FACULTAD DE INGENIERÍA Escuela Académico Profesional de Ingeniería Ambiental Tesis Diseño experimental del tratamiento secundario con tecnología MBBR para aguas residuales provenientes del camal Municipal de Cotahuasi - La Unión - Arequipa 2022 Thania Patricia Mayta Ccapa Rosa Gisela Quispe Yucra Alexander Fermin Tito Luque Para optar el Título Profesional de Ingeniero Ambiental Arequipa, 2023 Esta obra está bajo una Licencia "Creative Commons Atribución 4.0 Internacional" . 2 iii iv v vi vii viii ix x xi xii xiii xiv xv xvi xvii xviii xix ASESOR PHD. José Vladimir Cornejo Tueros xx AGRADECIMIENTOS A Dios, por bendecirnos y permitirnos llegar hasta esta etapa, por cruzar nuestros caminos, conocernos y así poder elaborar esta investigación juntos. A la Universidad Continental, por admitirnos en su casa de estudios e impulsar nuestro desarrollo profesional. A nuestros docentes, por apoyarnos durante nuestra formación académica con sus conocimientos, orientación y paciencia. A nuestros padres, por darnos la vida y apoyarnos constantemente en este arduo camino de nuestra profesión. Al Mg. Lalo Monzón, por su colaboración, aportes, recomendaciones y orientaciones en el proceso de esta investigación. Al PHD. José Vladimir Cornejo Tueros, por su orientación en la elaboración de nuestro proyecto. Los autores. xxi DEDICATORIA A mis padres, Lucia y Humberto, por ser mi mayor motivación para no rendirme y seguir adelante, por su amor incondicional, por sus consejos y guía constantes, por ser mi ejemplo de lucha y, sobre todo, por brindarme su apoyo para desarrollar este proyecto. A mis hermanos, Jesús, Sebastián y Mathias, por ser mis compañeros en los mejores y peores momentos, por su preocupación, amor y apoyo emocional para seguir adelante. Thania Mayta Ccapa Dedico el presente trabajo a Dios, por cuidar de mi familia y permitirme cumplir una de mis metas. A mis padres, Juvenal y Dora, por apoyarme siempre, ser una guía para mí y ayudarme a edificar a la persona que ahora soy. A mis hermanas Yorma, Diana y Fabiana, porque son mi motivación para seguir creciendo profesionalmente; y a mi hermano Gustavo, quien siempre está presente para mí. A mis abuelitos maternos Paola y Mariano, por estar siempre pendiente de mí; y a mis abuelitos paternos que, aunque no tuve la oportunidad de conocerlos, siempre los tengo presentes. Rosa G. Quispe Yucra A mis padres Adita y Arturo, quienes me motivaron y apoyaron incondicionalmente para concluir este proyecto que no fue fácil. Alexander Tito Luque xxii ÍNDICE GENERAL AGRADECIMIENTOS.......................................................................................................................... xx DEDICATORIA .................................................................................................................................... xxi ÍNDICE GENERAL ............................................................................................................................. xxii ÍNDICE DE TABLAS......................................................................................................................... xxvi ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................................... xxvii ÍNDICE DE ECUACIONES ............................................................................................................. xxviii RESUMEN .......................................................................................................................................... xxix ABSTRACT ......................................................................................................................................... xxx INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. xxxi CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO ........................................................................... 33 1.1. Planteamiento y formulación del problema .............................................. 33 1.1.1. Planteamiento del problema ................................................................... 33 1.1.2. Formulación del problema ..................................................................... 34 1.2. Objetivos ............................................................................................. 35 1.2.1. General ................................................................................................ 35 1.2.2. Específicos .......................................................................................... 35 1.3. Justificación e importancia ..................................................................... 35 1.3.1. Ambiental ............................................................................................ 35 1.3.2. Social .................................................................................................. 35 1.3.3. Tecnológico ......................................................................................... 36 1.3.4. Económica ........................................................................................... 36 1.4. Delimitación del proyecto ...................................................................... 36 1.5. Hipótesis y descripción variables ............................................................ 38 1.5.1. Hipótesis ............................................................................................. 38 1.5.2. Descripción de variables ........................................................................ 39 CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO ...................................................................................................... 41 2.1. Antecedentes del problema .................................................................... 41 2.1.1. Antecedentes internacionales .................................................................. 41 2.1.2. Antecedentes nacionales ........................................................................ 42 2.1.3. Antecedentes locales ............................................................................. 43 2.2. Bases teóricas ....................................................................................... 44 2.2.1. Aguas residuales ................................................................................... 44 2.2.1.1. Definición ........................................................................................ 44 2.2.1.2. Clasificación de aguas residuales......................................................... 45 2.2.1.3. Caracterización de las aguas residuales ................................................ 45 xxiii 2.2.1.3.1. Características físicas ............................................................................ 47 a. Sólidos totales ...................................................................................... 47 b. Olores ................................................................................................. 47 c. Temperatura ......................................................................................... 48 d. Densidad ............................................................................................. 48 e. Color ................................................................................................... 48 f. Turbidez .............................................................................................. 49 2.2.1.3.2. Características químicas ........................................................................ 49 2.2.1.3.3. Característica biológicas ........................................................................ 53 2.2.2. Tratamiento de aguas residuales ............................................................. 55 2.2.2.1. Pretratamiento de aguas residuales ...................................................... 56 2.2.2.2. Tratamiento primario ......................................................................... 57 2.2.2.3. Tratamiento secundario ...................................................................... 60 2.2.2.4. Tratamiento terciario o avanzado......................................................... 62 2.2.3. Reactor de biopelícula de Lecho Móvil – MBBR ...................................... 63 2.2.3.1. Definición ........................................................................................ 63 2.2.3.2. Descripción del proceso ..................................................................... 64 2.2.3.3. Parámetros de diseño ......................................................................... 64 2.2.3.3.1. Carga hidráulica ................................................................................ 64 2.2.3.3.2. Tiempo de retención hidráulica (TRH) ................................................. 65 2.2.3.3.3. Carga volumétrica ............................................................................. 65 2.2.3.3.4. Área específica del carrier .................................................................. 65 2.2.3.3.7. Cálculo del caudal ............................................................................. 66 2.2.3.3.8. Oxígeno Requerido Real (ORR) .......................................................... 66 2.2.3.3.9. Tasa de Transferencia de Oxígeno a Condiciones Estándar (TTOE) ........ 67 2.2.3.3.10. Agitación y aireación ..................................................................... 67 2.2.3.4. Medios de soporte ............................................................................. 68 2.2.3.5. Biopelícula ....................................................................................... 69 2.2.3.5.1. Desarrollo de biopelícula .................................................................... 70 2.2.3.5.2. Factores que afectan la formación de la biopelícula ............................... 70 2.2.3.6. Ventajas del MBBR en aguas residuales............................................... 70 2.3. Definición de términos básicos ............................................................... 71 CAPÍTULO III: METODOLOGÍA ........................................................................................................ 73 3.1. Método, tipo o alcance de la investigación ............................................... 73 3.1.1. Método de la investigación .................................................................... 73 3.1.2. Alcance de la investigación .................................................................... 73 3.1.2.1. Nivel de la investigación .................................................................... 73 xxiv 3.1.2.2. Tipo de la investigación ..................................................................... 73 3.2. Diseño de la investigación ..................................................................... 74 3.3. Población y muestra .............................................................................. 74 3.3.1. Población ............................................................................................. 74 3.3.2. Muestra ............................................................................................... 74 3.3.3. Muestreo ............................................................................................. 74 3.4. Técnicas e instrumentos de recolección de datos ....................................... 75 3.4.1. Técnicas .............................................................................................. 75 3.4.2. Instrumentos ........................................................................................ 75 3.5. Metodología de experimentación ............................................................ 75 3.5.1. Ubicación geográfica de la toma de muestra ............................................. 75 3.5.2. Toma de muestra .................................................................................. 77 3.5.3. Caracterización de aguas residuales ......................................................... 78 3.5.3.1. Selección de los parámetros a evaluar: ................................................. 78 3.5.4. Parámetros de diseño ............................................................................. 79 3.5.5. Diseño del prototipo .............................................................................. 81 3.5.5.1. Dimensiones ..................................................................................... 81 3.5.5.2. Materiales y equipos utilizados ........................................................... 82 3.5.5.3. Flujo del agua ................................................................................... 83 3.5.5.4. Aireación ......................................................................................... 83 3.5.5.5. Distribución de aire con difusores ....................................................... 84 3.5.5.6. Aislamiento térmico .......................................................................... 85 3.5.5.7. Medio de soporte o Carrier ................................................................. 85 3.5.6. Prueba del prototipo .............................................................................. 86 3.5.7. Tratamiento primario del agua residual .................................................... 86 3.5.8. Arranque del reactor .............................................................................. 87 3.5.9. Estimación de remoción de contaminantes ............................................... 88 3.5.10. Comparación con legislación ambiental ................................................... 88 CAPÍTULO IV: RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................ 89 4.1. Resultados del tratamiento y análisis de la información ............................. 89 4.1.1. Resultados ........................................................................................... 89 4.1.1.1. Caracterización del agua residual proveniente del camal de Cotahuasi ......... 89 4.1.1.2. Ejecución del experimento a escala laboratorio con la tecnología MBBR ..... 90 4.1.1.3. Evaluación de la remoción de contaminantes al final del proceso secundario 99 4.1.1.4. Comparación del agua tratada con la tecnología MBBR con la normatividad vigente 103 4.1.2. Discusión ........................................................................................... 108 CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 111 xxv RECOMENDACIONES ...................................................................................................................... 112 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................. 113 ANEXOS .............................................................................................................................................. 119 xxvi ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Operacionalización de variables ..................................................................... 40 Tabla 2. Características y procedencias de las aguas residuales ...................................... 45 Tabla 3. Clasificación de los microorganismos .............................................................. 54 Tabla 4. Tipos de tratamiento y Tratamiento de aguas residuales .................................... 55 Tabla 5. Industrias que generan aguas residuales ácidas o alcalinas................................ 58 Tabla 6. Principales procesos del tratamiento biológico ................................................. 60 Tabla 7. Características del medio de soporte ............................................................... 68 Tabla 8. Métodos de Análisis de Laboratorio................................................................. 79 Tabla 9. Método de Parámetros In situ ......................................................................... 79 Tabla 10. Materiales y equipos .................................................................................... 82 Tabla 11. Características del medio de soporte o carrier ................................................ 86 Tabla 12. Caracterización del agua residual del camal de Cotahuasi ............................... 89 Tabla 13. Caracterización del nitrógeno total y fósforo total ........................................... 90 Tabla 14. Dimensiones físicas del reactor ..................................................................... 90 Tabla 15. Remoción de contaminantes del agua residual del camal municipal de Cotahuasi .............................................................................................................................. 100 Tabla 16. Comparación del agua residual del camal municipal de Cotahuasi con VMA ... 104 Tabla 17. Comparación del agua residual del camal municipal con los LMP .................. 106 xxvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Mapa de ubicación del Camal de Cotahuasi ..................................................... 37 Figura 2. Camal Municipal de Cotahuasi....................................................................... 38 Figura 3. Etapas de desarrollo de Biofilm (27) ............................................................... 70 Figura 4. Punto de muestreo del agua residual ............................................................... 75 Figura 5. Mapa de ubicación de toma de muestra ........................................................... 76 Figura 6. Toma de muestra del agua residual ................................................................. 78 Figura 7. Medidor de Oxígeno Disuelto - Multiparametro ............................................... 81 Figura 8. Dimensiones del Reactor ............................................................................... 81 Figura 9. Tubo Sifón .................................................................................................. 83 Figura 10. Instalación de compresora de aire ................................................................. 83 Figura 11. Distribuidor de aire y llaves de paso .............................................................. 84 Figura 12. Distribución de mangueras difusoras ............................................................. 84 Figura 13. Tecnopor de 3 cm y Cartulina negra (47) y (48) ............................................. 85 Figura 14. Modelo de Medio de Soporte o Carrier .......................................................... 85 Figura 15. Prueba en vacío de aireación ........................................................................ 86 Figura 16. Tratamiento primario de rejillas convencionales ............................................. 87 Figura 17. Trampa de grasas y sedimentador convencional ............................................. 87 Figura 18. Materia sólida del tratamiento ...................................................................... 92 Figura 19. Formación de grasas ................................................................................... 93 Figura 20. Carriers al 50% y 30% con agua residual ....................................................... 93 Figura 21. Variación de la Temperatura en función del tiempo "Cámara 1" ....................... 94 Figura 22. Variación de la Temperatura en función del tiempo "Cámara 2" ....................... 94 Figura 23. Aislamiento Térmico del reactor ................................................................... 95 Figura 24. Variación del pH en función del tiempo "Cámara 1" ....................................... 95 Figura 25. Variación del pH en función del tiempo "Cámara 2" ....................................... 96 Figura 26. Variación de OD en función del tiempo "Cámara 1" ....................................... 96 Figura 27. Variación de OD en función del tiempo "Cámara 2" ....................................... 97 Figura 28. Comparación de la Turbidez "Cámara 1 y 2" .................................................. 97 Figura 29. Formación de flocs y presencia de protozoarios "Cámara 1" ............................ 98 Figura 30. Formación de flocs y presencia de protozoarios "Cámara 2" ............................ 98 Figura 31. Carriers con Fiofilm .................................................................................... 99 Figura 32. Porcentaje de remoción DBO5 .................................................................... 101 Figura 33. Porcentaje de Remoción de DQO ............................................................... 101 Figura 34. Porcentaje de remoción de aceites y grasa .................................................... 102 Figura 35. Porcentaje de remoción de sólidos suspendidos totales .................................. 102 Figura 36. Porcentaje de remoción de coliformes termotolerantes .................................. 103 Figura 37. Comparación de resultados con Valores Máximos Admisibles (VMA) ............ 104 Figura 38. Comparación de pH con Valores Máximos Admisibles (VMA) ...................... 105 Figura 39. Comparación de Temperatura con Valores Máximos Admisibles (VMA) ........ 105 Figura 40. Comparación de resultados con los LMP para Efluentes de PTAR .................. 106 Figura 41. Comparación de coliformes termotolerantes con los LMP para efluentes de PTAR .............................................................................................................................. 107 Figura 42. Comparación de pH con los LMP para efluentes de PTAR ............................ 107 Figura 43. Comparación de temperatura con los LMP para efluentes de PTAR ................ 108 Figura 44. Área de matanza de animales ..................................................................... 122 Figura 45. Camal y Pozo de descarga de Aguas Residuales ........................................... 122 Figura 46. Tuberías de transporte de Aguas Residuales ................................................. 123 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679309 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679310 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679312 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679313 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679314 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679315 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679316 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679317 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679318 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679319 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679320 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679321 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679322 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679323 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679324 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679325 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679326 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679327 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679328 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679329 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679330 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679331 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679332 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679333 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679334 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679335 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679336 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679337 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679338 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679339 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679340 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679341 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679342 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679343 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679344 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679345 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679346 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679347 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679348 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679349 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679349 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679350 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679351 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679352 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679353 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679354 xxviii Figura 47. Zona de descarga y Toma de muestras de Agua Residual del Camal Municipal de Cotahuasi ................................................................................................................ 123 Figura 48. Toma de muestra de Agua Residual del Camal Municipal ............................. 124 Figura 49. Adición de preservantes a nuestra de Agua Residual del Camal ...................... 124 Figura 50. Toma de Temperatura y pH de la muestra de Agua Residual del Camal .......... 125 Figura 51. Adaptación del Pre Tratamiento del Agua Residual "Cámara de Rejas" ........... 125 Figura 52. Trampa de Grasas Convencional ................................................................ 126 Figura 53. Prueba en vacío del Reactor de Cámara 1 y 2 ............................................... 126 Figura 54. Prueba con Carriers en Cámara 1 ................................................................ 127 Figura 55. Prueba con Carriers en Cámara 2 ................................................................ 127 Figura 56. Carriers al 30% y 50% - Cámara 2 y 1 ......................................................... 128 Figura 57. Agregado de Agua Residual a Cámara 2 ...................................................... 128 Figura 58. Agregado de Agua Residual a Cámara 1 ...................................................... 129 Figura 59. Inicio de Operación de Cámara 1 y 2........................................................... 129 Figura 60. Toma de Temperatura y pH ....................................................................... 130 Figura 61. Toma de Temperatura y pH de la cámara 1 con Multiparámetro ..................... 130 Figura 62. Toma de Temperatura y pH de la cámara 2 con Multiparámetro ..................... 131 Figura 63. Análisis de Turbidez Inicial (Sin Tratamiento) ............................................. 131 Figura 64. Análisis de Turbidez Intermedia ................................................................. 132 Figura 65. Análisis de Turbidez Final ......................................................................... 132 Figura 66. Formación de Biofilm (Cámara 1 y 2) ......................................................... 133 Figura 67. Toma de Muestra Final (Cámara 1 y 2) ....................................................... 133 Figura 68. Muestra de Color del Agua Residual ........................................................... 134 Figura 69. Microscopio Binocular ............................................................................. 134 ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1. Carga Hidráulica ...................................................................................... 64 Ecuación 2. Tiempo de Retención Hidráulica ................................................................ 65 Ecuación 3. Carga Volumétrica ................................................................................... 65 Ecuación 4. Área Específica del Carrier ........................................................................ 65 Ecuación 5. Área de carriers ........................................................................................ 66 Ecuación 6. Volumen de carriers .................................................................................. 66 Ecuación 7. Volumen de Agua ..................................................................................... 66 Ecuación 8. Caudal .................................................................................................... 66 Ecuación 9. Oxígeno Requerido Real ........................................................................... 66 Ecuación 10. Tasa de transferencia de oxígeno a condiciones estándar ............................. 67 Ecuación 11. Remoción de contaminantes ..................................................................... 88 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679355 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679355 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679356 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679357 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679358 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679359 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679360 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679361 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679362 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679363 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679364 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679365 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679366 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679367 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679368 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679369 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679370 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679371 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679372 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679373 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679374 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679375 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679376 file://///Users/erikaaquino/Downloads/Tesis%20Mayta,%20Quispe%20y%20Tito.docx%23_Toc147679377 xxix RESUMEN El presente proyecto tiene como finalidad elaborar un diseño experimental con tecnología MBBR y proponer una alternativa de solución para reducir la contaminación de las aguas residuales del camal de Cotahuasi. Para ello, primero, se caracterizó el agua residual (DBO5, DQO, Aceites y grasas, Sólidos Suspendidos Totales y coliformes termotolerantes). Posteriormente, se diseñó, construyó y puso en marcha el reactor que consta de una estructura con dos compartimentos de 20 Litros cada una (Cámara 1 - Cámara 2). La Cámara 1 tuvo un tratamiento de 54 días con 50% de carriers y la Cámara 2, un tratamiento de 33 días con 30% de carriers. Esta última obtuvo mejores resultados respecto a la primera cámara. Ambos resultados cumplieron con los niveles permitidos patentados en la legislación de los Valores Máximos Admisibles (VMA). Adicionalmente, se realizó una comparación con los Límites Máximos Permisibles para efluentes de PTAR. En este cotejo, se cumplieron con 5 de los 7 parámetros (Aceites y grasas, coliformes termotolerantes, Sólidos Suspendidos Totales, pH y Temperatura). Los resultados obtenidos en porcentaje de remoción fueron los siguientes: Cámara 1: DBO5 97.26%, DQO 83.24%, Aceites y Grasas 92.03%, SST 89.54%, Coliformes Termotolerantes 99.99%. En la Cámara 2 se obtuvieron los siguientes resultados: DBO5 97.70%, DQO 85.97%, Aceites y Grasas 98.34%, SST 93.48%, Coliformes Termotolerantes 99.99%. El pH y la Temperatura para ambas cámaras se mantuvieron constantes y adecuadas para el desarrollo de microorganismos. En conclusión, la tecnología MBBR resultó ser eficiente para el tratamiento de las aguas residuales del camal Municipal de Cotahuasi. Palabras claves: MBBR, Biofilm, Carrier, Aguas residuales, Camal, VMA. xxx ABSTRACT This project has as purpose to develop an experimental design with MBBR technology and propose an alternative solution to reduce the contamination of wastewater from the Cotahuasi camal. The residual water was first characterized (BOD5, COD, Oils and fats, Total Suspended Solids and thermotolerant coliforms). Later, the reactor was designed, built, and started up, consisting of a structure with 2 compartments of 20 liters each (Chamber 1 - Chamber 2), Chamber 1 had a 54-day treatment with 50% carriers and Chamber 2 with a 33-day treatment with 30% carriers, obtaining better results compared to the first chamber. Complying both with the legislation of the Maximum Admissible Values (VMA). Additionally, a comparison was made with the Maximum Permissible Limits for WWTP effluents in which they comply with 5 of 7 parameters (Oils and fats, thermotolerant coliforms, Total Suspended Solids, pH and Temperature). The results obtained in percentage removal were the following: Chamber 1 - BOD5 97.26%, COD 83.24%, Oils and Fats 92.03%, TSS 89.54%, Thermotolerant Coliforms 99.99%. Chamber 2 - BOD5 97.70%, COD 85.97%, Oils and Fats 98.34%, TSS 93.48%, Thermotolerant Coliforms 99.99%. The pH and temperature for both chambers remained constant and adequate for the development of microorganisms. In conclusion, the MBBR technology turned out to be efficient for the treatment of wastewater from the Cotahuasi Municipal slaughterhouse. Keywords: MBBR, Biofilm, Carrier, wastewater, abattoir, VMA. xxxi INTRODUCCIÓN La contaminación del agua se ha ido incrementando a medida que pasan los años. Esto se produce por el vertimiento de compuestos o elementos orgánicos o inorgánicos que estando dispersos, suspendidos o disueltos alcanzan una concentración elevada para su uso (1). En ese marco, las aguas residuales de los camales son las que más carga orgánica (sangre, orina, heces, vísceras, grasas, residuos de alimentos) contienen. Además, para todo el proceso de matanza de animales, se hace uso de gran cantidad de agua que se mezcla con las diferentes cargas orgánicas ya mencionadas, lo cual produce mayores cantidades de agua residuales sin tratar. A esto, se le debe agregar el hecho de que las administraciones municipales no disponen de tratamientos, lo que podría generar eutrofización en las aguas, debido a la gran cantidad de compuestos nitrogenados; riesgos en el ambiente y problemas relacionados con la salud de las personas. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), se estima que cerca del 10% de la población mundial consume alimentos regados con aguas residuales (2). De acuerdo con estadísticas del Sistema Nacional de Información Ambiental (SINIA), con respecto al agua y saneamiento a nivel nacional, hasta el 2018, solo el 79.2% de las aguas residuales eran tratadas por EPS; al 2019, solo existieron 49 autorizaciones para el reuso y vertimiento de aguas residuales industriales y al 2020 el volumen anual de vertimiento de aguas residuales industriales autorizadas fue solo de 624 001 728 m3 (3). Además, a nivel mundial, el consumo de carnes se mantiene elevado, lo que incrementa los problemas de contaminación. Ante esta problemática, en las últimas décadas, los sistemas que incorporan microorganismos en el agua residual adheridos a un medio de soporte se han convertido en un innovador tratamiento biológico que, a su vez, permite la obtención de sistemas más eficientes y compactos, para la remoción de sólidos suspendidos y material orgánico (4). Uno de estos sistemas son los reactores de lecho móvil (MBBR), una tecnología reciente patentada en Noruega en los años ochentas. Para su funcionamiento, se debe contar con un sistema de aireación, que permita movimiento en todo el volumen del agua a tratar. Si bien se trata de una medida exitosa a nivel mundial, en el Perú, no existen estudios que la hayan patentado en el tratamiento de aguas residuales provenientes de camales. Frente a esta ausencia, el presente proyecto de investigación ha surgido con el objetivo de elaborar un diseño experimental para el tratamiento secundario de las aguas residuales provenientes del Camal Municipal de Cotahuasi con tecnología MBBR. Cabe señalar que el distrito de Cotahuasi cuenta con 2925 habitantes (5). Asimismo, debido a la demanda de xxxii consumo de carne, cuenta con un Camal Municipal, en el cual se realiza la matanza de un promedio de 3 ganados vacunos de forma interdiaria, además de porcinos y ovinos en cualquier día de la semana para cubrir las necesidades de la población. No obstante, el proceso de obtención de carne genera gran cantidad de vertimiento de aguas residuales a los canales de regadío y, con ello, contaminación de las aguas. La presente investigación se encuentra estructurada de cuatro capítulos. En el primer capítulo denominado “Planteamiento del Estudio”, se explicará la problemática, objetivos, justificación, delimitación, hipótesis y la descripción de variables. El segundo capítulo titulado “Marco Teórico”, expondrá los antecedentes, bases teóricas y definiciones de términos básicos. El tercer capítulo denominado “Metodología” describirá el método, diseño y tipo de investigación, además de la población, muestra, técnicas e instrumentos de recolección de datos y la metodología de experimentación. Por último, el cuarto capítulo intitulado “Resultados y discusión”, analizará los resultados a los que se ha arribado tras el proyecto en mención. Finalmente, se incluyen una serie de recomendaciones y referencias bibliográficas. 33 CAPÍTULO I: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO 1.1. Planteamiento y formulación del problema 1.1.1. Planteamiento del problema Actualmente, el ambiente se encuentra afectado por el aumento de los contaminantes, que se generan como producto de procesos que son realizados por el hombre para satisfacer sus necesidades. Uno de los componentes más contaminados es el recurso hídrico. El problema se vuelve más crítico cuando se considera que este es un bien limitado y únicamente el 1 % es para el consumo humano y de fácil acceso (6), y que afectará el crecimiento económico del siglo XXI (7). Las aguas residuales son vertidas por la mayoría de las industrias a las redes de alcantarillado y tienen como fin último a los cuerpos de agua y lagos, lo que produce contaminación. Así, por ejemplo, los camales semanalmente desechan grandes cantidades de sustancias orgánicas que, si no son tratadas correctamente, no solamente contaminan las aguas, sino que también generan problemas de salud en la población. Estas sustancias contaminantes pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas que se encuentran tanto en suspensión como disueltas y tienen una concentración elevada de material orgánico. Están básicamente constituidas por productos que se descomponen como aminas, ácidos y orgánicos volátiles, y otros orgánicos nitrogenados; asimismo, poseen concentración alta en grasas que complican el tratamiento de las mismas. En el Perú, 102 camales están autorizados por el Servicio Nacional de Sanidad y Calidad Agroalimentaria (SENASA). Específicamente, en la región Arequipa, existen 30 camales, de los cuales solo 11 son autorizados y 19 no tienen autorización, debido al incumplimiento de requisitos de tratamiento e infraestructura. En estos últimos, se evidencia la inconsciencia de las autoridades competentes, quienes, al no fiscalizar dichos establecimientos, demuestran poca o nula preocupación para desechar estas aguas residuales; además, los trabajadores de estos lugares no cuentan con la capacitación necesaria para destinar los residuos de la forma correcta y en el lugar correspondiente. 34 Dentro de los mataderos sin autorización, se encuentra el Camal Municipal de Cotahuasi (8). Si bien en este distrito existen dos Plantas de Tratamientos de Aguas Residuales (PTAR): una que se encuentra destinada para efluentes domésticos (alejada de la ciudad) y otra destinada para aguas residuales provenientes del Camal, ambas están fuera de servicio. Ello significa que a los fluidos residuales del camal no se les realiza ningún tratamiento y estos son vertidos directamente a la acequia que aporta a la subcuenca del Cotahuasi, a su vez a la cuenca de Ocoña y, finalmente, al Océano Pacífico. Sabiendo que uno de los factores más críticos que contribuye a la contaminación de aguas residuales son los desechos de un camal, debido al alto poder contaminante que fácilmente contribuye a rebasar los Valores Máximos Admisibles establecidos en la normativa, en esta investigación, analizaremos este establecimiento, debido a la cantidad de efluentes que desecha semanalmente. En definitiva, se debe dar importancia al buen manejo de fuentes de agua y a la conservación de la misma, de tal manera que se conciban nuevas tecnologías y sistemas de tratamiento, con la finalidad de que estas aguas sean destinadas para otros usos como el riego, bebida de animales, etc. 1.1.2. Formulación del problema 1.1.2.1. Problema general ¿Cómo realizar un diseño experimental del tratamiento secundario con tecnología MBBR para aguas residuales provenientes del Camal Municipal de Cotahuasi – La Unión – Arequipa 2022? 1.1.2.2. Problemas específicos - ¿Cuál es la caracterización del agua residual provenientes del camal municipal de Cotahuasi? - ¿Cómo realizar la experimentación a escala de laboratorio con la tecnología MBBR? - ¿Cuál es la remoción de contaminantes después del proceso del tratamiento secundario? - ¿El agua tratada cumplirá con la normatividad vigente de Valores Máximos Admisibles (VMA)? 35 1.2. Objetivos 1.2.1. General Elaborar un diseño experimental para el tratamiento secundario de las aguas residuales provenientes del camal municipal de Cotahuasi con tecnología MBBR 1.2.2. Específicos - Determinar las características del agua residual proveniente del Camal municipal de Cotahuasi - Realizar la experimentación a escala de laboratorio con la tecnología MBBR - Evaluar la remoción de contaminantes al final del proceso del tratamiento secundario - Comparar el agua tratada de la tecnología MBBR con la normativa vigente de Valores Máximos Admisibles (VMA) 1.3. Justificación e importancia Durante los últimos años, la contaminación del agua es uno de los problemas primordiales que inquieta a la sociedad, debido a que este líquido es un recurso importante para el consumo humano y para las industrias. 1.3.1. Ambiental Las aguas residuales de camales, por lo general, no tienen un control adecuado lo que genera un alto grado de contaminación. En ese contexto, este recurso hídrico se desperdicia. Por esta razón, la falta de tratamiento e innovación de nuevas tecnologías en aguas residuales se está convirtiendo, para el medio ambiente y la sociedad, en una dificultad que amerita soluciones eficientes. En ese marco, la presente investigación quiere aportar en la reducción de impactos negativos producidos por vertimientos de las aguas residuales hacia el recurso hídrico, de manera que se evite la disminución de la calidad del agua. 1.3.2. Social Es muy importante resaltar que los impactos de la contaminación hídrica se manifiestan también en el ámbito ambiental y social, puesto que el agua contaminada es una vía de agentes infecciosos que perjudica la salud. 36 Actualmente, en la ciudad de Cotahuasi, se hace uso de agua potable para el funcionamiento del camal municipal. Posterior al servicio, las aguas son vertidas sin ningún tratamiento por una tubería que desemboca en una acequia que es usada, comúnmente, para la bebida de animales y el riego de chacras. De esta manera, la población aledaña sufre una contaminación indirecta, lo cual afecta su calidad de vida. En ese sentido, con el tratamiento adecuado, se podrá reducir la cantidad de contaminantes provenientes de las aguas del camal, lo cual aportará en beneficio de la población. 1.3.3. Tecnológico Para el tratamiento de aguas residuales, existen diversas tecnologías y sistemas, desde los más económicos hasta los más costosos. La implementación metodológica de MBBR es una solución compacta y económica, puesto que no ocupa grandes áreas al momento de su desarrollo. Esta será la tecnología a aplicar en el tratamiento de aguas residuales del Camal de Cotahuasi. 1.3.4. Económica El tratamiento con tecnología MBBR es una alternativa que presenta un menor costo respecto a la operación y mantenimiento. A comparación de un procedimiento aeróbico, que genera mayor cantidad de lodos que tienen que ser llevados por EPS a un relleno sanitario, la tecnología MBBR genera menor cantidad de lodos, lo cual se traduce en menos costos de servicios de EPS. 1.4. Delimitación del proyecto La delimitación del presente proyecto está representada por el agua residual del camal municipal que se encuentra ubicado en el distrito de Cotahuasi a 2683 m.s.n.m. Este se encuentra a unos 200 metros de la capilla de Chacaylla y a unos 100 metros de la PTAR que no se encuentra en funcionamiento. 37 MAPA DE UBICACIÓN DEL CAMAL MUNICIPAL DE COTAHUASI Figura 1. Mapa de ubicación del Camal de Cotahuasi 38 Coordenadas geográficas del Camal de Cotahuasi - Zona: 18L - Coordenada Este: 726616.00 m E - Coordenada Norte: 8317321.00 m S 1.5. Hipótesis y descripción variables 1.5.1. Hipótesis 1.5.1.1. Hipótesis general H0: El tratamiento secundario con tecnología MBBR no permite descontaminar las aguas residuales provenientes del Camal Municipal de Cotahuasi. H1: El tratamiento secundario con tecnología MBBR permite descontaminar las aguas residuales provenientes del Camal Municipal de Cotahuasi. 1.5.1.2. Hipótesis específicas - La caracterización de las aguas residuales del Camal Municipal de Cotahuasi muestra una alta contaminación. - Es probable realizar el diseño del reactor con tecnología MBBR a escala de laboratorio. - El tratamiento secundario la tecnología MBBR remueve eficientemente los contaminantes. Figura 2. Camal Municipal de Cotahuasi 39 - Las aguas tratadas resultantes del tratamiento secundario con la tecnología MBBR cumplen con la normativa vigente de Valores Máximos. 1.5.2. Descripción de variables 1.5.2.1. Variable dependiente La variable dependiente es el agua tratada, ya que depende de la aplicación de la tecnología MBBR. 1.5.2.2. Variable independiente La variable independiente es la implementación de tecnología MBBR, ya que no depende de otro factor para ser aplicado. 1.5.2.3. Operacionalización de las variables 40 Tabla 1. Operacionalización de variables VARIABLE DIMENSIONES INDICADOR UNIDAD Variable Independiente - Implementación de tecnología MBBR - Carrier o Biofilm - Diseño del reactor - Cantidad de Carrier´s - Densidad del Carrier - Volumen de reactor - Volumen de Carrier - Volumen de agua - Unidad de cantidad - Kg/m3 - m3 - m3 - L Variable Dependiente - Agua residual tratada - Calidad de agua - Aceites y grasas - DBO5 - DQO - SST - Temperatura - pH - Nitrógeno Total - Fósforo Total - Turbidez - mg/L - mg/L - mg/L - mg/L - ºC - Unidad de pH - mg/L - mg/L - NTU Nota: Elaboración propia 41 CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes del problema 2.1.1. Antecedentes internacionales - La tesis titulada Optimización de un biorreactor de lecho móvil (MBBR) para la biodegradación de un efluente proveniente de la industria de celulosa Kraft (9) tuvo como objetivo optimizar la depuración de la materia orgánica. Para ello, el efluente se obtuvo a la salida de unas torres de refrigeración. Para este método biológico, se utilizó el biorreactor de lecho móvil con material 16 polietilenos y de superficie 23 cm2/cm3 de biocarriers. Este sistema fue sostenido por 1 bomba, conectado por mangueras de 7 mm y 12 mm. Se llegó a la conclusión que con 2d de TRH se alcanzó una efectividad de remoción del 42,7% de DQO, en comparación de 0,9 días de TRH con el 41,2%. Además, se determinó que existe una eficiencia similar entre ambas y que en la estabilización de la segunda fase de operación del sistema hubo una mejoría de esta. Esto permite concluir que, a menores tiempos de RH y mayores velocidades de la carga orgánica con la biopelícula estabilizada y madura, el sistema es más idóneo, con una eficiencia de remoción de DQO por sobre el 45% y remoción de DBO5 superiores al 97% (9). - El proyecto titulado Estudio de un sistema Moving Bed Bioreactor (MBBR) con Carriers fabricados en impresión 3D para la optimización del tratamiento de aguas residuales textiles (10) tuvo como objetivo mejorar la efectividad de depuración biológica de las aguas residuales de la industria textil mediante el empleo de carriers. La empresa tenía instaurada una depuradora biológica, por lo que el efluente fue obtenido antes de verterlo al río en la entrada de esta. En primer lugar, al efluente se le caracterizó por medio de análisis de pH, Conductividad, Color, Nitrógeno, DQO, MES, TOC y observaciones microscópicas para determinar el rendimiento de depuración del MBBR abastecido de Carriers esféricos de plástico. Así mismo, se evaluó la eliminación del color. Este parámetro en depuradoras convencionales es muy difícil de suprimir; sin embargo, se alcanzaron resultados satisfactorios, ya que se obtuvo porcentajes muy similares en DQO y eliminaciones superiores a color. Al reducir de 2 a 1,5 días el TRH, se observó en todos los parámetros un 42 aumento de la eficiencia del reactor, excepto la eliminación del color. No obstante, si el TRH es superior, este parámetro tendrá una eficiencia de eliminación (10). - La tesis titulada Diseño y Operación de un Reactor de Lecho Móvil Aerobio para tratamiento de Agua Residual Doméstica (11) tuvo como objetivo diseñar, a escala de laboratorio, un MBBR para el tratamiento de aguas residuales domésticas. Para llevar a cabo el proyecto, se plantearon dos fases: una operación del reactor y la otra en inoculación. Además, hubo una medición de control semanal de los distintos parámetros químico- físicos, que permitió la evaluación del agua antes, durante y después del tratamiento. El diseño de dicho reactor se realizó a una pequeña escala y fue necesario preparar un agua residual doméstica que sirviera de afluente. Asimismo, se emplearon como medio de soporte móvil anillos de Biopack, hechos de polietileno de alta densidad y con 950 𝑚2⁄𝑚3 de superficie específica. Inicialmente, se utilizaron 1920 unidades que ocupaban aproximadamente el 35% del volumen útil; sin embargo, en el proceso de operación del reactor se alteró dicha cantidad a 2743 unidades, que ocuparon el 50% del volumen útil. Esto generó que la circulación no sea tan tosca y disminuya el arrastramiento de la biomasa. Se concluyó que la edad de lodos y el TRH fueron los parámetros importantes de la operación. El primero influyó en la concentración del material orgánico y de microorganismos dentro del reactor, y el segundo en el porcentaje de remoción de sólidos y determinación de caudal del efluente, DBO5, DQO obtenidos a través del tratamiento (11). 2.1.2. Antecedentes nacionales - La tesis titulada Optimización del tratamiento de aguas residuales domésticas mediante la implementación del sistema MBBR en la provincia Caylloma – AQUAFIL tuvo como objetivo llevar a cabo un proyecto mediante el cual se mejore el tratamiento de las aguas en la provincia mencionada. Para su desarrollo, se tomaron muestras del PTAR de origen doméstico propiedad de AQUAFIL que se encuentra en la provincia de Caylloma, lo cual permitió tratar los tanques reactores al 40% más de su capacidad (200 - 280 m3/d), sin ninguna alteración del efluente en la 43 planta. Esto permitió menores niveles de TRH, lo cual conduce a pensar que, en un tiempo menor, habrá una cantidad mayor de agua tratada (12). - El proyecto titulado Evaluación de la eficiencia de la superficie de contacto en el sistema de tratamiento de lodos activados continuos de la planta piloto de la FIARN – UNAC tuvo como objetivo evaluar la efectividad de métodos continuos de tratamiento de lodos activados mediante la implementación de Superficie de Contacto para cumplir con los ECA Clase III. Este estudio y su diseño se basa en investigación experimental (preexperimental, cuasi experimental y experimentos verdaderamente puros). Las aguas residuales domésticas fueron estimadas en un caudal de 1220.85m3/día; asimismo, para las muestras hubo caudal máximo de 260 Litros/día y 130 Litros/día. Se llegó a la conclusión, considerando la porción de llenado entre 50%-65%, de que el volumen del tanque alcanzó un volumen de 50%-55% (300 L) (13). 2.1.3. Antecedentes locales - El proyecto titulado Diseño experimental de un reactor de biopelícula de lecho móvil para el tratamiento secundario de las aguas residuales domésticas del distrito de Yarabamba, Arequipa 2017 tuvo como objetivo diseñar un MBBR a través de un diseño experimental. Para alcanzar dicho objetivo, se fabricó un reactor con vidrio de 0,5mm de espesor; dividido en 3 compartimientos: 2 cámaras de 15L cada una y un filtro de 7,5L de volumen útil. El reactor trabajó a una Tº promedio de 20°C y un pH neutro entre 7 – 7,5. Además, cada cámara consideró 50% del volumen de carriers y 7,5 litros por cámara de volumen de agua. Así mismo, se emplearon dos bombas de recirculación de aire de acuario de un flujo de 150 litros: para el flujo de agua del compartimento 1 al 2 y del compartimento 2 al filtro para su salida posterior. De igual manera, para la aireación de las cámaras, se utilizó un compresor de aire de 35 watts de potencia, regulado con llave de paso de plástico. Se llegó a la conclusión de que el diseño del reactor propuesto cumplió con este tratamiento secundario y que, de acuerdo a diferentes tiempos de RH, hubo alta remoción de material orgánico. Sin embargo, mostró un mayor resultado a las 10 horas de retención hidráulica, disminuyendo el DBO5 en 90,5%; el DQO en 77,17%; aceites y grasas en 99,99%; coliformes termo tolerantes en 99,47% y el SST en 99,47%. Esto sugiere una posterior desinfección para los coliformes termo tolerantes 44 mediante tratamientos químicos, debido a que no se pudo disminuir en el tratamiento biológico (14). - La tesis titulada Diseño y construcción de un reactor de biopelícula adherida a carriers en lecho fluidizado con coagulación para la evaluación de su rendimiento en la remoción de DBO5 y DQO en aguas residuales domésticas del distrito de Mollendo – Islay tuvo como objetivo diseñar y construir un reactor de biofilm adherido a carriers, para evaluar el rendimiento de la remoción del DQO y DBO5 tomando distintas muestras de las aguas residuales domésticas del distrito de Mollendo. Se llegó a la conclusión de que hay una conexión directamente proporcional entre el TRH y el rendimiento de remoción; sin embargo, la cantidad de coagulante no es directamente proporcional a la concentración efectiva, siendo el rango óptimo de TRH entre 6.5 horas. y 7.8 horas, después de las cuales se logra la remoción máxima de DBO5 en 96% y de DQO en 91.8% (15). 2.2. Bases teóricas 2.2.1. Aguas residuales 2.2.1.1. Definición La Norma OS.090 (16) describe al agua residual como aquella que es utilizada por la sociedad e industrias, y que contiene materia orgánica o inorgánica en suspensión o disuelta, y son vertidas a cuerpos naturales del sistema de alcantarillado. Estas han cambiado sus características originales como consecuencia de la actividad humana y, debido a su baja calidad, necesitan un previo tratamiento (OEFA, 17). Por sus grandes cantidades de microorganismos y/o sustancias, representan un peligro para el consumo humano y deben ser eliminadas adecuadamente (18). En conclusión, se trata de aguas que se hallan indistintamente contaminadas por diversas sustancias orgánicas e inorgánicas y que necesitan ser tratadas por diferentes motivos: la normativa y legislación actual, el impacto que ocasiona a la salud, medio ambiente y sociedad en general. 45 2.2.1.2. Clasificación de aguas residuales Se clasifican en tres tipos: Aguas residuales industriales Son aquellas que resultan de cualquier desarrollo productivo ya sea fábricas, industrias, minería, agricultura, actividades agroindustriales. No son aguas de escorrentía pluvial ni aguas residuales domésticas. Su composición varía mucho con las diferentes actividades industriales (17). Aguas residuales municipales Son las aguas domésticas que se encuentran mezcladas con aguas pluviales y/o industriales que han sido tratadas previamente para su descarga en el sistema de alcantarillado combinado (17). Aguas residuales domésticas “Son aguas de fuente comercial y residencial que comprende residuos fisiológicos producto de las actividades humanas que posteriormente deben ser apropiadamente dispuestas” (17). Suelen contener grandes cantidades de microorganismos y materia orgánica, al igual que residuos de lejía, jabón, grasas y detergente. 2.2.1.3. Caracterización de las aguas residuales En este apartado, se describen las propiedades físicas, biológicas y químicas en el tratamiento de aguas. A continuación, se explican las características y procedencias: Tabla 2. Características y procedencias de las aguas residuales Características Procedencia 1. Propiedades físicas: Color Aguas residuales domésticas e industriales, degradación natural de materia orgánica Olor Agua residual en descomposición, residuos industriales Sólidos Agua de suministro, aguas residuales domésticas e industriales, erosión del suelo, infiltración y conexiones incontroladas 46 Temperatura Aguas residuales domésticas e industriales 2. Constituyentes químicas: a. Orgánicos: Carbohidratos Aguas residuales domésticas, industriales y comerciales Grasas animales, aceites y grasas Aguas residuales domésticas, industriales y comerciales Pesticidas Residuos agrícolas Fenoles Vertidos industriales Proteínas Aguas residuales domésticas, industriales y comerciales Contaminantes prioritarios Aguas residuales domésticas, industriales y comerciales Agentes tensoactivos Aguas residuales domésticas, industriales y comerciales Compuestos Orgánicos Volátiles Aguas residuales domésticas, industriales y comerciales Otros Degradación natural de materia orgánica. b. Inorgánicos: Alcalinidad Aguas residuales domésticas, agua de suministro, infiltración de agua subterránea Cloruros Aguas residuales domésticas, agua de suministro, infiltración de agua subterránea Metales Pesados Vertidos industriales Nitrógeno Residuos agrícolas y aguas residuales domésticas pH Aguas residuales domésticas, industriales y comerciales Fósforo Aguas residuales domésticas, industriales y comerciales; aguas de escorrentía Contaminantes prioritarios Aguas residuales domésticas, industriales y comerciales Azufre Agua de suministro; aguas residuales domésticas, comerciales e industriales. c. Gases: Sulfuro de hidrógeno Descomposición de residuos domésticos Metano Descomposición de residuos domésticos Oxígeno Agua de suministro; infiltración de agua superficial 47 3. Constituyentes Biológicos: Animales Cursos de agua y plantas de tratamiento Plantas Cursos de agua y plantas de tratamiento Virus Aguas residuales domésticas Protistas Eubacterias Aguas residuales domésticas, infiltración de agua superficial, plantas de tratamiento Arqueobacterias Aguas residuales domésticas, infiltración de agua superficial, plantas de tratamiento Nota: Tomada de Metcalf & Eddy (19) 2.2.1.3.1. Características físicas Una característica principal de las aguas residuales son los sólidos totales, que abarca a toda materia que se encuentra sedimentable, en suspensión, coloidal o disuelta. El olor, turbidez, temperatura, color y densidad son otras propiedades físicas fundamentales (19). a. Sólidos totales Son los materiales que quedan como desecho después de un proceso de evaporación del agua con temperaturas que oscilan entre 103 ºC y 105 ºC. Cabe destacar que la materia que haya sido sometida a una evaporación con una presión alta de vapor no se define como sólido total. Estos se clasifican en totales filtrables y totales no filtrables (19). Además, los sólidos de sedimentación son los que se depositan en la base de todo envase en un tiempo de 60 minutos en forma de cono, como los conos de Imhoff; la unidad de medición se expresa en ml/l, que se interpreta como la cantidad de lodos obtenidos de la decantación primaria de agua residual (19). b. Olores Se presentan debido a la liberación de algunos gases durante la descomposición del material orgánico. Las nuevas aguas residuales muestran un peculiar olor, poco molesto, pero más tolerable que las aguas residuales de las fosas sépticas, cuyo olor característico es el sulfuro de hidrógeno. Este es producido cuando el sulfato se reduce a sulfito por la presencia de microorganismos anaerobios. 48 Los efluentes industriales podrían comprender en sí mismos compuestos que generan olores en las diferentes etapas del tratamiento, lo cual genera rechazo por la población, puesto que, en alguna fase de los procesos, la emanación es bastante elevada (19). c. Temperatura Las aguas residuales suelen tener una temperatura más alta que las del suministro. Esto se debe a que algunas casas adicionan aguas calientes y otros compuestos de uso industrial (19). La temperatura es un parámetro muy importante, debido a que influye en las reacciones químicas, la vida acuática y las velocidades de reacción. En los meses de verano, el agua caliente afecta al oxígeno, puesto que es menos soluble. Además, combinado a las reacciones químicas a velocidades elevadas, es una causa muy frecuente de agotamiento de Oxígeno Disuelto. En ese sentido, un brusco cambio de Tº puede aumentar significativamente la proliferación de plantas acuáticas y hongos, así como la mortalidad de la vida acuática. Cabe resaltar que la temperatura adecuada para que las bacterias se desarrollen con normalidad es entre 25 ºC y 35 ºC (19). d. Densidad Es una propiedad muy importante, porque de esta depende la formación potencial de corrientes de densidad en los lodos sedimentados. En ciertas ocasiones, la gravedad específica se emplea como una alternativa de densidad. Ambos parámetros están sujetos a la Temperatura y pueden variar en función de la concentración del material sólido (19). e. Color De modo histórico, el agua residual se caracteriza por su estado, concentración y composición, dependiendo de la edad del efluente. Esta se determina, específicamente, según el olor y color: una nueva agua residual suele poseer un color gris, pero suele cambiar progresivamente del color gris al gris oscuro hasta alcanzar un color negro (agua residual conocida como séptica), debido al aumento de 49 tiempo de conducción por la alcantarilla y condiciones anaerobias (19). f. Turbidez Es un parámetro que se usa como indicador de la calidad del agua vertida y, en el caso del agua natural, es asociada con las sustancias coloidales y residuos en suspensión. Este parámetro se mide comparando la intensidad registrada en suspensión con la intensidad de luz dispersada en la muestra: la materia coloidal absorbe la luz dispersa en toda la muestra e impide la transferencia. Esto no significa que haya una correlación directa entre los sólidos suspendidos y la turbidez de un efluente sin tratamiento, pero sí que están bastante ligados en relación con las aguas provenientes de decantación secundaria en el desarrollo de fangos activados (19). 2.2.1.3.2. Características químicas a. Materia orgánica Metcalf and Eddy (19) indican que alrededor del 40% de los sólidos filtrables y el 75% de los sólidos suspendidos de un agua residual tienen mediana concentración de materia orgánica. Estos sólidos provienen de animales, vegetales, además de actividades antropogénicas, que están asociadas a la asimilación de los compuestos orgánicos, y que agotan el Oxígeno Disuelto en diferentes masas de agua como los lagos, ríos, bahías, etc. (1). Cabe destacar que las combinaciones orgánicas de oxígeno, hidrógeno, carbono y, ocasionalmente nitrógeno, son formadas normalmente (19). La composición general de las aguas residuales indica que el 45% - 50% son materia orgánica del 70% de sólidos suspendidos. Este elemento en las aguas residuales se distribuye en distintos grupos por conveniencia (1). - Proteínas: Son sustancias inestables y complejas asociadas a los aminoácidos, compuestos del grupo básico -NH2 y grupo ácido - CO2H (1). Su composición en las aguas residuales es del 40%- 60% y sus constituyentes principales son los organismos animales y plantas. 50 - Carbohidratos: Su composición en las aguas residuales es del 25% - 50% y su principal constituyente es la materia vegetal. Entre ellos se encuentran los almidones, azúcares, celulosa, etc. (1). - Aceites y grasas: Se encuentran compuestos por glicerol y alcohol. Los glicéridos de Ácidos Grasos Volátiles son grasas líquidas que se encuentran a temperatura ambiente. Estos responden a los álcalis formando jabones (1). En las aguas residuales, los aceites y grasas son la consecuencia de las mantequillas y aceites vegetales estables y de difícil descomposición por las bacterias. Por ello, es muy importante removerlos antes del tratamiento o presentarán problemas en el proceso (1). - Agentes tensoactivos o surfactantes: Son moléculas que producen espumas y se conocen como detergentes que se utilizan para limpiar. En la etapa de aireación, pueden causar problemas, debido a que es probable que originen espuma y, de ese modo, afecten al desarrollo de las bacterias (1). - Compuestos orgánicos volátiles (COV): Se trata de aquellos que presentan una ebullición inferior a 100ºC, además de una presión superior a 1 mmHg a 25ºC. Para Metcalf & Eddy (19), los COV son importantes porque • Aumentan las posibilidades de vertido al medio ambiente, debido a que se encuentra en estado gaseoso. • Su presencia en el aire puede generar daños a la salud. • Ayudan con el aumento de hidrocarburos reactivos en la atmósfera y producen químicos oxidantes. El vertido de estos hacia el alcantarillado y PTAR puede dañar a la salud de las personas que manipulan estas aguas (19). - Pesticidas: Son compuestos que se encuentran en un nivel traza, y son tóxicos para muchas formas de vida. Son considerados uno de los contaminantes más peligrosos en las aguas superficiales. La 51 acumulación de estos puede tener como consecuencia la alteración del agua, y el deterioro y muerte de los peces (19). b. Oxígeno disuelto Es uno de los principales parámetros, puesto que determina la reproducción, metabolismo y obtención de energía de muchos organismos. El oxígeno disuelto es un indicador importante del grado de contaminación del agua, debido a que la materia orgánica presente en este líquido lo afecta directamente. En las aguas residuales, debe encontrarse una concentración no mayor de saturación del 110%. Si sobrepasa estos niveles, podría generar una enfermedad denominada “burbuja de gas” en los peces. Esto puede ocurrir en aguas con alto contenido de nutrientes e importantes poblaciones de algas, lo que generaría oxígeno en grandes cantidades en ciertas horas del día (1). c. Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) Es considerada como la cantidad de oxígeno que necesitan las bacterias en condiciones aerobias para poder deshacer la materia orgánica del agua residual. Esto sucede debido a que las sustancias orgánicas desechadas son alimento para las bacterias (1). En otras palabras, estos organismos microscópicos que están en condiciones aerobias consumen el oxígeno rápidamente y generan su disminución. La demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) se genera por la respiración bacteriana. Este proceso terminará si la materia orgánica se agota. Cabe destacar que la evaluación de la DBO5 se realiza durante 5 días y a 20ºC (DBO5); sin embargo, se podrían realizar en diferentes tiempos (DBO7 y DBOu) (1). Según Metcalf and Eddy (19), la DBO5 se emplea para 1) Establecer la cantidad aproximada de oxígeno necesaria para estabilizar la materia orgánica 2) Establecer las dimensiones de las instalaciones de un área para el tratamiento de aguas 3) Medir la efectividad de algunos procesos 52 4) Inspeccionar las limitaciones que se encuentran relacionadas a los vertimientos. d. Demanda Química de Oxígeno (DQO) Mide la demanda de oxígeno de forma diferente, veraz y acelerada; además, es una de las formas de calcular la materia orgánica de manera indirecta por medio de los compuestos orgánicos en la demanda de oxígeno. A diferencia de la DBO5, la DQO usa un medio ácido (Dicromato de Potasio) (1). e. Potencial de Hidrógeno (pH) El potencial de hidrógeno es uno de los parámetros más importantes en las aguas residuales y naturales, debido a que su concentración idónea contribuye con el desarrollo de la biología. Cabe destacar que el agua puede actuar como ácido o base (anfoterismo). Cuando esta es residual y su pH es inapropiado, puede alterar o dificultar los procesos biológicos (19). El pH adecuado para el crecimiento de la biota oscila entre 5 y 9. Si el agua se encuentra fuera de ese rango, su tratamiento sería más complicado. f. Materia inorgánica El aumento de esta dependerá del contacto con las formaciones geológicas, aguas tratadas y/o aguas sin tratamiento, a excepción de algunas aguas industriales. Esta materia no se usa para eliminar los componentes inorgánicos incorporados en el ciclo de uso, debido a que podría afectar al recurso hídrico. g. Alcalinidad Está representada por bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos (calcio, magnesio, sodio, potasio o amoniaco) que se encuentran en el agua. Los alcalinos más comunes son el bicarbonato de magnesio y calcio. Cabe destacar que este parámetro es importante, puesto que ayuda a regular el pH (19). h. Nitrógeno (N) y Fósforo (P) 53 Ambos parámetros son muy importantes para el desarrollo de algunas plantas, puesto que, muchas veces, son nutrientes esenciales. Específicamente, el primero ayuda a sintetizar proteínas; por ello, es importante conocer su presencia y cantidad en las aguas para evaluar las posibilidades de tratamiento por medio de un proceso biológico. Es preciso aclarar que, si el nitrógeno se encuentra en cantidades menores, será necesario añadirlo para poder realizar dicho procedimiento (19). i. Azufre (S) El azufre se presenta de manera natural en los abastecimientos de aguas residuales. Este es un elemento indispensable para la sintetización de las proteínas, que después será liberado en la etapa de degradación. Debido a las bacterias en condiciones anaeróbicas, los sulfatos se minimizan en sulfuros de hidrógeno y sulfuros (19). j. Gases Generalmente, los gases se presentan en las aguas residuales como sulfuro de hidrógeno, metano, oxígeno, amoniaco, nitrógeno, dióxido de carbono (19). • Sulfuro de hidrógeno: Se genera durante la descomposición de compuestos orgánicos que tienen azufre o durante la reducción de sulfatos minerales y sulfitos. Es un tipo de gas muy inflamable, incoloro y de olor muy característico (huevo podrido). Dota a las aguas de un color negro, debido a que se forman sulfuros de hidrógeno combinados con hierro (sulfuro ferroso) (19). • Metano: Es el principal derivado de una descomposición anaeróbica de los compuestos orgánicos. Es un combustible de hidrocarburo que contiene energía valiosa y es incoloro e inodoro (19). 2.2.1.3.3. Característica biológicas a. Microorganismos Los microorganismos principales se clasifican en eubacterias, arqueobacterias y eucariotas. Cabe señalar que la mayor parte de estos pertenecen al grupo de bacterias (algas, hongos y los protozoos, 54 helechos, musgos, etc.). En el siguiente cuadro, se observa la clasificación de estos: Tabla 3. Clasificación de los microorganismos Grupo Estructura celular Caracterización Miembros representativos Eucariotas Eucariota • Multicelular, con gran diferenciación de las células y el tejido • Unicelular o coenocítica o micelial; con escasa o nula diferenciación de tejidos • Plantas (plantas de semilla, musgos, helechos). • Animales (vertebrados e invertebrados) • Protistas (Algas, hongos, protozoos). Eubacterias Procariota Química celular parecida a las eucariotas La mayoría de las bacterias Arqueobacterias Procariota Química celular distintivo Metanógenos, halófilos, termacidófilos Nota: Tomada de Metcalf & Eddy (19) b. Bacterias: Se pueden catalogar como eubacterias procariotas unicelulares. Una de las maneras mediante las cuales se les clasifica depende de su forma: filamentosas, bastón curvado, bastón y esferoidales. Es preciso señalar que las bacterias coliformes se incluyen dentro de los indicadores de contaminación por los residuos generados por la población (19). c. Hongos: Existen los no multicelulares, fotosintéticos, protistas, aerobios, eucariotas, heterótrofos, entre otros. Estos son importantes en el proceso de la descomposición de carbono (junto a las bacterias) y tienen ciertas ventajas, debido a que pueden desarrollarse en lugares con baja humedad y pH bajo (19). d. Animales y plantas: 55 La presencia de estos es muy útil al momento de hacer una valoración en los cuerpos de agua y su ausencia es un indicador de toxicidad (19). 2.2.2. Tratamiento de aguas residuales A continuación, se presenta el siguiente cuadro: Tabla 4. Tipos de tratamiento y Tratamiento de aguas residuales PRETRATAMIENTO Cribado Dilaceración Desarenado Desengrasado Homogenización TRATAMIENTO PRIMARIO QUÍMICO FÍSICO Coagulación Sedimentación Neutralización Floculación Flotación Filtración TRATAMIENTO SECUNDARIO Lodos activados Estabilización por lagunaje Aireación prolongada (Proceso de oxidación total) Filtros biológicos Estabilización por contacto Biodiscos Otras modificaciones del sistema convencional de lodos activados: aireación de fases, mezcla completa, aireación descendente, alta carga, aireación con oxígeno puro Tratamientos anaerobios Lagunaje con aireación TRATAMIENTO TERCIARIO O AVANZADO Microtamizado Ósmosis inversa Filtración (lecho de arena, antracita diatomeas) Electrocoagulación Precipitación y coagulación Cloración y Ozonización Adsorción (Carbón activado) Proceso de reducción de nutrientes Intercambio iónico Otros Nota: Tomada de Bermeo (20) Bermeo (20), indica que tratar el agua residual 56 1. Permite la reducción de la carga orgánica en los puntos de vertimientos (efluentes), en distintos términos de DBO5 y DQO. 2. Reducir el nitrógeno y fósforo para impedir la contaminación de las aguas freáticas o subterráneas que se generan a causa de la infiltración del subsuelo y eutrofización en cuerpos receptores. 3. Inactivar todo microorganismo patógeno, incluyendo los parásitos. 2.2.2.1. Pretratamiento de aguas residuales A. Pretratamiento Según Bermeo (20), este es un procedimiento que se aplica para reducir todo material grueso que se presente de forma visible o en flotación. Lo primordial es retirar la mayor cantidad posible de desechos de gran volumen para evitar problemas en posteriores tratamientos (20). El autor establece tres objetivos primordiales en el este proceso: - Eliminación de sólidos de gran tamaño - Separación de partículas como la arena - Separación de espumas, aceites y grasas Cabe recalcar que la fase de pretratamiento se implementa en la cabecera, lugar donde se lleva a cabo la recepción del agua residual. a. Pozo de Gruesos Cuando se esperan grandes cantidades de arena o sólidos de mayor volumen, se construye el pozo de gruesos, con el fin de reunir estos elementos en un área específica para poder extraerlos con facilidad antes de que pase a la siguiente fase del tratamiento (20). b. Cribado Conocido también como desbrozo. Este se aplica para reducir los sólidos suspendidos de diferentes tamaños a través de una rejilla, cuyo diámetro dependerá del objetivo establecido. Esta limpieza se realiza de manera mecánica o manual. Finalmente, la materia recogida puede ser tratada por digestión anaeróbica o ser dirigida a un vertedero (21). c. Sedimentación La sedimentación es un tratamiento mediante el cual se someten a las aguas residuales a diferentes procesos para separar los sólidos suspendidos. Este 57 método divide dichos componentes a partir del peso específico del agua residual y de las partículas sólidas (21). d. Desarenado Según Bermeo (20), el objetivo de este proceso es reducir las partículas más pesadas que no pudieron ser retenidas en el cribado, porque presentaban un tamaño mayor a 200 micras (arenas, cáscaras, semillas, etc.). Existen tres tipos - Desarenador de flujo vertical - Desarenador de flujo inducido - Desarenador de flujo horizontal e. Desengrasado El objetivo de este proceso es reducir gran parte de aceites, espumas y algunos otros componentes que se presentan como flotantes. El tratamiento se realiza mediante aireación, para así poder desemulsionar las grasas y hacer que estas floten. Es importante aclarar que, si no se logran eliminar las grasas, estas podrían formar costras en los digestores; además, este método no siempre se lleva a cabo los procesos de tratamiento (20). f. Dilaceración Bermeo (20) indica que el objetivo del cribado es triturar materia sólida que fue arrastrada por el agua y acondicionarla para el siguiente proceso: la dilaceración. Esta genera la descarga y la evacuación de los residuos de la reja (20). 2.2.2.2. Tratamiento primario Busca reducir los sólidos suspendidos compuestos por materia orgánica. Este tratamiento reducirá la DBO5 y la contaminación bacteriana, por medio de sedimentación. Generalmente, este proceso llega a remover el 35% - 40% de la DBO5 y el 60% de sólidos suspendidos del agua residual cruda (20). Según Bermeo (20), los sólidos suspendidos son los siguientes: - Sólidos sedimentables (llegan a separarse si el agua está reposada una hora) 58 - Los flotables y parte de sólidos coloidales (10-3 y 10 micras) A. Neutralización La neutralización, también conocida como adaptación del pH, busca que el agua se acerque a su rango más neutral (7) (el valor óptimo para que las bacterias se desarrollen con normalidad es entre 6.5 y 8.5). Es parte de las fases más importantes del tratamiento de aguas, puesto que permite cuidar los cuerpos receptores de las descargas alcalinas o ácidas. Es preciso señalar que muchas de las descargas de industrias se realizan en una condición alcalina o ácida, que complica los procesos biológicos posteriores al pretratamiento (20). A continuación, se detalla la tabla de industrias que generan aguas residuales ácidas o alcalinas: Tabla 5. Industrias que generan aguas residuales ácidas o alcalinas INDUSTRIA AGUA RESIDUAL ÁCIDA AGUA RESIDUAL ALCALINA Aluminio X Bebidas Carbonatadas X Bronce y Cobre X X Café X Caucho X X Cervecería y destilería X X Cola X X Curtiembres X X Drenaje de minas de carbón X Energía X X Enlatados X X Explosivos X Farmacéuticos X X Fosfatos X Hierro y acero X Lavanderías comerciales X Limpieza de metales X Papel X X Pesticidas X 59 Plantas de ablandamientos X Plantas químicas X X Refinerías de petróleo X X Textiles X X Nota: Tomada de Romero, p. 322 (19) B. Coagulación - Floculación En una PTAR se realiza una prueba o test de jarra, que permita encontrar la dosis necesaria de coagulante para el tratamiento del agua. Este procedimiento también es utilizado para calcular la velocidad de sedimentación y así diseñar los tanques de este último proceso (20). C. Sedimentación o Decantación primaria Se le llama así a la separación de partículas más grandes y pesadas por medio de la gravedad. Según Bermeo (20) existen tres clases de sedimentación: - Sedimentación por compresión o espesamiento (concentraciones muy altas >5000-10000 mg/l) - Sedimentación zonal (concentraciones intermedias entre 500-5000 mg/l) - Sedimentación de partículas floculantes (concentraciones bajas de sólidos suspendidos menores a 300-500 mg/l) D. Flotación Es la operación que busca separar partículas de un medio líquido. Esto se genera gracias a la introducción de aire, lo que origina que estas burbujas se junten a algunas partículas, llevándolas hacia la superficie (19). Romero indica que la principal ventaja de este proceso ante la sedimentación es que logra eliminar de una mejor forma y en un menor tiempo las partículas pequeñas mediante un rascado superficial. Además, permite reducir los olores debido a los cortos periodos de retención. Asimismo, se puede aplicar en un tiempo corto de retención y altas cargas superficiales, lo que quiere decir que el tamaño del tanque es más pequeño y disminuye el costo de construcción (22). 60 2.2.2.3. Tratamiento secundario Es conocido también como tratamiento biológico y tiene como objetivo principal reducir la materia orgánica disuelta. Este procedimiento busca que los microorganismos correctos adquieran la materia orgánica que se encuentra junto al agua residual (20). A. Depuración biológica Se realiza mediante la reducción de contaminantes biodegradables por medio de un proceso conocido como biocenosis o comunidad de microorganismos (principalmente bacterias) que están en un ambiente con control especial (20). Existen cuatro tipos de procesos, los cuales se mencionan a continuación: Tabla 6. Principales procesos del tratamiento biológico TIPO CRECIMIENTO PROCESO USO PRINCIPAL Aerobios Suspendido Lodos activados - Convencional - Mezcla completa - Aireación escalonada - Estabilización y contacto - Oxigeno puro - Tasa alta - Aireación prolongada - Proceso de Krauss - Zanjón de oxidación - Lagunas aireadas - Digestión aerobia - Lagunas aerobias Remoción de DBO5 y nitrificación Remoción de DBO5 y nitrificación Remoción de DBO5 y estabilización Remoción de DBO5 y nitrificación Adherido Filtros percoladores - Tasa baja - Tasa alta Torres biológicas Unidades rotatorias de contacto Reactores de lecho fijo Remoción de DBO5 y nitrificación Remoción de DBO5 y nitrificación Remoción de DBO5 y nitrificación Remoción de DBO5 y nitrificación Anóxicos Suspendido Adherido Bardenpho Desnitrificación Desnitrificación Remoción de DBO5, N y P Remoción de N Remoción de N Anaerob ios Suspendido Digestión anaerobia Anaerobio de contacto Remoción de DBO5 – Estabilización Remoción de DBO5 Híbrido Lagunas anaeróbicas Manto de lodos – flujo Remoción de DBO5 – Estabilización 61 Ascensional (PAMLA) o UASB Remoción de DBO5 y SS Adherido Filtro anaerobio Remoción de DBO5– Estabilización Lecho expandido Remoción de DBO5 – Estabilización Nota: Tomada de Romero, p. 229 (19) B. Tratamiento aeróbico Lodos activados El tratamiento mediante esta metodología posibilita que un reactor biológico, que contiene varias bacterias en suspensión, realice la oxidación de la sustancia orgánica. Las condiciones aerobias tienden a realizarse por medio de difusores y acoplamientos. Posterior al tiempo de mezcla y homogeneización de las células nuevas con las viejas, la biomasa pasa hacia un sedimentador para separarla del agua que ya se encuentra tratada. En este proceso, un volumen de células sedimentadas son recirculadas al reactor para, de esta manera, mantener el ciclo (20). En este proceso las bacterias son el recurso más importante, ya que alteran la materia o compuestos orgánicos. Este procedimiento ha demostrado ser eficaz para el tratamiento de las aguas residuales tanto industriales como domésticas (20). C. Tratamiento anaeróbico Mediante este proceso, el agua residual ingresa al fondo del reactor para, posteriormente, fluir por medio de un manto de lodos formado por microorganismos (20). Sette Ramalho (21) afirma que en un tratamiento anaeróbico se liberan gases como producto final: el gas principal CH4 (metano), CO2 (dióxido de carbono) y en traza H2S (sulfuro de hidrógeno), RSH (mercaptano) e H (hidrógeno). - Fermentación ácida: Se presenta porque se hidrolizan los compuestos orgánicos complejos del agua residual, produciendo unidades moleculares menores, las mismas que son sometidas a biooxidación. Este proceso origina ácidos orgánicos como acético, propiónico y butílico. Dicho efecto es producido por algunas 62 bacterias facultativas y anaerobias. Cabe resaltar que en este procedimiento la reducción de la DQO no es tan significativa (21). - Fermentación metánica: Se presenta por presencia de microorganismos metagénicos que son anaerobios y transforman los ácidos de larga cadena a CH4, CO2, y ácidos orgánicos de corta cadena. Estas moléculas ácidas se fraccionan, repentinamente, y se obtiene como resultado ácido acético que se convierte en CH4 y CO2. Puesto que esta fermentación permite el control de la rapidez de este proceso, es muy importante que se lleve a cabo en condiciones óptimas. Asimismo, la duración de residencia de los microorganismos debe ser suficiente; de lo contrario, deben ser retirados del proceso (21). 2.2.2.4. Tratamiento terciario o avanzado Este tratamiento se aplicaría si es que, al finalizar el procedimiento secundario, no se logra cumplir con la normativa vigente para el vertimiento. Su finalidad es reducir la mayor cantidad de microorganismos fecales y gérmenes, la demanda de oxígeno, precipitar el fósforo por medio de insolubilización y el uso de carbón activado para la filtración de compuestos orgánicos (20). A. Desinfección Busca la eliminación de los microorganismos, que en los procesos anteriores no se han eliminado en su totalidad. Cabe precisar que en las aguas residuales, los organismos de procedencia antropogénica (bacterias, virus y quistes amebianos) pueden generar enfermedades (19). A continuación, se presentan algunos métodos de desinfección, según Metcalf & Eddy (19) : - Agentes químicos; tales como el cloro y sus componentes, metales pesados, el fenol y sus componentes fenólicos, el yodo, el bromo, el ozono, los alcoholes, agua oxigenada, ácidos, álcalis diversos, jabones, compuestos de amonio cuaternario y colorantes. Los tres últimos son los más comunes. 63 - Agentes físicos; aquellos como el calor y la luz. Cabe recalcar que algunos microorganismos mueren al estar en contacto con estos agentes físicos, pero existen otros que pueden tolerar condiciones extremas. - Medios mecánicos; al estar sometidos a las etapas de tratamiento de aguas, los microorganismos pueden disminuir, pero no en su totalidad. - Radiación; la desinfección puede llevarse a cabo mediante la radiación de partículas, la acústica y la radiación electromagnética. B. Nitrificación y desnitrificación - Nitrificación biológica: En este proceso actúan dos tipos de bacterias: las nitrosomonas, que oxidan el amoniaco; y las nitrobacter, que convierten el nitrito en nitrato (19). - Desnitrificación biológica: Es la separación del nitrógeno transformado en nitrato (proceso realizado sobre condiciones anóxicas) (19). C. Adsorción con carbón activado La aplicación de este proceso, según Metcalf & Eddy (19), se debe llevar a cabo en tres etapas: - Macrotransporte: Esta fase abarca el movimiento por difusión y advección de la materia orgánica por medio de un líquido hasta llegar al punto entre líquido-sólido. - Microtransporte: Es la etapa en la que el material orgánico se difunde a través de macroporos hasta llegar al área de adsorción. - Sorción: Es el momento en el cual la materia orgánica se une al carbón activado granular. Cuando este elemento llega a su límite de adsorción, se genera un equilibrio entre las tasas de desorción y sorción (19). 2.2.3. Reactor de biopelícula de Lecho Móvil – MBBR 2.2.3.1. Definición 64 Es una tecnología mediante la cual se desarrolla biomasa en el interior de las paredes de unos soportes plásticos (polietileno o polipropileno). Estos poseen una superficie específica alta por unidad de volumen, lo que facilita el mayor crecimiento de biomasa y una efectividad mayor respecto a un sistema convencional (23). 2.2.3.2. Descripción del proceso En gran parte de las aplicaciones, el flujo de un MBBR es un proceso de un solo paso, lo que significa que todo el procesamiento se realiza en un tanque. Sin embargo, en algunos casos, de acuerdo a ciertas características y fuente del agua, se requiere un tanque de homogeneización y uno de desnitrificación, si el agua tiene un alto contenido de nitrato (14). Durante este proceso, el agua atraviesa por medio de filtros gruesos y finos para retener los sólidos antes de ingresar al tanque del MBBR. Además, los carriers deben mantenerse en constante movimiento circular de abajo hacia arriba a través de un sistema de oxigenación de burbujas gruesas. Estos albergan a microorganismos para iniciar con el tratamiento biológico de las aguas (23). 2.2.3.3. Parámetros de diseño A continuación, se presentan los parámetros de diseño para plantas de tratamiento de flujo continuo. 2.2.3.3.1. Carga hidráulica Es la cantidad de agua vertida al filtro biológico (Lps) por cada metro cuadrado de la superficie del filtro hacia el cual va a llegar este elemento (Lps/m2) (1). Ecuación 1. Carga Hidráulica qa = (1 + R)Q As Donde Q: Caudal aplicado al filtro R: Recirculación Qr/Q As: Área superficial del filtro m2 65 2.2.3.3.2. Tiempo de retención hidráulica (TRH) Es la media (tiempo) en la que un volumen de agua se mantiene en un tanque, desde que entra hasta que sale. El TRH en el reactor es muy importante, puesto que es el que define el tiempo promedio por el cual el sustrato orgánico está sometido al tratamiento. Este se calcula con la siguiente fórmula (1). Ecuación 2. Tiempo de Retención Hidráulica TRH = V Q Donde V: volumen útil del tanque o reactor, en L o m3 Q: caudal del AR, en L/s o m3/s. 2.2.3.3.3. Carga volumétrica Es la cantidad de alimento que recibe el reactor por la unidad de volumen (1). Ecuación 3. Carga Volumétrica Lv = DQO ∗ Q V Donde Q: Caudal del reactor DQO: Materia orgánica en g/L V: Volumen útil en L 2.2.3.3.4. Área específica del carrier Es el área superficial apta para el desarrollo del biofilm por m3 de medio fijo utilizado (m2/m3). Refleja la cantidad de biopelícula que se puede formar en el reactor de medio fijo. Comúnmente, debe ser de hasta 200 para aguas residuales industriales (1). Ecuación 4. Área Específica del Carrier a = m2 m3 Donde m2: área superficial apta para el crecimiento de biopelícula 66 m3: cantidad de medio fijo utilizado 2.2.3.3.5. Volumen de carriers Los carriers deben ocupar entre 50-60% del volumen útil del reactor. Para ello, se utiliza la siguiente fórmula: Ecuación 5. Área de carriers a = 50% V útil Donde V útil: volumen útil de la cámara del reactor Ecuación 6. Volumen de carriers Volumen de carriers (m3) = Volumen del reactor ∗ % carrier 2.2.3.3.6. Volumen del agua Es el volumen de agua residual que ocupa en el reactor; en otras palabras, el volumen de agua que se ha de tratar. Se utiliza la siguiente fórmula: Ecuación 7. Volumen de Agua Volumen de Agua = V. Util − Volumen de carrier 2.2.3.3.7. Cálculo del caudal Ecuación 8. Caudal Q = VTRH 2.2.3.3.8. Oxígeno Requerido Real (ORR) Es el total de oxígeno que se requiere, el cual se calcula mediante la siguiente ecuación (1). Ecuación 9. Oxígeno Requerido Real ORR = (2,0 ∗ DBO5 + NTK + 3,0 ∗ S − H2S) ∗ Q Donde DBO5: Valor promedio de las mediciones NTK: Nitrógeno Total Kjeldla, Valor del agua residual media 67 S-H2O: Valor para agua residual media Q: Caudal máximo calculado 2.2.3.3.9. Tasa de Transferencia de Oxígeno a Condiciones Estándar (TTOE) Una vez hallado el ORR, se procede a calcular la TTOE, por medio de la siguiente ecuación (1). Ecuación 10. Tasa de transferencia de oxígeno a condiciones estándar TTOE = OOR ∗ Csa [β ∗ FCA ∗ Cst − c0] ∗ 1.024(T−20) Donde Cs: OD, 9.092 mg/L FCA: 1 − (1,17x10−4 x msnm de PTAR), (Factor de correlación de altura) 𝐚: Alrededor de 0.75; es la rectificación de transferencia de oxígeno pura a agua residual 𝛃: Alrededor de 0.95; es la rectificación de salinidad 𝐂𝐬𝐓: Temperatura del Agua Residual 𝐜𝟎: 1 a 2 mg/L, es el OD de la operación deseado del reactor T: Temperatura 1,024 (T-20): factor de corrección de T 2.2.3.3.10. Agitación y aireación El agua residual debe entrar con la menor cantidad posible de sólidos sedimentables de gran tamaño, debido a que, en esta etapa, las bacterias consumen el material contaminante biodegradable disuelto. Esta fase es ve