Tratamiento de aguas residuales

Problema:

A una empresa “X” a la cual posee un terreno donde vierte las aguas residuales post tratamiento, se le realizó un análisis de descargas en laboratorio que arrojó los siguientes resultados:

ELEVADOS NIVELES DE NITRÓGENO Y DBO

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El nitrógeno total Kjeldahl es un indicador utilizado en química analítica cuantitativa. Refleja la cantidad total de nitrógeno en el agua analizada, suma del nitrógeno orgánico en sus diversas formas (proteínas y ácidos nucleicos en diversos estados de degradación, urea, aminas, etc.) y el ion amonio NH4+. También se utiliza para determinar proteínas en alimentos.

Es un parámetro importante en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) ya que mide el nitrógeno capaz de ser nitrificado a nitritos y nitratos y, posteriormente y en su caso, desnitrificado a nitrógeno gaseoso. No incluye, por tanto, los nitratos ni los nitritos.

El nombre procede del método creado por el químico danés Johan Kjeldahl en 1883 que, en esencia, digiere el agua en condiciones ácidas enérgicas con peroxidisulfato hasta pasar todas las especies a amonio, el cual se mide por valoración del NH3 producido por destilación, o por fotometría.

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La forma no ionizada, es extremadamente tóxica debido a su capacidad de movilizarse a través de las membranas celulares, su concentración se incrementa cuando disminuye el Oxígeno Disponible, aumenta la temperatura y hasta 10 veces por cada grado de aumento en el pH del agua. El amonio está presente en el agua como resultado de diversas actividades industriales, la desaminación microbiana de las proteínas en un proceso denominado amonificación y por ser el principal producto de excreción de los organismos debido a la necesidad de una alimentación con alta concentración proteica  (esta acción es la repercusión de los desechos vertidos en los sanitarios).

ELEVADOS NIVELES DE Coliformes Fecales

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Respecto a la NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-001-SEMARNAT-1996, QUE ESTABLECE LOS LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES DE CONTAMINANTES EN LAS DESCARGAS DE AGUAS RESIDUALES EN AGUAS Y BIENES NACIONALES. Incurriendo así en el incumplimiento de los parámetros máximos permisibles establecidos por la misma.

La empresa en cuestión reporta que cuenta con un sistema de tratamiento de aguas (Biodigestor anaerobio) compuesto de 4 tanques con capacidad para 5000 m3 los cuales son catalogados de flujo “lento” debido a las características propias del tratamiento, por este sistema se vierten todos los flujos de agua residual (V prom. 0.04 Lt/s) operando las 24 hrs del día los 365 días del año, posteriormente el líquido tratado se vierte en una cisterna donde se almacena hasta que se hace la disposición final en el terreno.

Los flujos de aguas de esta empresa pueden ser catalogados según su procedencia como: a) Sanitarios b) Alimentos y c) Grasas y Aceites.

De acuerdo con el siguiente esquema:

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El tiempo de duración del líquido en el sistema se calculó con ayuda del flujo y la capacidad de los tanques de tal forma que:

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Análisis del proceso:

Un proceso biológico se define como anaerobio cuando no está presente ni oxígeno ni nitrato. estos procesos pueden ser llevados a cabo por un amplio grupo de microorganismos actuando de manera simbiótica, principalmente bacterias.

La mayor parte de las bacterias que intervienen son estrictamente anaerobias, por lo que la menor presencia de oxígeno provoca su desaparición (Bacterias metanogénicas).

Los procesos anaerobios se dan en 3 pasos sucesivos y en algunas ocasiones requieren un pretratamiento como puede ser la sedimentación para disminuir la cantidad de sólidos suspendidos  en el efluente.

El primer paso es la Hidrólisis: Es el proceso en el cual las moléculas de gran tamaño (polisacáridos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) se transforman por acción de enzimas formando los correspondientes oligómeros y monómeros (azúcares, alcoholes, ácidos grasos, glicerol, polipéptidos, aminoácidos, etc.). La materia orgánica es descompuesta por la acción de un grupo de bacterias hidrolíticas que hidrolizan las moléculas solubles en agua, tales como grasas, proteínas y carbohidratos y las transforman en polímeros más simples. Los compuestos orgánicos son solubilizados por enzimas excretadas por bacterias hidrolíticas que actúan el exterior celular por lo que se consideran exoenzimas. La hidrólisis es por tanto, la conversión de polímeros en sus respectivos monómeros. Durante la hidrólisis ya hay producción de CO2. Teniendo lugar la hidrólisis tanto de materia particulada como de la disuelta. el valor óptimo en esta etapa de ph se sitúa entre 5.3 y 6.7 según el sustrato y la bacteria.

El segundo paso es la Fermentación: Que es el proceso donde se transforma la materia orgánica compuesta por moléculas de tamaño pequeño, fundamentalmente disueltas, en un conjunto de ácidos volátiles de cadena corta (comúnmente acético, propiónico y butírico), gases ( anhídrido carbónico, hidrógeno y nitrógeno). en esta fase se emplean bacterias hidrolíticas-acidogénicas y acetogénicas. el crecimiento de bacterias en esta etapa es relativamente rápido, en esta etapa no hay una reducción significativa de la DBO, El valor óptimo del pH para que se desarrolle la etapa de acidogénesis se encuentra alrededor de 5,5 - 6,7. Según algunos autores el pH en esta fase puede estar en el orden de 6-7,5. Dependiendo siempre del tiempo de retención y del tipo de sustrato. En esta etapa se empiezan a formar los gases como,  H2S, CO2 y amoniaco NH3.

El tercer paso es la Metanogénesis: Proceso que consiste en la conversión, por acción de bacterias anaerobias estrictas, que reciben el nombre de metanogénicas, de los ácidos orgánicos volátiles y el hidrógeno en metano y otros productos simples (anhídrido carbónico, agua y amonio). Durante este proceso, aceptores de electrones (como el oxígeno, hierro, sulfato, nitrato y manganeso) se reducen, mientras que se acumulan hidrógeno (H2) y dióxido de carbono. También se acumulan compuestos orgánicos ligeros debido a la fermentación. Durante las fases avanzadas de la descomposición orgánica, todos los aceptores de electrones quedan reducidos excepto el dióxido de carbono.

Las tasas de crecimiento de las bacterias metanogénicas son cinco veces menores que las de la fase de acetogénesis, por ello, son las que limitarán el proceso de degradación anaerobia. Son también las que condicionarán el tiempo de retención de la biomasa en el digestor así como la temperatura del proceso.

Las bacterias metanogénicas  sólo pueden multiplicarse cuando la fermentación de los sustratos primarios por acción de las bacterias anaerobias facultativas (Escherichia, Enterobacter, Klebsiella o Bacillus ) es avanzada y se haya consumido todo el oxígeno disuelto, de manera que el potencial redox haya alcanzado en un valor entre que -350  y -550 mV. El valor óptimo del pH para que ocurra  esta reacción está en el rango de 6,8 - 7,5 llegando en algunos casos hasta valores del pH de hasta 8,00.

Los coeficientes de producción de gas de estas etapas son del orden de:

Bacterias Acidogénicas: Yacid= 0.15 por 0.25 gr de DBO soluble eliminada.

Bacterias metanogénicas: Ymet= 0.04 por 0.05 gr de DBO de Sa eliminada.

Debido a que la máxima velocidad de crecimiento de los microorganismos anaerobios es limitada es necesario utilizar tiempos de retención hidráulico y celular muy grandes. Normalmente este es el principal inconveniente, ya que tradicionalmente y en nuestro caso particular se han diseñado los digestores sin recirculación por lo que el tiempo de retención celular θc coincide con el de retención hidráulica θ ( θc=θ).

como alternativa para conseguir aumentar el tiempo de retención celular sin incrementar el tamaño de los reactores se sugiere:

a) Recirculación: Separando la biomasa del efluente, por cualquier procedimiento (decantación, flotación etc..) y reincorporarse al proceso.

b) Filtrado: reteniendo la biomasa dentro del proceso empleando filtros o cualquier otro tipo de soporte sólido.

En este caso particular se emplea un método de digestión anaerobia de etapa múltiple realizando las etapas del proceso en reactores diferenciados aplicando al digestor de acidificación un tiempo de residencia hidráulico inferior al tiempo de generación de las bacterias metanogénicas que es superior al de las bacterias acidogénicas.

Los tiempos de retención de los primeros digestores anaerobios oscilaban entre 30 y 60 días, produciéndose una estratificación, en la actualidad los digestores están diseñados para producir una mezcla completa por medio de sistemas de agitación lo cual permite reducir los tiempos de retención a 15 - 20 días si se desea un rango de digestión normal o 20 - 25 días si se desea una estabilización total.

La digestión anaerobia se emplea típicamente en plantas de tratamiento con capacidades menores a 200 l/s  (Water Environment Federation, 2010) o en caso de ser mayor a esta se emplean reactores de mayor tamaño. Este tipo de estabilización, aunque tiene un mayor costo de construcción que la digestión aerobia, presenta la ventaja de que el costo de operación es más bajo, ya que no requiere suministro constante de aire para estabilizar los lodos.

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