando esta compleja actividad transformadora que finalmente conduce a la
producción de biogás (Hernández, 1998)
La producción de biogás también se puede estimar a partir de la
reducción de¡ porcentaje de sólidos volátiles. Los valores habituales varían entre
0,75 y 1,12 m3/Kg de sólidos volátiles destruidos. La producción de biogás
puede fluctuar en un amplio intervalo, en función del contenido en sólidos
volátiles del lodo crudo, y de la actividad biológica desarrollada en el digestor. En
ocasiones, durante la puesta en marcha, se presentan producciones excesivas
de biogás que pueden causar la formación de espumas y escape de estas, por
los bordes de las cubiertas flotantes del digestor. Si, una vez alcanzadas unas
condiciones de funcionamiento estable, se mantuvieran las anteriores tasas de
producción de biogás, se puede tener la certeza que el lodo está bien digerido
(Hernández, 1998).
Estas magnitudes están en estrecha relación con la cinética de los
procesos de fermentación ácida y metánica, la que está limitada por la lenta
velocidad de crecimiento de la bacteria de metano. Por otra parte se sabe que
un buen desarrollo del proceso exige, en el sistema, condiciones de equilibrio de
las poblaciones de microorganismos responsables de la transformación
bioquímicas. Vale decir, es preciso que los responsables de la degradación de
los polímeros orgánicos produzcan tanto ácidos volátiles, como organismos
metanogénicos existan para transformar estos ácidos en biogás (Hernández,
1998).
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Esta última exigencia hace difícil mejorar de manera racional el
rendimiento del proceso convencional, toda vez que en el digestor único deben
cumplirse esas condiciones de equilibrio (Hernández, 1998).
No obstante de lo anterior, el avance en el conocimiento de aspectos
relacionados con la microbiología y la bioquímica de los grupos de organismos
participantes así como los nuevos procesos tecnológicos que facilitan los
procedimientos de manutención y control, permiten prever la posibilidad de que
el proceso pueda llevarse a cabo en dos fases separadas. Esta hipótesis se
basa en las diferencias medioambientales que exigen ambos grupos de
microorganismos involucrados en el proceso como resultado, si tal separación
fuera posible, ambos grupos podrían crecer y desarrollarse en condiciones
óptimas, esperándose una mayor eficacia del proceso global (Hernández, 1998).
El proceso se lleva a cabo en un reactor completamente cerrado. Los
Iodos se introducen en el reactor continua o intermitentemente y son retenidos
en el mismo durante periodos de tiempo variables. El lodo estabilizado, que se
extrae continua o intermitente del proceso, no es putrescible y su contenido en
patógenos es bajo. Hasta hace pocos años, se pensaba que el proceso se
verificaba en dos etapas consecutivas, conocidas como etapa acidogénica y
metanogénica (Hernández, 1998).
Según Bryant, el proceso consta de tres etapas (fermentativa,
acetogénica y metanogénica). Cuya representación se muestra en la figura Nº 2.
Los únicos sustratos sobre los cuales puede actuar las bacterias metonogénicas,
para generar metano son metanol, ácido acético, fórmico y carbónico
(Hernández, 1998).
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1.2 ETAPAS DEL PROCESO ANAEROBIO Figura Nº 4. Etapas de/ proceso anaeróbíco
Etapa fermentativa
Consiste en la degradación de los polímeros orgánicos complejos
constituyentes de la biomasa, originando moléculas más simples. En esta etapa,
la materia orgánica se encuentra en estado sólido. Es atacada por enzimas
extracelulares segregadas por las bacterias, disolviéndola en el líquido
circundante, con el objeto de hacerla asimilable por ellas mismas (Hernández,
1998).
Las bacterias que producen la hidrólisis pueden ser anaerobias estrictas
o facultativas. Son muy numerosas, se desarrollan espontáneamente en el
medio cuando las condiciones son favorables, o bien pertenecen a la flora de la
BIOMASA
BACTERIAS
MOLECULAS SIMPLES
ACIDOS VOLATILES
ACIDO ACETICO BACTERIAS
ACIDOGÉNICAS
BACTERIAS METANOGÉNICAS
BIOGAS
H2 + CO2
HIDROLISIS
ACIDOGENESIS
METANOGENESIS
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sustancia orgánica a dirigir. Realizan un amplio espectro de actividades
enzimáticas sobre los polímeros orgánicos, desdoblándolas en los
correspondientes monómeros o fragmentos más sencillos. Estos experimentan
enseguida, procesos de fermentación ácida que originan productos tales como
acetatos, propionatos, butiratos y en menor proporción anhídrido carbónico e
hidrógeno (Hernández, 1998).
La importancia de la presencia de este grupo de bacterias no solo
radica en el hecho de que producen alimento para los grupos de bacterias que
actúan posteriormente si no que, además, eliminan cualquier traza del oxígeno
disuelto en el sistema (Hernández, 1998).
Este grupo de microorganismos, que se conoce como metanogénicos,
se compone de bacterias facultativas y anaerobias obligadas, colectivamente
denominadas bacterias formadoras de ácidos (Hernández, 1998).
Se ha aislado en digestores anaerobios bacterias Clostridium spp,
Peptocoecus anaerobus, Bifido bacterium spp, Desulfuribrio spp,
Corynebacterium spp, Lacto bacillus, Actinomyces, Staphylocoecus y
Escherichia coli. Otros grupos fisiológicos incluyen los que producen enzimas
proteolíticas, ¡¡políticas, ureolíticas o celulíticas (Hernández, 1998).
Etapa acetogénica
Durante esta etapa actúan las bacterias productoras de hidrógeno los
cuales producen ácido acético junto con C02 y H2, a partir M ácido propiónico,
butírico o de cadena más larga, Según Bryant y Thaner la estequiometría, la
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variación de energía libre y las reacciones que tienen lugar en esta etapa son las
siguientes:
(a) CH3CH2COO + 3H20 = CH3COO + HC03 + H+ + 3H2
Go* = 18.2 Kcal/reacción
(b) CH3CH2CH2COO + 2H20 = 2CH3COO + H+ + 2H2
Go* = 11.5 Kcal/reacción
A esta altura del proceso, la mayoría de las bacterias anaerobias han
extraído todo el alimento de la biomasa y, como resultado de su metabolismo,
han de eliminar sus propios productos de desecho de sus células. Estos
productos ácidos volátiles sencillos, son los que van a utilizar como sustrato las
bacterias metonogénicas en la etapa siguiente (Hernández, 1998).
Etapa metanogénica
En esta etapa un amplío grupo de bacterias anaerobias estrictas;
actúan sobre los productos resultantes de las etapas anteriores y las transforma
en metano. Según Mc Carty, Smith y Mah, alrededor del 70 % del total del
metano producido procede de la descarboxilación del ácido acético, según la
reacción:
CH3-COO + H20 = CH4 + HC03
CO = - 7.4 Kcal/reacción
El metano restante proviene de los sustratos ácidos carbónicos, ácido
fórmico y metanol. El más importante es el gas carbónico, el cual es reducido
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por el hidrógeno, también producido en la etapa anterior. La reacción siguiente
representa el fenómeno:
(c) HC03 + H+ + 4H2 = CH4 + 3H20
Go* = - 32.4 Kcal/reacción
Cabe destacar que esta reacción, contrariamente a lo que sucede con la
degradación acetogénica de los ácidos de tres o cuatro carbonos, señalados en
las reacciones de la etapa anterior, transcurre con una fuerte disminución de los
procesos de oxidación acetogénicos, energéticamente desfavorables, es muy
probable que se produzcan en asociación con el proceso de reducción del
bicarbonato a metano (Hemández, 1998).
De acuerdo con esta idea, la generación de metano estaría debida, en
gran medida, a procesos de asociación sintrófica de las bacterias productoras de
H2, de la etapa metanogénica las que podrían representarse mediante las
siguientes reacciones (Hernández, 1998).
(a + c) 4CH3- CH2-COO- + 3H20 = 4CH3-COO + HCO3 + H+ + 3CH4
Go* = - 24,4 Kcal/reacción
(b + c) 2CH3-CH2-CH2-COO + HC03 + H20 = 4CH3-COO + H+ + CH4
Go* = - 9.4 Kcal/reacción
Como puede observarse, ambas reacciones son energéticamente
favorables. La tabla NO 3 resume, según Mc lnernes y Bryant, los grupos
bacterianos que actúan en la metanogénesís (Hernández, 1998).
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Tabla Nº 4 Principales bacterias formadoras de metano y sustrato sobre
los que actúan.
C02 H2 HCO0H CH3C00H CH30H
Formicum + + +
Methano Rumiantium + + +
Bacterium st. mi + +
Sp strain moh + +
Arbophilicum
Methano Barkeri + + + +
Sarcínas Barkeri st.227 + + + +
Barkeri st. w + + + +
Methano Vannielii + + +
Cocus Sp. Strainps + + +
Methano Hungatei + + +
Pirillum
Puede observarse en la tabla anterior que todas las especies son
capaces de utilizar el H2 para reducir el ácido fórmico y sólo las del género
Methanosarcina reducen el ácido acético (Hernández, 1998).
1.3 FACTORES QUE DETERMINAN LA EFICIENCIA DE LA DIGESTION
ANAEROBIA
La digestión está influenciada por una serie de factores que determinan
su eficacia:
Efectos de la temperatura
Los organismos mesolíticos actúan a temperaturas comprendidas entre
12 oC y 35 oC. Optimizándose el proceso entre los 29 oC y los 33 oC. Los
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termofílicos trabajan entre los 37 y los 65 oC. Con un óptimo en las proximidades
de los 55 oC. Realmente un factor importante, para la determinación del volumen
de los digestores, es la temperatura (Hernández, 1998).
La digestión termofílica permite una permanencia mínima en los
digestores, debido a su excepcional sensibilidad a los cambios de temperatura,
exige un gran control y no es aconsejable (Hernández, 1998).
Los niveles de reacción química y biológica normalmente aumentan con
el incremento de la temperatura. Para los digestores de biogás esto es cierto
dentro de un rango de temperatura tolerable pare diferentes microorganismos
(Schmid et al., 1969).
Las altas temperaturas causan una declinación del metabolismo, debido
a la degradación de las enzimas, y esto es critico para la vida de las células. Los
microorganismos tienen un nivel óptimo crecimiento y metabolismo dentro de un
rango de temperatura bien definido, particularmente en los niveles superiores,
los cuales dependen de la termoestabilidad de la síntesis de proteínas para cada
tipo particular de microorganismo (Schmíd et al., 1969).
Las bacterias metanogénicas son más sensibles a los cambios de
temperatura que otros organismos en el digestor. Esto se debe a que los demás
grupos crecen más rápido, como las acetogénicas, las cuales pueden alcanzar
un catabolismo sustancial, incluso a bajas temperaturas (Schmid et al., 1969).
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Existen tres rangos de temperatura para la digestión de residuales, el
primero es el mesofílico (de 20 a 45 oC), segundo es el termofílico (pox-encima
de 45 oC ). El óptimo puede ser de 35 oC a 55 oC (Gunnerson et al., 1986)
La ventaja de la digestión termofílica es que la producción de biogás es
aproximadamente el doble que la mesofilica, así que los biodigestores
termofílicos pueden ser la mitad en volumen que los mesofílicos, manteniendo
su eficiencia general (Gunnerson et al., 1986)
Se han realizado numerosos trabajos sobre la digestión termofílica en
países templados Sin embargo, se requieren considerables cantidades de
energía para calentar los residuales hasta 55 oC. (Gunnerson et al., 1986)
El tercer rango (psicrofílico) ocurre entre los 10 y 25 oC (Gunnerson et
al., 1986)
Nutrientes.
Además de una fuente de carbono orgánico, los microorganismos
requieren de nitrógeno, fósforo y otros factores de crecimiento que tienen
efectos complejos. Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la
concentración óptima para las metanobacterias, ya que ellas se inhiben
severamente por falta de nutrientes (Werner et al., 1989).
Por otra parte, la descomposición de materiales con alto contenido de
carbono ocurre más lentamente, pero el periodo de producción de biogás es
más prolongado. Los materiales con diferentes relaciones de C:N difieren
grandemente en la producción de biogás. Por ejemplo, la relación C:N en
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residuales porcinos es de 9:3, en vacunos es de 10:20; en gallinas de 5 a 8 para
humanos es de 8 y para residuos vegetales es de 35. La relación óptima se
considera en un rango 30:1 hasta 10: 1, una relación menor de 8:1 inhibe la
actividad bacteriana debido a la formación de un excesivo contenido de amonio
(Werner et al., 1989).
Toxicidad.
Los compuestos tóxicos incluso en bajas concentraciones, afectan la
digestión y disminuyen los niveles de metabolismo. Las bacterias metanogénicas
son generalmente las más sensibles, aunque todos los grupos pueden ser
afectados (Marchain, 1992).
Un nutriente esencial también puede ser tóxico si su concentración es
muy alta. En el caso del nitrógeno, mantener un nivel óptimo para garantizar un
buen funcionamiento sin efectos tóxicos es particularmente importante. Por
ejemplo, en alimentos de alto contenido de proteínas para el ganado, un
desbalance por altos contenidos de nitrógeno y bajas disponibilidades energía,
causa toxicidad por generación de amonio. Usualmente, el nivel de amonio libre
debe ser mantenido en 80 ppm (Anderson et al., 1980)
Sin embargo, una concentración mas alta, alrededor de 150-300 ppm,
puede ser tolerada, se señala reportes iniciales de inhibición a una
concentración de NH4+ de alrededor de 800 ppm (Anderson et al., 1980)
Nivel de Carga.
Este parámetro es calculado como la materia seca total (MS) o materia
orgánica (MO) quo es cargada o vertida diariamente por metro cúbico de
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volumen de digestor. La MO o sólidos volátiles (SV) se refiere a la MS o sólidos
totales (TS), que se volatilizan durante la incineración a temperaturas superiores
a 500 oC. Los SV contienen componentes orgánicos, los que teóricamente
deben ser convertidos a metano. Los residuales de animales pueden tener un
contenido de MS mayor del 10%. Según los requerimientos operacionales para
un reactor anaerobio, el contenido de MS no debe exceder el 10% en la mayoría
de los casos. Por eso, los residuales de granjas se deben diluir antes de ser
tratados (Loher, 1974).
La eficiencia de La producción de biogás se determina generalmente
expresando el volumen de biogás producido por unidad de peso de MS o SV. La
fermentación de biogás requiere tan cierto rango de concentración de MS que es
muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La concentración óptima depende de
la temperatura (Yougfu et al., 1989)
Tiempo de retención.
Existen dos parámetros para identificar el tiempo de retención de las
sustancias en el digestor:
1. El tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB) que determinan
dividiendo la cantidad de MO o SV que entra al digestor entre la cantidad de MO
que sale del sistema cada día. El TRSB es asumido para representar la media
del tiempo de retención de los microorganismos en el digestor.
2. El tiempo de retención hidráulico (TRH) es el volumen del digestor (VD) entre
la media de la carga diaria.
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Estos parámetros son importantes para los digestores avanzados de
alto nivel, los cuales han alcanzado un control independiente del TRSB y del
TRH a través de la retención de la biomasa. (An et al., 1994)
Efectos de la concentración de sólidos
Se recordará que, de la concentración primaria, se consigue reducir con
facilidad en un 30% de DBO y un 60% de sólidos en suspensión del agua
residual.
Análogamente, en el tratamiento biológico se puede llegar a eliminar
hasta 95% de los mismos índices. Esta contaminación que se les quita a las
aguas residuales son arrastradas por los Iodos, ya sea íntegramente (lodo
primario) o parcialmente (lodo activado) (Hernández, 1998)
En consecuencia, el lodo residual, puede llegar a contener entre un 1 y
10% de sólidos, siendo el resto agua. Dicho lodo contiene una gran cantidad de
materia orgánica biodegradable (Hernández, 1998)
Los productos residuales del proceso serán sólidos inorgánicos, líquidos
y gases. Los líquidos deberán ser recirculados al proceso de tratamiento del
agua residual con el objeto de disminuir el volumen de lodo a la salida de la
digestión. Los gases deberán ser extraídos del digestor y procesados para
obtener energía. La materia inorgánica sólida, por su carácter inerte, no deberá
presentar problemas de evacuación (Hernández, 1998).
Influencia del pH
Es necesario insistir en el hecho ya señalado de que los organismos
que intervienen en cada fase son diferentes, y debe establecerse u equilibrio
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entre la producción de ácidos y su regresión, para ambos tipos de organismos
puedan coexistir dentro del digestor y encuentren las posibilidades ambientales
para su desarrollo. Concretamente, los organismos productores de ácidos y, por
consiguiente el proceso de digestión suele interrumpirse por el decaimiento de
los organismos productores de metano debido a algún cambio ambiental que les
hace menos viable. Esta es la razón de que el pH del lodo en digestión sea
indicio de que la digestión se está realizando en condiciones adecuadas ya que
si los organismos productores de metano son inhibidos o destruidos, no se
degradan los ácidos producidos y el pH dentro del digestor disminuirá
progresivamente. Por debajo de pH 6,2 la supervivencia de los microorganismos
productores de metano es imposible y, por consiguiente, cuando un digestor
alcanza este pH, la digestión puede considerarse como interrumpida
(Hernández, 1998).
El rango de pH óptimo es de 6,6 a 7,6 (16). Los ácidos grasos volátiles
(AGV) y el acetato tienden a disminuir el pH del sustrato (10). Si las bacterias
metanogénicas no alcanzan convertir rápidamente los AGV a medida que lo
producen las bacterias acetógénicas, estos se acumulan y disminuyen el pH en
el digestor. Sin embargo, el equilibrio C02, bicarbonato opone resistencia al
cambio de pH.
Existen dos métodos prácticos para corregir los bajos niveles de pH en
el digestor. El primero es parar la alimentación del digestor y dejar que las
bacterias metanogénicas asimilen los AGV; de esta forma aumentará el pH
hasta un nivel aceptable. Deteniendo la alimentación disminuye la actividad de
las bacterias fermentativas y se reduce la producción de los AGV. Una vez que
se haya restablecido el pH se puede continuar la alimentación del digestor pero
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en pocas cantidades, después se puede ir aumentando gradualmente para evitar
nuevos descensos (Sosa et al., 2001).
El segundo método consiste en adicionar sustancias buffer para
aumentar el pH, como el agua con cal. Las cenizas de soda (carbonato de sodio)
constituyen una variante más costosa, pero previenen la precipitación del
carbonato de calcio. Los requerimientos buffer varían según el residual, los
sistemas de operación y tipos de operación (Sosa et al., 2001).
1.4 UTILIZACIÓN DEL BIOGÁS
Entre las propiedades más notorias que tiene el biogás es su
capacidad de quemarse casi sin olores, con llama azul y un calor de combustión
equivalente a 21,5 Mj/m3 (573 BTU por pie cúbico o 5 135 Kcal/m3), valor que
puede variar entre 19,7 y 23 Mj/m3. Su temperatura de auto-ignición es similar a
la del metano puro y varia de 923 oK hasta 1 023 oK (650 – 750 oC). Como
media, el biogás no purificado produce de 20 a 23 Mj/m3 (4 700 -5 500 Kcal/m3)
(Hesse, 1983).
Principales usos del biogás:
Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente
para:
• Generar 1,25 Kw/h de electricidad.
• Generar 6 horas de luz equivalente a un foco de 60 watt.
• Poner a funcionar un refrigerador de 1m3 de capacidad, durante 1
hora.
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• Hacer funcionar una incubadora de 1m3 de capacidad, durante 30
minutos.
• Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas. (20)
En principio, todos los motores pueden ser adaptados a biogás, pero lo
mas comúnmente usados son los motores de gas -Otto y los de gas-Diesel Esto
quiere decir que un metro cúbico de biogás puede compararse con 0,4 Kg de
aceite diesel, 0,6 Kg de petróleo o 0, 8 Kg de carbón (Dohe, 1998).
La presión a la que se encuentra el biogás almacenado define la
distancia a la que se puede transportar a través de tuberías. Se ha calculado
que a la presión de 0,8 KNm2 (8 cm de columna de agua) puede transportarse
1m3 de biogás por hora en una tubería de 1,27 cm (1/2”) a una distancia de 20
m, así como en tubería de 1,91 cm (3/4”) a 150 m de distancia. Para un diámetro
de 2,54 cm (1") podrá transportarse a 500 m. (Hesse, 1983).
1.5 EMPRESA DE SERVICIO DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO DE
LA LIBERTAD SOCIEDAD ANÓNIMA SEDALIB S.A.
La empresa de Servicio de Agua Potable y Alcantarillado de La Libertad
Sociedad Anónima y que en adelante llamaremos SEDALIB S.A, está orientada
a satisfacer con calidad la prestación de los servicios de agua para consumo
humano y alcantarillado sanitario a la comunidad usuaria en la zona costeña del
departamento de La Libertad - Perú, así como lograr el crecimiento auto
sostenido, obtener márgenes de rentabilidad óptimos y operar con
responsabilidad social el mantenimiento del equilibrio ecológico, para ello cuenta
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con recursos humanos calificados y motivados, tecnología avanzada, una
organización moderna y procesos eficientes (SEDALIB, 2002)
Es una persona jurídica de derecho público transferida a las
municipalidades que goza de autonomía técnica, económica y financiera que se
rige por sus estatutos.
Tiene como objeto rector la operación desarrollo, mantenimiento y
control de los servicios públicos de agua potable y alcantarillado en el ámbito de
su jurisdicción con funciones y facultades para plantear, programar, financiar,
normar y elaborar proyectos, ejecutar y supervisar obras con asesoramiento y
asistencia técnica.
SEDALIB S.A., administra los servicios en 16 distritos de las Provincias
de Chepén, Ascope, Trujillo y Virú.
Hasta el año de 1997, la ciudad de Chepén no contó con sistemas de
tratamiento de aguas residuales, por lo que todas las aguas residuales eran
derivadas a la acequia denominada Pacanga para luego enviarlas al mar, pero
en su trayecto estas aguas eran usadas para regar cultivos con el consiguiente
peligro para la salud de los pobladores ya que estos productos son
comercializados en el mercado de Chepén (SEDALIB, 2002)
A partir del año de 1998, SEDALIB S.A. puso en funcionamiento la
planta de tratamiento de aguas residuales conocida como la Planta de
Tratamiento de Aguas Residuales Chepén que en adelante llamaremos PTAR
Chepén, se encuentra ubicada al oeste de la ciudad de Chepén en el sector
denominado Lurifico. Este nuevo sistema deberá tratar aproximadamente el 80
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% del total de los desechos líquidos producidos en la ciudad y el restante 20%
seguirán siendo enviado a la acequia Pacanga (SEDALIB, 2002)
La PTAR Chepén es la única estación de depuración de aguas
residuales con que cuenta la ciudad de Chepén. Entró en funcionamiento el 01
de enero de 1999 y tiene capacidad para tratar hasta el año 2012 un caudal
promedio anual de 5 900 m3/día (68,5 l/s) y una carga orgánica 2 435
Kilogramos de Demanda Bioquímica de Oxígeno por día (2 435 Kgr de
DBO/día).
Se encuentra construida de las siguientes estructuras operativas:
Afluente.- Se encuentra constituido por una tubería de 200 mm de
aproximadamente 400 metros de longitud. Comprende desde la cámara
de reunión de aguas y culmina en la estación de cámara de rejas.
Cámara de rejas.- Opera bajo el principio de limpieza mecánica, está
compuesta de dos compartimientos. El funcionamiento del dispositivo de
limpieza de las rejas, es controlado por la diferencial de nivel de agua
antes y después de las barras y tan pronto como se alcance un desnivel
de agua determinado (10 cm). Adicionalmente el sistema cuenta con
dispositivos electrónicos que permite su funcionamiento en forma
intermitente.
Estación de bombeo.- Se encuentra equipada con 02 bombas
sumergibles con una capacidad de bombeo de 45 l/s y 10 Kw-H cada
una. El sistema de bombeo se encuentra equipado con mecanismos
electrónicos que permiten su operación de acuerdo al caudal de ingreso
en forma totalmente automática.
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Cámara de repartición de aguas residuales crudas.- Esta cámara
permite la división de las aguas residuales crudas que han sido
impulsadas por los equipos de bombeo para su derivación a las lagunas
aereadas.
Lagunas aereadas.- Las lagunas aereadas se encontraban equipadas
inicialmente con 06 equipos de aereación de 7,5 Hp cada uno, con las
siguientes dimensiones:
Largo: 120 M.
Ancho: 35 M.
Profundidad: 2.0 M
Volumen Unitario: 8 400 M3
Area Unitaria: 0,2 Ha
Periodo de retención: 1,43 días.
Laguna Facultativas. La PTAR Chepén cuenta con 01 laguna facultativa
revestida en la parte lateral superficial para evitar la erosión del terreno,
cuenta además con un vertedero de salida protegido con una pantalla
que evita la salida del material flotante. La laguna facultativa tiene la
siguientes dimensiones:
Largo: 90 M.
Ancho: 55 M.
Profundidad: 1,5 M
Volumen Unitario: 7 425 M3
Area Unitaria: 0,18 Ha
Periodo de retención: 4,0 días.
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Efluente.- Se encuentra constituido por un canal abierto, revestido con
concreto los primeros 200 mts. El afluente recoge las aguas residuales
de los 02 vertederos de evacuación de la laguna facultativa. Las aguas
residuales tratadas son conducidas al océano pacífico y parte de ellas
están siendo utilizadas para el riego de plantaciones de tallo alto como
maíz, árboles frutales y caña de azúcar.
Adicionalmente la Planta cuenta con edificios de servicios compuestos
de oficinas, laboratorio de control de procesos, vestíbulos y almacén.
Características de diseño de la PTAR Chepén
La información técnica concebida en el diseño de la PTAR Chepén fue
el siguiente:
Variación de los caudales de ingreso a la PTAR Chepén desde su
inicio hasta el horizonte de su funcionamiento.- Teniendo en cuenta la
cobertura de alcantarillado, el crecimiento demográfico y urbano y la tasa de
instalación de conexiones domiciliarias de desagüe, el proyecto estimó que al
año horizonte la población atendida seña del orden del 80 %. Con respecto a las
conexiones comerciales, se estableció que un 85 % mientras que el total de las
industrias estarían conectadas al sistema de alcantarillado (Rojas, 1998)
Caudales domésticos.- La determinación de los caudales de aguas residuales
se ejecutó a partir del consumo previsto de agua, de su contribución al sistema
de alcantarillado y de la cobertura del servicio de alcantarillado (Rojas, 1998).
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La dotación promedio de agua se estimo en que variaría de 104 I/hab-
día en 1995 a 120 l/hab-día en el año 2012, y la contribución de aguas
residuales al sistema de alcantarillado se estableció en un 78%. De esta
manera, la producción de aguas residuales de origen domésticos al año 1995
fue estimada en 2 760 m3/día y para el año 2012 en 6 350 m3/día (Rojas, 1998).
Tabla Nº 5 Población, cobertura y conexiones de alcantarillado.
Año
Cobertura % Población
Conexiones Total Servida
1995 63 55 328 33 945 6 585
1996 64 55 492 35 425 6 865
1997 65 57 100 36 970 7 155
1998 66 58 758 38 585 7 575
1999 67 60 660 40 400 7 920
2000 68 62 215 42 020 8 230
2001 69 63 895 42 770 8 570
2002 69 65 620 45 590 9 060
2003 70 67 390 47 485 9 430
2004 71 69 210 49 460 9 810
2005 72 71 780 51 520 10 380
2006 74 73 000 53 660 10 805
2007 75 74 970 55 890 11 245
2008 76 76 995 58 215 11 905
2009 77 79 070 60 640 12 390
2010 78 81 210 63 160 12 895
2011 79 83 240 65 660 13 630
2012 80 85 320 68 255 14 160
Caudales comerciales.- La proyección de los caudales comerciales se
dedujeron a partir del consumo promedio de agua por conexión comercial, y que
en el año 1995 era del orden de 44 m3/mes, estableciéndose en 50 m3/mes para
el año 2012. La contribución y cobertura promedio fueron establecidas en el 85%
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respectivamente. La cantidad de aguas residuales producida por las conexiones
comerciales al año 1995 se calculó en 900 m3/día y a partir del año 2012 será de
1680 m3/día.
Caudales industriales.- Los caudales industriales fueron determinados a
partir del consumo promedio de agua facturado por SEDALIB. De esta
manera, la cantidad de aguas residuales comerciales al año 1995 se
estableció en 430 m3/día y para el año 2012 en 660 m3/día (Rojas, 1998).
A partir de los criterios anteriormente indicados, se calculó el
caudal promedio de aguas residuales a ser producidas en las cuencas de
drenaje. Así tenernos:
Tabla Nº6 Población y caudales de diseño.
Parámetro
PTAR Chepén
Población Total
48 380
Población Servida
39 730
Caudal de diseño (m3/d)
5 920
Según el diseño los volúmenes de ingreso a la PTAR Chepén
deberían seguir el siguiente comportamiento:
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Tabla Nº7. Variación de los caudales de ingreso a la PTAR Chepén según diseño.
AÑO
Caudal Promedio
diario (Lps)
M3/día
1999 4 358 3 765,31
2000 4 511 3 897,504
2001 4 666 4 031,4.24
2002 4 820 4 164,4.80
2003 4 975 4 298,400
2004 5 130 4 432,320
2005 5 336 4 610,909
2006 5 543 4 789,411
2007 5 750 4 968,000
2008 5 956 5 146,689
2009 6 163 5 325,178
2010 6 392 5 522,947
2011 6 621 5 720,717
2012 6 850 5 918,400
2012* 8 800 7 603,200
(*) Condiciones extremas.
Variación de la DB0 y carga orgánica de las aguas residuales desde su
inicio hasta el horizonte de su funcionamiento. La evolución de la calidad de
las aguas residuales se realizó a lo largo de cada uno de los colectores
principales que alimentan a la planta de tratamiento de aguas residuales. Con
los resultados se estimó el aporte per-cápita de materia orgánica y se determinó
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la presencia de sustancias químicas que podrían afectar la tratabilidad del agua
residual (Rojas, 1998).
El proyecto definió que la carga orgánica promedio es de 320 mg/L de
DBO y a través de la medición de la calidad de las aguas en las áreas de
drenaje con contribución netamente doméstica, se dedujo que el aporte per
cápita doméstico era de 37 gr/habitante.dia de DBO (Rojas, 1998).
Tabla Nº8.- Variación de la 080 y la carga orgánica a la PTAR Chepén según
diseño.
AÑO
DBO (mgr/l)
Carga Orgánica
(KgrO2/día)
1999 304,40 1 146,161
2000 305,60 1 191,077
2001 306,80 1 2,36,841
2002 308,00 1 282,660
2003 309,20 1 329,065
2004 310,40 1 375,792
2005 311,60 1 436,759
2006 312,80 1 498,128
2007 314,00 1 559,952
2008 315,20 1 622,205
2009 316,40 1 684,886
2010 317,60 1 754,088
2011 318,80 1823,765
2012 320,00 1 893,888
2012* 320.00 2 433,024
(*) Condiciones extremas,
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Variación de la eficiencia del tratamiento de las aguas residuales en la
PTAR Chepén desde el inicio hasta el horizonte según el proyecto. La
variación de la eficiencia del tratamiento de las aguas residuales está
influenciada por el transcurrir de los años y como consecuencia del incremento
gradual de los caudales de ingreso que lleva consigo la disminución de los
tiempos de retención tanto en la laguna aereada como en la facultativa (Rojas,
1998).
La carga orgánica que recibiría la laguna aereada iría desde los 560
Kgrs de 02/día hasta los 1200 Kgr de 02/día, mientras que la carga en la laguna
facultativa iría desde 6,7 Kgr DBO/ha.día hasta 27,6 Kgr de DBO/ha.día (Rojas,
1998).
Así también se estimó que la calidad bacteriológica en coliformes
fecales o termotolerantes de las aguas residuales tratadas, estarían desde
3.1 E+05 NMP/100 ml en el año 1997 hasta 2.8 + E06 NMP/100 mi en el año
2012. (Rojas, 1998).
Tampoco el diseño señala, cual sería la velocidad de acumulación de
metales pesados en los Iodos y si estos serían los causantes para no poder ser
utilizados con fines agrícolas.
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Tabla Nº 9.- Variación de la eficiencia de la PTAR Chepén desde el inicio
hasta el horizonte del proyecto, según diseño.
Características Unidades 1997 2002 2007 2012 2012*
Caudal m3/dia 3 499,5 4 168,2 4 966,0 5 916,6 7 605,2
l/s 40,5 48,2 57,5 68,5 88,0
DBO afluente mg/L 302 308 314 320 320
Período de retención
Aereada Días 3,11 2,61 2,19 1,84 1,43
Facultativa Días 8,75 T34 6,16 5,17 4
Carga facultativa KgrDBO/ha-d 67 92 127 173 276
Colifomes fecales
Aereada NMP11OOmi 2,10E+07 2,40E+07 2,70E+07 3,OIE+07 3,60E+07
Facultativa NMP/10Qm1 3,10E+05 5,40E+05 9,00E+05 L,5OE+06 2,80E+06
DBO afluente
Aereada mg/L 29 34 39 45 55
Facultativa mg/L 45 38 32 27 18
Potencia
Neta Hp 36,7 42,8 50,5 58,4 71,5
Bruta Hp 42,2 49,2 58,1 67,1 82,2
Aereadores en Und. 3 4 4 4 6
Operación
(*) Condiciones extremas,
Nota: En este cuadro podemos observar, que el proyecto estimó el número de
aereadores que deberían permanecer encendidos y como se incrementarían con
el transcurso de los años. En este criterio ha radicado el consumo de energía
eléctrica y los costos de tratamiento,
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Como veremos a continuación respecto las consideraciones tomadas
en el diseño de la PTAR Chepén difieren significativamente a las registradas en
la realidad. A continuación se presenta las mediciones reales de carga orgánica,
bacterial, operación de los equipos de aeración, caudal, consumo de energía
eléctrica y los costos que representan en el sistema de tratamiento de aguas
residuales.
Características de Operativas de la PTAR Chepén
Las características operativas que se han registrado en la PTAR
Chepén desde el inicio de operaciones se describen a continuación y se detalla
como se ha comportado el sistema de tratamiento en función a las condiciones
de diseño así tenemos:
Volúmenes de las aguas residuales tratadas en la PTAR Chepén desde el
Inicio de operaciones. El sistema de tratamiento de aguas residuales Chepén
entra en operación el 01 de enero del 1999, mes en el que se inicia el proceso
de puesta en marcha y llenado de las lagunas aereada y facultativa. Los
volúmenes de las aguas residuales tratadas en la PTAR Chepén se Presentan
en la Tabla Nº 10.
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Tabla Nº10 Volúmenes de las aguas residuales tratadas en la PTAR
Chepén desde el inicio de operaciones
VOLUMENES DE AGUA RESIDUAL TRATADA EN LA PTAR CHEPEN
1999 2000 2001 2002 AÑO CAUDAL
m3/mes LPS CAUDAL
m3/mes LPS CAUDAL
m3/mes LPS CAUDAL
m3/mes LPS
Enero 73 194 28,2 32 503 12,1 101 666 38,0 125 491 46,9
Febrero 48 234 19,9 43 959 17,5 94 623 39,1 112 850 46,6_
Marzo 75 980 28,4 59 510 22,2 108 396 40,5 122 766 45,8
Abril 80 486 31,1 59 619 23,0 40 841 15,8 119 060 45,9
Mayo 71 438 26,7 61 904 23,1 100 163 37,4 129 639 48,4
Junio 82 276 31,7 75 765 29,2 102 339 39,4 116 019 44,8
Julio 79 538 29,7 79 640 29,7 93 729 35,0 129 321 48,3
Agosto 52 283 19,5 75 657 28,2 121 994 45,5 108 645 40,6
Septiembre 58 668 22,7 41 528 16,0 91 589 35,4 102 030 39,1
Octubre(*) 53 343 19,9 28 559 10,7 106 045 39,6 100 916 37,4
Noviembre 65 937 25,5 61 783 30,4 98 268 37,9 107 020 41,3
Diciembre 31 740 11,9 80 318 30,0 128 549 48,0 111 225 41,5
TOTAL 773 122 246,0 700 749 227,0 1 188 206 376,0 1384 163 439,0
Variación de la DBO de las aguas residuales crudas que ingresan a la
PTAR Chepén desde el inicio de operaciones. La DBO registrada en las
aguas residuales crudas en la PTAR Chepén se presentan en la Tabla Nº 11.
Como podemos observar que la DBO estimada en el proyecto está muy por
debajo de lo registrado en los años de 1 999 y 2 000. El DBO registrado en estos
años están inclusive por encima de la DBO típica de las aguas residuales
domésticas. El aporte de aguas residuales industriales sin ningún tipo de pre-
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tratamiento tienen incidencia directa en la calidad de las aguas residuales que
ingresan a la PTAR Chepén.
Tabla Nº11 Variación de la DB0 de las aguas residuales crudos que
ingresan a la PTAR Chepén desde el inicio de operaciones
Variación de la DB0 en el afluente de la PTAR Chepén
1999 2000 2001 2002
Enero * 405 423 265
Febrero * 588 302 346
Mano * 574 323 291
Abril * 337 310 293
Mayo * 308 307 298
Junio * 441 239 264
Julio * 367 379 315
Agosto * 558 303 404
Septiembre * 413 216 359
Octubre 488 480 377 297
Noviembre 497 384 356 353
Diciembre 620 350 257 392
Promedio 535 434 316 323
(*) No se realizaron mediciones Variación M consumo de energía eléctrica en la PTAR Chepén desde el
inicio de operaciones. El proceso de tratamiento de las aguas residuales se
rige en función al sistema de aereación que se encuentra equipado por 4
aereadores de 10 Hp cada uno.
La PTAR Chepén requiere por lo menos 500 000 Kw-H al año para
operar según las condiciones actuales.
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Tabla Nº12 Variación del consumo de energia eléctrica en la PTAR Chepén
desde el inicio de operaciones
CONSUMO DE ENERGIA EN LA PTAR CHEPEN
AÑO 1999
ENERGIA
CONSUMIDA
( K-11 )
2000
ENERGIA
CONSUMIDA
( KW-H )
2001
ENERGIA
CONSUMIDA
( Kw-H )
2002
ENERGIA
CONSUMIDA
( KW-H )
Enero 51 781 27 105 55 098 46 807
Febrero 51 260 25 927 54 545 44 247
Marzo 75 316 45 585 61 948 45 978
Abril 47 752 45 898 31 301 40 501
Mayo 49 461 50 501 53 774 46 565
Junio 50 974 48 698 52 821 45 548
Julio 47 752 51 621 56 327 44 807
Agosto 42 071 44 828 58 981 46 588
Septiembre 40 696 45 083 57 810 31 949
Octubre 43 694 45 672 51 244 37 592
Noviembre 53 039 47 083 43 236 41 134
Diciembre 37 556 54 116 45 847 42 508
TOTAL 591 273 532 121 622 986 514 229
Variación M costo de energía eléctrica en la PTAR Chepén desde el inicio
de operaciones. Uno de los problemas operativos que afronta la PTAR Chepén
y directamente SEDALIB S.A es el elevado costo de la energía eléctrica,
Anualmente la facturación asciende cerca de cien mil de nuevos soles los cuales
deben de ser cancelados puntualmente a la empresa Hidrandina. Estos costos
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en la actualidad no han sido recargados en la factura del servicio de aguas y
alcantarillado a la Población de Chepén.
Tabla Nº13 Costo de energía facturada en la PTAR Chepén
AÑO 1999 ENERGIA
FACTURADA (S/.)
2000 ENERGIA
FACTURADA (S/.)
2001 ENERGIA
FACTURADA (S/.)
2002 ENERGIA
FACTURADA (S/.)
Enero 5 951 6 591 10 170 9 097
Febrero 7 502 6 464 10 179 8 740
Marzo 8 944 8 771 11 727 8 662
Abril 7 283 8 885 7 445 7 754
Mayo 8 017 9 167 10 714 8 654
Junio 8 320 8 917 10 676 9 073
Julio 8 152 9 285 11 336 8 791
Agosto 7 747 8 976 11 958 9 344
Septiembre 8 249 8 927 11 268 7 522
Octubre (*) 8 717 9 106 10 273 8 291
Noviembre 9 347 9 119 8 815 8 707
Diciembre 7 894 10 029 9 196 8 823
TOTAL 96 128 104 242 123 762 103 460
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II. MATERIAL Y METODOS
2.1. MATERIALES
2.1.1 Ubicación del área de estudio.
El distrito de Chepén, se encuentra ubicada en el Departamento de la
Libertad, a 100 m.s.n.m; a 230 Km al norte de la Ciudad de Trujillo.
La Planta de Tratamiento de Aguas Residuales se encuentra ubicada en
el sector denominado Lurifico.
2.1.2 Lodo flotante de las lagunas facultativas.
Formación de lodo flotante.
El lodo flotante de la laguna facultativa se forma debido a la
presencia de sustancias de menor densidad y poca solubilidad que el agua
residual como son los aceites, grasas, plásticos, fibras, corchos, etc y que
permanecen en la superficie del agua, acumulándose en las esquinas
debido a la acción del viento y al oleaje permanente en las lagunas.
Estos Iodos flotantes se incrementan considerablemente cuando
la laguna facultativa recibe cargas orgánicas superiores a la que fue
diseñada, originando que la producción de gas en la parte inferior de la
laguna se incremente con un desequilibrio entre el gas producido y el gas
estabilizado. Este gas producido al no ser controlado, emerge a la
superficie arrastrando consigo el lodo sedimentado de tal forma que
permanece en la superficie de la laguna sumándose con el resto del
material flotante.
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Se tiene medido que aproximadamente en la laguna facultativa
diariamente se acumula un volumen de 1,8 metros cúbicos de lodo flotante
en condiciones normales de operación pero, cuando la laguna se
sobrecarga, la producción de lodo flotante ha llegado a cubrir hasta el 60%
de la superficie de total de la laguna. Esta acumulación de lodo genera la
presencia de vectores como moscas, zancudos, larvas, etc y la presencia
de malos olores.
2.1.3 Materiales para muestreos de lodo flotante
Para realizar el muestreo de los Iodos flotantes en la laguna facultativa
de la se utilizaron los siguientes materiales:
1. Recolector de muestra.
2. Un bidón de pvc con tapa ancha.
3. Un balde plástico graduado de 20 litros.
4. Una pizeta con agua destilada.
5. 10 pares de guante de jebe.
6. 01 balde cerrado con agua potable.
7. 01 varilla de vidrio de 80 cm. de longitud.
8. Trapo industrial.
9. 12 mascarillas descartables.
2.1.4 Equipos para muestreos de lodo flotante.
Para realizar el muestreo de los Iodos flotantes en la laguna facultativa
se utilizaron los siguientes equipos:
1. 01 pHimetro.
2. 01 conductímetro.
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3. 01 termómetro.
4. 01 oxímetro.
2.1.5 Materiales utilizados para construir el birreactor
Los materiales utilizados para la construcción del birreactor para la
digestión anaerobia de los Iodos flotantes fueron los siguientes:
1. 01 Botella de 3 Litros de plástico transparente.
2. 01 Tapa de botella de bronce
3. 01 Unión de 1/8" rosca exterior galvanizada.
4. 02 Bushing de ½ a 1/8” galvanizada.
5. 04 Uniones de W rosca exterior galvanizada.
6. 02 Llaves de paso de 1/2" galvanizada.
7. 01 T de 1/2" de fierro.
8. 01 Empaquetadura de jebe.
9. 01 Manómetro de 0 a 11 bares.
10. 02 Llaves Stilson
11. 02 Llaves Picopato
2.1.6 Accesorios para construir el sistema al vacío:
Los accesorios utilizados para la construcción de¡ sistema al vacío
fueron los siguientes:
1. 02 Uniones universales de 1/2" galvanizadas.
2. 02 Empaquetaduras de jebe.
3. 05 Uniones de ½” rosca exterior de fierro.
4. 01 T de ½” galvanizada.
5. 01 Llave de paso de ½” galvanizada
6. 01 Bomba de vacío
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2.2. METODOS
2.2.1 Diseño y construcción del birreactor piloto.
El birreactor se diseñó de acuerdo a las exigencias operativas
propuestas. El birreactor consistió en un tanque de 3 Litros de capacidad, de
plástico transparente, herméticamente cerrado, con un sistema de medición de
presión, evacuación de lodo y toma de muestras así como un sistema de
recolección de gas acumulado para su caracterización. Todo el birreactor debe
estar cubierto de tal forma que se impida el ingreso de luz solar.
Los materiales utilizados fueron una botella de plástico de 3 litros de
capacidad con una tapa de bronce y un niple de 1/8". Se acondicionó una llave
de bola de 1/2" y una T de similar diámetro en donde se colocó un manómetro
calibrado de 0 a 11 bares. A continuación se adaptó una llave de bola de 1/2 u
con reducción a 1/16.
2.2.2 Procedimiento para el muestreo de lodo flotante
Para iniciar los trabajos de muestreo de los Iodos flotantes de la laguna
facultativa de la Planta de Tratamiento, se dejó que los Iodos flotantes se
acumulen por el período de 60 días de tal forma que en el momento del
muestreo existía abundante lodo en la laguna con diferentes períodos de
almacenamiento y zonas en donde el lodo presentaba diferente espesor y
humedad.
Luego se procedió a la selección y ubicación de los puntos de
muestreo. Se ubicaron 10 puntos de muestreo a diferentes distancias y
profundidades, se recolecto 2 litros de lodo por punto de muestreo, obteniendo
una muestra compuesta total de 80 litros de lodo flotante.
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La muestra final se agitó manualmente durante 10 minutos con el
objetivo de homogenizar su contenido, luego se extrajo 3,5 litros de lodo: 02
litros fueron destinados para los análisis fisicoquímicos y microbiológicos y 1,5
litros para alimentar al birreactor.
2.2.3 Alimentación del birreactor.
Una vez recolectada y homogenizada la muestra, se procede a llenada
botella de 3 litros con 1,5 litros M lodo recolectado. Luego se colocan el sistema
de recolección de biogás para que en este momento sirva de extractor de aire
que contiene la botella. Una vez armado el equipo se tiene preparada la bomba
de vacío la misma que irá conectada a la tubería de recolección. Hechos los
ajustes necesarios se procede a encender la bomba y se extrae todo el aire que
tiene la botella. En este procedimiento debemos tener cuidado que el lodo
contenido en la botella no se pierda ni valla hacer absorbido por la bomba de
vacío.
En el momento del retiro del aire observaremos que la botella empieza a
comprimirse, en este momento debemos cerrar la tubería para mantener el
sistema en condiciones completamente anaerobias.
Si observamos detenidamente el birreactor veremos que la producción
de biogás es inmediata y a los pocos días el manómetro empieza a desplazarse.
2.2.4 Caracterización de lodo crudo flotante.
Para la caracterización del lodo crudo flotante se utiliza el resto de la
muestra que se utilizó para cargar el birreactor y para ello se ejecutaron una
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serie de análisis fisicoquímicos y bacteriológicos que se detallan en la tabla N01.
Entre las principales características podemos mencionar las siguientes: El lodo
crudo flotante tienen una elevada carga orgánica que se refleja en su demanda
bioquímica de oxígeno con 10 560,25 mgr/L , demanda química de oxígeno con
75490,18 mgr/L, sólidos suspendidos volátiles con 153 890 mg/L, aceites y
grasas con 1780 mg/Kg.
Los resultados microbiológicos son los siguientes: Coliformes
Termotolerantes 5,0 x 107 NMP/100ml y coliformes totales 9,0xl08 NMP/100 ml.
2.2.5 Sistema de recolección de biogás.
El sistema de recolección de gas consistió en una tubería de 1/2" unida
en los extremos de llaves universales y en el centro una T de 1/2 con una llave
de bola en su extremo final. Para realizar la recolección se requirió de una
bomba de vació así como una botella de 1 ½ totalmente vacía y limpia
conectada en la parte final de la tubería de recolección en forma similar al
birreactor.
Una vez colocada la botella de 1 ½ y ya sin aire, se procede abrir las
llaves de la tubería de recolección y se procede a recolectar el biogás
acumulado dentro del birreactor,
2.2.6 Quemado de biogás para demostrar la presencia de metano.
Una vez puesto el digestor en condiciones totalmente anaerobias, se
procede a controlar la presión día a día, Al cabo de 10 días la presión alcanza 02
bares, la botella comienza a expandirse y está lista para realizar la prueba de la
existencia de metano mediante el quemado del biogás.
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Con el manejo de las llaves, en la misma línea de recolección de
biogás, se procede a evacuar cierta cantidad que queda atrapada entre llave y
llave. Luego se enciende un fósforo y es colocado cerca de la boquilla de
evacuación, posteriormente se abre la llave muy lentamente e inmediatamente
se puede apreciar como el biogás combustiona observándose una llama azul
persistente.
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III. RESULTADOS
En la tabla Nº5 se presentan los resultados de la caracterización de los
lodos crudos flotantes de la laguna facultativa de la Planta de Tratamiento -de
Aguas Residuales de la Ciudad de Chepén en donde también se indican las
características operativas del sistema en el momento de la toma de muestras.
En la tabla Nº6 se encuentran los resultados de la caracterización del
lodo digerido por un período de 45 días. Así mismo están las mediciones de
presión, temperatura y pH a las que se encontraba el birreactor antes de realizar
los análisis finales.
En la tabla Nº7 se muestran los datos experimentales medidos en el
birreactor en función al tiempo de digestión. Podemos mencionar que el volumen
total acumulado de biogás fue de 12,08 litros a 1 atmósfera de presión con un
contenido aproximado de 10,73 litros de metano acumulado.
En tabla Nº7 se detallan los resultados en porcentajes de la remoción
de la carga orgánica y bacteriológica. Obteniendo una remoción en Sólidos
Totales Volátiles, DBO, DQO, Aceites y grasas y Coliformes termotolerantes de
59,76%, 87,63%, 95,86%, 46,24 y 99,996% respectivamente.
Luego se presentan las gráficas donde se observa las variaciones de
D1305, Sólidos Suspendidos Volátiles y la producción de biogás en función al
tiempo transcurrido de digestión.
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Tabla Nº 14: Caracterización de los Iodos flotantes de la laguna facultativa de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Chepen
Fecha 05 Julio del 2006
Parámetro Unidad Cantidad
Sólidos Totales. mg/L 532 000,00
Sólidos Totales Volátiles mg/L 306 890,00
Sólidos Totales Fijos mg/L 225 110,00
Sólidos Disueltos Totales. mg/L 361 443,00
Sólidos Disueltos Volátiles. mg/L 153 000,00
Sólidos Disueltos Fijos mg/L 208 443,00
Sólidos Suspendidos Totales. mg/L 170 557,00
Sólidos Suspendid0s Volátiles. mg/L 153 890,00
Sólidos Suspendidos Fijos. mg/L 16 667,00
Temperatura OC 23,50
pH. 7,40
Conductividad. mS/cm2 1 508,00
Salinidad % 0,06
Humedad. % 90,83
Demanda Bioquímica de Oxígeno. mg/L 10 560,25
Demanda Química de Oxígeno. mg/L 75 490,18
Aceites y grasas mg/kg 1 780,00
Densidad Kgr/L 1,01
Fósforo (P205) % sms 2,80
Nitrógeno mg/L 5,70
Fierro mg/L 0,45
Sulfatos rng/L 125,26
Calcio mg/L 5,02
Magnesio mg/L 14,22
Coliformes Termotolerantes NMP/100ml 5, 0*107
Coliformes Totales NMP/100ml 9,0*108
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Tabla Nº 15. Caracterización de/ todo digerido de la laguna facultativa de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Chepen.
Condiciones de Operación del digestor
Presión (bares) 7,2
Temperatura ( ºC) 22,1
pH 7,1
Parámetro Unidad Cantidad
Sólidos Totales. mg/L 190 540,00
Sólidos Totales Volátiles mg/L 123 500,00
Sólidos Totales Fijos mg/L 67 040,00
Sólidos Disueltos Totales. mg/L 125 540,00
Sólidos Disueltos Volátiles. mg/L 63 500,00
Sólidos Disueltos Fijos mg/L 62 040,00
Sólidos Suspendidos Totales. mg/L 65 000,00
Sólidos Suspendidos Volátiles. mg/L 60 000,00
Sólidos Suspendidos Fijos. mg/L 5 000,00
Temperatura ºC 20,50
pH. 7,20
Conductividad. mS/cm2 1 508,00
3alínidad % 0,08
Humedad. % 84,50
Demanda Bioquímica de Oxígeno. mg/L 1 306,00
Demanda Química de Oxígeno. mg/L 3 125,00
Aceites y grasas mglkg 957,00
Densidad Kgr/L 1,01
Fósforo (P205) % sms 2,40
Nitrógeno mg/L 1 275,12
Fierro mg/L 0,30
Sulfatos mg/L 38,40
Calcio mg!L 4,01
Magnesio mg/L 13,44
Coliformes Termotolerantes NIAP/100mi 2,0*103
Coliformes Totales NIMP/100mi 4,0*104
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Tabla Nº 16. Datos experimentales medidos en el biorreactor
Tiempo
dias
Presión
bar
Temperatura
ºC
pH
DBO mg/L
Sólidos volátiles totales mg/L
Volumen Biogás a 1 atm en
L
% de
Metano
Volumen de
Metano L
0 0 23,5 74 10 560,25 306 890,00 0,00 0 0,00
1 0 22,4 7,3 0,00
2 0 21,5 7,3 0,00
3 0,1 22,1 7,2 0,17
4 0,2 23,1 7,3 0,34
5 0,4 22,5 7,2 8 320,14 250 432,12 0,67 82,3 0,55
6 0,8 20,1 7,1 1,34
7 1,1 21,5 7,2 1,85
8 1,5 22,1 7,2 2,52
9 1,7 20,1 7,2 2,85
10 2 19,8 7,1 6 415,12 220 987,56 3,36 83,2 2,79
11 2,3 20,2 7,3 3,86
12 2,5 21,2 7,2 4,19
13 2,8 21,3 7,1 4,70
14 3,1 21,2 7,2 5,20
15 3,3 22,1 7,4 4 318,41 205 659,57 5,54 80,2 4,44
16 3,6 20,1 7,2 6,04
17 3,8 20,3 7,1 6,38
18 4,5 19,2 7,3 7,55
19 5,2 19,1 7,2 8,72
20 5,7 20,2 7,3 3 223,12 175 530,24 9,56 82,3 7,87
21 5,8 21,1 7,4 9,73
22 5,9 21,2 7,4 9,90
23 5,9 20,1 7,4 9,90
24 5,9 20,1 7,2 9,90
25 6 21,2 7,3 2 854,56 154 375,56 10,07 84,3 8,49
26 6,1 22,4 7,2 10,23
27 6,1 22,1 7,2 10,23
28 6,1 22,6 7,3 10,23
29 6,2 21,4 7,4 10,40
30 6,2 21,8 7,1 2 298,45 143 275,33 10,40 83,3 8,66
31 6,2 22,3 7,1 10,40
32 6,3 21,5 7,2 10,57
33 6,3 21,4 7,3 10,57
34 6,3 23,2 7,2 10,57
35 6,4 22,1 7,1 1 783,45 133 185,21 10,74 84,5 9,07
36 6,5 21,2 7,2 10,91
37 6,5 21,2 7,1 10,91
38 6,6 21,4 7,2 11,07
39 6,7 21,5 7,1 11,24
40 6,8 21,1 7,3 1 524,78 128 584,35 11,41 87,2 9,95
41 6,8 22,1 7,1 11,41
42 6,9 21,3 7,2 11,58
43 7,1 22,1 7,4 11,91
44 7,1 22,5 7,4 11,91
45 7,2 22,1 7,1 1 306,00 123 500,00 12,08 88,8 10,73
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Tabla Nº17: Biogás producido en función a la carga orgánica removida en el bíoreactor
Días DBO(mg/L)
SVT(mg/L)
Biogás(ml)
DBO(mg/L) Removido
tramos
SVT(mg/L) Removido
tramos
Biogás(ml) prodúcido
tramos
Biogás(ml)/ DBO(mg/L) Removido
tramos
Biogás(ml)/ SVT(mg/L) removido tramos
0 10 560,25 153 890 00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
5 8 320,14 118 234,12 671,11 2 240,11 35 655,88 671,11 0,30 0,02
10 6 415,12 91 162,66 3 355,53 1 905,02 27 071,46 2 684,42 1,41 0,10
15 4 318,41 71 256,23 5 536,62 2 096,71 19 906,43 2 181,09 1,04 0,11
20 3 223,12 65 236,00 9 563,25 1 095,29 6 020,23 4 026,63 3,68 0,67
25 2 854,56 64 589,00 10 066,58 368,56 647,00 503,33 1,37 0,78
30 2 298,45 63 598,47 10 402,14 556,11 990,53 335,55 0,60 0,34
35 1 783,45 62 658,59 10 737,69 515,00 939,88 335,55 0,65 0,36
40 1 524,78 61 256,98 11 408,80 258,67 1 401,61 671,11 2,59 0,48
45 1 306,00 60 000,00 12 079,90 218,78 1 256,98 671,11 3,07 0,53
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Tabla Nº18 Remoción de la carga orgánica y bacteria1 en el bíoreactor.
Parárnetro Unidades Inicial Final % Removido
SVT mg/L 306 890,00 123 500,00 59,76
D130 mg/L 10 560,25 1 306,00 87,63
DQO mg/L 75 490,18 3 125,00 95,86
Aceites y grasas mg/Kg 1 780,00 957,00 46,24
Coliformes NMP/100ml 5,00E+07 2,00E+03 99,96
Termotolerantes
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Gráfico Nº1
Reducción de la DBO en función del tiempo en la digestión de los lodos
0 5 10 15 20 25 30 35 40 451000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
Tiempo: dias
DB
O:
mg/L
DBO
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Gráfico Nº2
Reducción de los sólidos volátiles en función del tiempo
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6x 10
5
Tiempo: dias
ST
V:
mg/L
STV
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Gráfico Nº3
Variación de los Sólidos Volátiles Totales en función del tiempo
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Tiempo: dias
BIO
GA
S:
L
BIOGAS
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Gráfico Nº4
Gráfico comparativo entre el biogás producido y su contenido de metano
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
2
4
6
8
10
12
14
Tiempo: dias
Volu
men p
roducid
o:
L
BIOGAS
METANO
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Gráfico Nº5
Variación de la presión con la producción del biogás con el tiempo
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
2
4
6
8
10
12
14
Tiempo: dias
BIOGAS
PRESION
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IV. DISCUSION
Según los resultados obtenidos, encontramos que los Iodos flotantes de
la laguna facultativa de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de la
ciudad de Chepen tienen elevada carga orgánica puesto de manifiesto en su
DBO que alcanza 10 560,25 mg/L, una DQO de 75, 490,18 mg/L, Sólidos
Volátiles Totales en 306 890 mg/L y una importante concentración de aceites y
grasas en 1 780 mg/Kg de lodo.
Estos resultados nos muestran que si los Iodos son colocados en
condiciones anaeróbias como en nuestro birreactor, se crean las condiciones
ideales para la acción de las bacterias que degradan la materia orgánica y la
convierten en biogás.
Los resultados de los análisis ejecutados a las muestras de biogás
arrojan concentraciones de metano en el orden del 84,5%, siendo el restante
C02 con de trazas de H2 y H2S.
Según como puede apreciarse en tabla Nº 17, la velocidad de remoción
de la DBO decae partir del día 20 en un 66%, la velocidad de remoción de los
sólidos volátiles totales decae a partir del día 25 en un 89,2%. Este decaimiento
se debe a que las condiciones del entorno dentro del birreactor han variado
como la presión, que se mantiene sobre los 6 bares y el desequilibrio entre los
microorganismos que regulan el proceso biológico.
En la tabla Nº 17 muestra que la velocidad de la producción de biogás
decrece apreciablemente a partir del día 25 en un 87,5 como consecuencia de la
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disminución de la velocidad de remoción de la DBO y los SVT que tiene
incidencia directa en la producción de biogás.
En la tabla Nº 17 observamos que la producción de biogás alcanza un
orden de 3,68 ml por cada parte por millón de DB0 removido, esto ocurre hasta
el día 25 pero luego de cae a 0,60 ml en el día 30. Lo mismo podemos decir que
la producción del biogás esta en el orden de 0,78 ml de biogás por parte por
millón de sólidos volátiles totales removidos en el día 25, pero luego decae hasta
0,34 por el día 30. Estos resultados confirman que hay una directa relación entre
la remoción de DBO y sólidos volátiles totales con la producción de biogás.
En los 45 días de digestión se ha logrado una producción de 12 079
litros de biogás (10,73 litros de CH4) utilizando 1,5 Kgrs de lodo flotante como
materia prima. En los 45 días se ha logrado remover 87,63% de DB0, 95,86% de
DQO, 59,76% de sólidos volátiles totales, 46,24% de aceites de grasas y 99,9 %
de coliformes termotolerantes. Con estos resultados podemos observar que la
digestión anaeróbia aparte de producir el biogás en un método muy efectivo para
remover la carga orgánica de los Iodos flotante minimizando el poder
contaminante que contiene que incluso puede ser utilizado como fertilizante.
Una forma indirecta de detectar la generación de biogás es mediante la
variación de la presión interna del bioreactor, como se muestra en la gráfica Nº
5. Al final del período de digestión la presión se incrementó hasta 7,2 bares.
Gracias a esta recolección puede ejecutarse la prueba de quemado del biogás
para comprobar la existencia de metano en su composición.
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V. CONCLUSIONES
Del presente estudio se concluye:
1. Los Iodos flotantes de las lagunas facultativas de la Planta de Tratamiento de
Aguas Residuales de Chepen contienen elevada concentración de materia
orgánica biodegradable (D130 10,560.25 mg/L) que puede ser aprovechada
para la producción de biogás.
2. La digestión anaeróbia de los Iodos permite la transformación de la materia
orgánica en biogás, con una concentración de metano en 84.5%, potencial
energético necesario para su aprovechamiento en el proceso de tratamiento de
las aguas residuales.
3. La producción de biogás debe desarrollarse en un birreactor que se encuentre
en condiciones anóxicas, libre de oxígeno para que las bacterias transformen la
materia orgánica en biogás y pueda ser recolectado y/o almacenado para su
aprovechamiento.
4. El residuo final de la digestión, por sus características fisicoquírnicas y
microbiológicas pueden ser utilizados como fertilizante.
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VI. RECOMENDACIONES
Del presente estudio se recomienda:
1. Profundizar el estudio acerca del aprovechamiento de biogás generado
por la digestión anaerobia de los Iodos a escala industrial de tal manera
que permita la sustitución del consumo de energía eléctrica en la Planta
de Tratamiento de Aguas Residuales de Chepen.
2. Realizar un estudio acerca de la gestión integral de los Iodos generados
en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Chepen desde su
formación, aprovechamiento y/o comercialización que genere los
recursos económicos necesarios que convierta el tratamiento de las
aguas residuales en una gestión sostenible.
3. Realizar los análisis de biogás en un cromatógrafo de gases que permita
determinar con mayor precisión la concentración de metano en el biogás
generado.
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VII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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